收藏 | 关于车规MCU芯片的思考与践行

“车规芯片需求激增，安全可靠是第一要义”这句大实话最近很火。什么是车规芯片呢？其实它是满足汽车电子元件规格标准的芯片，在目前汽车电动化、智能化、网联化、共享化进程中，其作用至关重要。

具体车规芯片与消费类芯片有什么不同？怎么制造、要满足哪些标准？现在为什么紧俏异常？如何解决缺“芯”的烦恼？近日，芯驰科技副总裁徐超对此类问题给出了客观的答案。

汽车芯片和消费类芯片判然不同

徐超从芯片制造讲起，开发一款芯片之前，首先要“输入客户需求”，对需求进行分解，由架构师对芯片进行合理化定义，这是一个非常考验经验的过程。如果满足了全部客户的期望需求，那芯片成本、面积、功耗等就很可能无法达到均衡。所以，架构定义最重要的一个点是在覆盖最大化客户共性需求的同时，考虑成本、可实现性和可量产性。

定义完成后，开始IP设计，包括使用自有IP和导入合作伙伴的IP；之后进行同期验证，然后将合作伙伴IP集成在SoC中，用加速器和仿真器进行模拟和仿真；最后做综合，同时不断进行迭代和仿真测试。

芯片的物理实现首先通过光刻机在晶圆上刻出芯片电路图形，之后注入离子、镀金属层，然后刻蚀成电路，并进行测试，淘汰掉不良品；再把大的晶圆交给封装合作伙伴，切割成一个个裸片，焊在基板上进行封装。

这时，如果是可靠性要求不高消费类芯片，大多数情况下，完成这些步骤就可以交付给客户了，略微有可靠性要求的消费电子和商用芯片则需要在封装后做相关的一些测试和老化，挑选出有瑕疵的芯片。而车用芯片则需要做非常严苛的老化和可靠性测试，最后还缺少一样东西——相关测试和验证的认证证书，作为PPAP交付文档的一部分。所以，要把车规芯片交给认证合作伙伴，经过一系列测试，完成汽车功能安全和可靠性要求认证，证明其在安全和可靠性上，达到了相应标准，主机厂或Tier1一般才会使用。

他介绍说，车规芯片和消费芯片有几个显著的区别：

• 设计目标不同：消费类芯片主要考虑性能、功耗和成本（PPA）；车规芯片还会综合考虑可靠性、安全性、一致性和长效性。
• 工作环境不同：消费类芯片一般满足0-70℃环境温度，而车规芯片要满足-40-105℃的使用温度要求。
• 设计寿命不同：消费类产品一般不超过5年；汽车设计寿命是10-15年，汽车芯片寿命也要按此设计。
• 生产制造不同：汽车芯片在制造和封装测试上比消费电子要求相对高。
• 另外，汽车SoC芯片通常有独立的安全岛设计、独立的系统、独立的电源、独立的时钟，独立的PLL（锁相环）等，以保证持续安全运行。
• 汽车还要满足数据存储、传输网络ECC/CRC校验和多系统要求，如芯驰一个芯片能够控制10个屏，共运行了6个操作系统，同时符合ISO26262、AEC-Q100标准。

“一芯十屏”演示

徐超强调，关键在于如何在满足这么多要求的情况下，保证性能和成本，这要依靠经验丰富的团队。此外，还要考虑客户的研发投入，为其未来3-5年的前瞻性需求做一些预留，同时还不能让芯片成本增加太多。

危机四伏下的缺芯

2021年4月，IHS对全球芯片短缺做了一个分析，徐超从供给侧和需求侧对其进行了解读。

他说，在供给侧，经过差不多半年多的短缺，芯片行业开始特别关注提升本土化程度，此外，近两年，一些危机性事件，如疫情、气候等，均造成了全球产能下滑。

供给侧下降，需求侧则在上升。IHS报告将汽车芯片排在第一位，因为2020年底行业的判断是，受疫情影响全球汽车工业产能预期将下降45%，但实际上中国基本与2019年持平，全球下滑也是个位数。疫情缓解后出现了报复性出行需求，而公共交通有可能使疫情反复，所以购车量上升。

后疫情时代，居家办公、工业自动化等需要增加，手机、PC、服务器、平板电脑、电商、远程支付，包括加密芯片需求涨声一片。这种倒挂现象很难在短期内弥补。

除了供给和需求两侧，汽车行业正处在百年变革中，芯片的需求量快速上升。电动化、共享化、智能化和网联化，加上个性化已成为大势所趋，对芯片的需求和要求都发生了很大变化，以前有芯片就可以卖车，现在是有好的芯片车才有竞争力。

事实上，汽车行业缺芯不是疫情之后才出现的，此前就有因芯片供应问题导致汽车产量受影响的案例出现。在很多情况下，多因素叠加会导致一个事件会像滚雪球一样放大，特别是遇到疫情这种特殊情形。

因此，如果汽车行业和半导体行业缺少交流，缺芯将阶段性存在，徐超预计，今年Q2或Q2末市场会回到常态，随着主机场与芯片厂商的交流越来越深入，这种情况会越来越好处理。

融入主机厂流程，随需而变

徐超表示，只有随需而变，才能更加贴近主机厂的整个开发流程。传统开发流程是主机厂完成立项到设计，然后给Tier1产品规格要求，后者据此与芯片厂商沟通选型。整个过程有可能会长达4年，现在，在智能汽车普及的时代，主机厂为了更加个性化和差异化的创新车型定义，更加早期的导入芯片合作企业进行深度交流，芯片企业介入整车开发流程较之传统模式，平均提前了16个月以上。目前，新型主机厂和很多传统主机厂甚至会在车型规划初期让芯片厂商参与进来。主机厂需要芯片厂商提供更多深度的信息去灵活定义差异化和卖点，突破传统设计流程中汽车和芯片行业的壁垒和便捷。这种变化对于芯驰来说也是非常重要的机遇。

事实上，主机厂也在贴近芯片厂商，特别是面对缺芯，另外，主机厂还会考虑芯片级（以前是零部件级）备份方案，还有EE架构的归一化。

徐超指出，如果不去改变1000多颗芯片中有近180种芯片的事实，供应链安全将是一句空话，因为只要缺一颗芯片车就很可能无法下线。所以，主机厂需要的是用更高集成度、更高性能的芯片将原来的众多零部件整合到一起，也就是功能上耦合、性能上提升、进一步集成的整车架构。这既是主机厂的解决之道，也是一个趋势，所以大核心处理器是未来的一个趋势，芯驰的产品路线图中已有相关的产品。

安全第一，兼收并蓄

徐超认为，汽车芯片与其他消费类或商用芯片的最大区别就是两个字——安全。基于此，芯驰芯片强调系统完整性级别的功能安全；信息安全，包括符合国密、商密标准认证；可扩展，就像沃尔沃的SPA平台，可以灵活地从A级车扩展到C级车、豪华车。芯片亦然，可以在同一个平台上设计不同配置的兼容架构，例如：从2个核到8个核的GPU和CPU。其好处在于客户的软件、系统、应用甚至硬件都可以兼容和非常平滑地迁移，不需要额外投入；而芯片厂商的不同型号芯片可以面向不同市场，缩短上市时间；有一个足够强大的CPU固然好，CPU是一个复杂运算单元，可以跑各种算法和应用，但芯片设计并不尽然，需要根据特定应用市场来考虑，用ASIC或加速引擎方式实现其中一些通用CPU运行的算法，可能用1/10的面积实现10倍以上的性能，当然这会牺牲一些通用性。客户实践证明，选用座舱和未来整车架构中用得最多的CV/AI引擎，效果非常满意。

除此之外，车规芯片强调安全、可靠、长效、性能、功耗和价格。其中性能、功耗和价格消费电子也会考虑，而即使在这三个方面，车用芯片需要考虑的也会更多，比如性能中的智能化程度和增强体验、实时响应等；功耗方面的节能减排、续航里程；价格是永恒的话题，希望最好的芯片有最低的价格。

其中安全性、可靠性和长效三者是车规芯片与传统芯片的最大区别。

• 安全：以更多机制防范一些错误注入和系统理论失效。
• 可靠：在芯片可靠性之外，增加可靠的供应链有助于保证决策安全，同时也能降低召回风险。
• 长效：架构足够先进，设计足够持久，软件系统有足够长的支持，这也可以减少客户的重复研发投入。

从技术上看，可靠性和长效息息相关，通过代表半导体产品寿命三个主要阶段的“浴缸曲线”可以发现，从产品交付早期到报废的整个寿命周期内，其可靠性的变化（失效率）呈现一定规律。由于半导体特性，芯片早期故障率比较高。度过早期失效期就进入了偶然失效期，发生失效的几率可控，这时就可以开始销售了。

消费类电子产品有的不做早期的Burn in（老化），它知道自己的长期偶然失效率大概是多少，可以通过换机来解决。如果消费产品刚开始用跑应用时就老崩溃，厂商会给换个新的，这个几率大约在千分之一左右，当然通过出厂系统测试也会规避掉一些，实际可能更低一些。

但汽车不一样，从销售开始，芯片就要保证0ppm，偶然失效期要保证10-15年，而消费电子的偶然失效期只需3-5年。

那么，问题来了，主机厂的技术团队怎么证明自己选择芯片的决策是安全的？徐超觉得这要从几个层面来看。

首先是认证层面，芯片厂商要委托第三方中立机构按照非常严苛的行业标准去做所有车规级相关试验和测试，最终拿到认证。

从芯片可靠性看，每个芯片都要有唯一的二维码，如果发生质量问题，可以在6个小时内追溯质量问题的根源，这个流程的管理，得到了包括车规晶圆厂和封测合作伙伴的大力支持和配合。

还有“保险”层面，6月工业和信息化部电子信息司、装备工业一司支持，北京市经济和信息化局指导，中国汽车芯片产业创新战略联盟主办的汽车芯片保险签约仪式发布活动在京成功举行，将推动芯片企业、零部件企业和保险公司，开展汽车芯片保险和保费补贴试点工作，通过“市场化为主+政府有限支持”方式破解汽车芯片应用问题，以金融保险手段分担产业链上下游风险和疏通瓶颈，对促进汽车芯片快速形成市场应用规模具有重要意义。可在保险层面保障主机厂在选用芯片时至少不会有太大的决策风险。

贞光科技深耕汽车电子、工业及轨道交通领域十余年，为客户提供车规MCU、车规电容、车规电阻、车规晶振、车规电感、车规连接器等车规级产品和汽车电子行业解决方案，成立于2008年的贞光科技是三星、VIKING、紫光芯能、基美、国巨、泰科、3PEAK思瑞浦等国内外40余家原厂的授权代理商。

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