汽車缺芯,技術(shù)迭代,車規(guī)挑戰(zhàn)。

文︱立厷

圖︱網(wǎng)絡(luò)

面對(duì)汽車缺芯,臺(tái)積電剛剛表示,雖然其生產(chǎn)能力目前已滿,但將“優(yōu)化”芯片生產(chǎn),釋放產(chǎn)能,如果產(chǎn)能開放,將優(yōu)先考慮汽車芯片生產(chǎn)。其聲明中提到:“我們正在與客戶密切合作,并將他們的一些成熟節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到更先進(jìn)的節(jié)點(diǎn),以更好的產(chǎn)能支持他們�！辈贿^,消息來源并未提及是什么節(jié)點(diǎn)。

CES 2021上,Ambarella宣布推出CV5 5nm 8K AI視覺處理器SoC,用途包括運(yùn)動(dòng)相機(jī)、無(wú)人機(jī)和日益重要的汽車業(yè)務(wù)。據(jù)說它是其內(nèi)部ISP(圖像信號(hào)處理)的最強(qiáng)迭代,除了8K60視頻錄制或四個(gè)獨(dú)立4K視頻流等功能,還具有強(qiáng)大AI功能、新的CPU內(nèi)核,關(guān)鍵在于以三星5LPE(5nm低功耗)節(jié)點(diǎn)制造,承諾了非常低的功耗。果真如此,這可是一個(gè)絕佳賣點(diǎn)!不過,5LPE還是依賴FinFET晶體管,先進(jìn)與否,看下面的分析吧。

近年來,隨著汽車日益電氣化和自動(dòng)化,越來越多的汽車數(shù)據(jù)被數(shù)字化,迫切需要更先進(jìn)的電子器件來處理。在汽車這種極端環(huán)境中,至今7納米芯片的使用也是鳳毛麟角,5納米嘛,剛有廠商做出來,還沒有量產(chǎn),而未來會(huì)發(fā)生什么呢?我們來看看頭部半導(dǎo)體廠商的大佬們是怎樣看待汽車對(duì)芯片可靠性和工藝提出的挑戰(zhàn)。

汽車是芯片最大新興市場(chǎng)

2015年至2018年期間,汽車市場(chǎng)快速增長(zhǎng),隨后伴隨汽車主機(jī)廠退步并重新評(píng)估其目標(biāo)和架構(gòu),市場(chǎng)大幅放緩。他們并沒有試圖在每輛車上都安裝一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)(這在經(jīng)濟(jì)上是不現(xiàn)實(shí)的),而是將重點(diǎn)放在可擴(kuò)展的架構(gòu)上,以處理越來越多的駕駛輔助功能。盡管疫情大流行造成了新車銷售的損失,但這項(xiàng)工作仍在進(jìn)行。

要實(shí)現(xiàn)汽車主機(jī)廠的愿望,唯一途徑是汽車芯片設(shè)計(jì)的創(chuàng)新,讓計(jì)算能力再上一個(gè)臺(tái)階,因此芯片最大的新興市場(chǎng)之一是汽車。

汽車電子控制單元越來越多

如今,汽車半導(dǎo)體在急劇增長(zhǎng),因?yàn)橹挥型ㄟ^電子控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)更好的燃油效率、安全性、便利性和更嚴(yán)格的排放控制。豪華車采用了更多的電子組件,更智能和高度集成的電子控制單元(ECU)則需要更多的定制專用集成電路(ASIC)。

芯片工藝創(chuàng)新談何容易

轉(zhuǎn)向先進(jìn)技術(shù)當(dāng)然令人興奮,人們相信一輛車能做自己現(xiàn)在能做的事情,但是用所有計(jì)算來真正模仿人并不容易。從半導(dǎo)體角度講,需要芯片有強(qiáng)大的算力。

但是,作為一種成功的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè),摩爾定律的走勢(shì)開始放緩已是不爭(zhēng)的事實(shí),可能使之延續(xù)下去還要借助于先進(jìn)IC封裝,比如從2D轉(zhuǎn)向3D封裝,以提升晶體管的集成密度,同時(shí)節(jié)省一些加快摩爾定律進(jìn)程的設(shè)計(jì)和制造成本。

從芯片工藝來看,追求性能的競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)慘烈,主要就是成本的大幅增加,資金投入何止是不菲!在進(jìn)入10納米后,芯片代工行業(yè)的成本壓力越來越大。10納米芯片的開發(fā)成本超過1．7億美元,7納米差不多3億美元,5納米更是在5億美元以上。

還有芯片本身的問題。先看5納米,因?yàn)楹芏嘣�因一直在采用的鰭式�?chǎng)效應(yīng)晶體管(FinFET)工藝開始失去動(dòng)力,包括通過細(xì)金屬絲傳輸信號(hào)、絕緣各種元件的較薄電介質(zhì),以及通過長(zhǎng)形柵極控制電流泄漏的能力都在下降;甚至制造也成了一個(gè)更大的問題,因?yàn)閷?duì)于FinFET,每個(gè)新節(jié)點(diǎn)的鰭(fin)都更高。

PDF Solutions高級(jí)研究員Tomasz Brozek說:“一個(gè)問題是,鰭本身必須更堅(jiān)固,柵極也必須更高。這意味著材料必須進(jìn)行替代,將金屬沉積在溝道內(nèi)部,觸點(diǎn)必須建立在源/漏外延區(qū)。因此外延的生長(zhǎng)需要更深更高,而觸點(diǎn)本身也將圍繞著源極和漏極建立,以降低接觸電阻,這增加了復(fù)雜性�！�

這一點(diǎn)對(duì)汽車市場(chǎng)尤為重要,因?yàn)槿找孀詣?dòng)化的汽車人工智能(AI)部分需要最先進(jìn)工藝所具備的特性。但在汽車惡劣環(huán)境下使用的芯片中,還從來沒有大規(guī)模使用過先進(jìn)節(jié)點(diǎn)工藝,落后手機(jī)等行業(yè)不止一拍兩拍。原因在于,在服務(wù)器機(jī)架中,如果內(nèi)部溫度過高,個(gè)別服務(wù)器可以將負(fù)載轉(zhuǎn)移到其他服務(wù)器。同樣,如果一部智能手機(jī)被放在高溫的車?yán)?超過一定溫度它就會(huì)關(guān)機(jī),直到溫度降到預(yù)設(shè)的極限以下才能重啟。汽車內(nèi)的熱量會(huì)對(duì)從內(nèi)存延遲到電路老化加速等所有方面產(chǎn)生很大影響。

OptimalPlus副總裁兼總經(jīng)理Doug Elder說:“在5納米,缺陷和計(jì)量數(shù)據(jù)越來越難以收集。因此,汽車行業(yè)采用5納米的行動(dòng)將要推遲到解決了這些問題之時(shí)。芯片做得如此之小,會(huì)影響獲取晶圓級(jí)數(shù)據(jù)的能力。一方面,可視性——無(wú)論是電的還是光的——都會(huì)降低。另一方面,這么小的芯片產(chǎn)生的數(shù)據(jù)太多了,以至于人們不知道該怎么處理這些數(shù)據(jù)。在獲取這些數(shù)據(jù),或者在某些情況下弄清楚如何處理這么多數(shù)據(jù)方面,問題越來越多。”

5納米的唯一

2020年6月,恩智浦成為首家采用臺(tái)積電5納米工藝技術(shù)的汽車芯片公司,為下一代自動(dòng)駕駛提供高性能安全計(jì)算系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)平臺(tái)。據(jù)稱,臺(tái)積電有望在2021年秋季向恩智浦的主要客戶提供首批樣品。

隨著汽車行業(yè)大規(guī)模并行計(jì)算(高性能計(jì)算和安全計(jì)算并舉)創(chuàng)新的需求,汽車主機(jī)廠必須在其汽車架構(gòu)中應(yīng)對(duì)“爆發(fā)性軟件、極其昂貴的材料清單和更高的安全性”要求。恩智浦N5P(臺(tái)積電5納米技術(shù)增強(qiáng)版)工藝技術(shù)汽車處理平臺(tái)可以增強(qiáng)其架構(gòu)產(chǎn)品,與MobileEye、高通、英偉達(dá)、瑞薩等競(jìng)爭(zhēng)。恩智浦的目標(biāo)是通過提供可以“跨域”使用的統(tǒng)一核心架構(gòu)來“統(tǒng)一軟件基礎(chǔ)架構(gòu)”。

競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Mobileye的EyeQ5采用7納米工藝,據(jù)說EyeQ6可能會(huì)升級(jí)到5納米。Mobileye使用了意法半導(dǎo)體較早的制造工藝,而較新的處理器則使用臺(tái)積電的制造工藝。

在過去一年,臺(tái)積電和恩智浦與5納米汽車級(jí)生態(tài)系統(tǒng)參與者進(jìn)行了很多合作,在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)與IP供應(yīng)商、工具供應(yīng)商和其他提供設(shè)計(jì)支持的供應(yīng)商進(jìn)行更多協(xié)同設(shè)計(jì)。

如果明年的樣品得以成行并量產(chǎn),才能說恩智浦是汽車半導(dǎo)體公司中首個(gè)采用5納米工藝技術(shù)的公司。在此之前,要使5納米工藝獲得汽車級(jí)和功能安全性資格,還有大量的認(rèn)證工作要做。

恩智浦采用5納米技術(shù)的賣點(diǎn)在于:可以實(shí)現(xiàn)高集成度,同時(shí)降低功耗。前者很容易理解,后者還難以定論,后面馬上分曉。