关于汽车IC市场分析介绍

汽车电子市场正在蓬勃发展，它在老牌芯片制造商和新兴公司之间掀起了一场全球争夺战。

不过，日益有目共睹的是，并非所有人都了解汽车与手机市场的差异。手机仍是半导体行业销量最高的市场，但增长势头已趋平缓。相比之下，汽车电子产品市场的价值正在迅速上升，越来越多的芯片制造商正试图占得一席之地。

Semico Research公司总裁Jim Feldhan表示：“所有人都认为汽车行业将是下一个大市场。如果你在高端市场，比如英伟达、英特尔、AMD，以及其他从事高端计算的公司，他们一定会考虑自动驾驶，因为‘每年有超过1.2亿辆汽车被生产出来。’总有一天，他们将通过自动驾驶系统拥有相当于多台服务器的功能。这是很强大的计算能力。”

Semico预测，到2023年，汽车半导体市场将增长到730亿美元。虽然完全自主的5级汽车上路可能尚需时日，但是3级特斯拉已经有了非常高端的计算能力。

Feldhan表示：“除此之外，自动驾驶系统中还有存储器、模拟器件，以及大量的电源和传感器产品。你会发现汽车之间彼此连网，而且正在尝试接入智慧城市，并实现车辆之间的通信——所有着一切都围绕着安全和交通管理。它们本质上就像花哨的手机，正在变成一个个移动热点，人们再不需要呆在星巴克里。”

对于汽车而言，信息娱乐仍然是一个重要区别。但随着信息娱乐系统越来越多地被纳入安全领域，无论是作为警报系统的一部分，还是作为其他部件的故障转移，它们都受到与发动机控制电子设备同样严格的标准约束。汽车OEM设定的标准是每十亿台15年内无故障，考虑到其中的大部分必须应用于极端条件，这一点尤其令人生畏。

不同之处

三星和苹果等公司的很多手机芯片设计都占据了设计的前沿。

Synopsys公司设计部的市场总监Mary Ann White表示：“对于大多数情况来说，它使用16nm，一直到最新、最前沿的工艺。很明显，10nm甚至8nm的手机芯片现在已经出现，但是他们会立即迁移到finFET或最新的工艺节点，他们可能已经完成了5nm和3nm的流片。移动设备和汽车的最大区别在于，当涉及到手机和图形驱动时，客户想要的是最新最前沿的工艺。例如，在汽车行业，传感器仍然是150nm工艺，没有理由向7nm迁移。考虑到汽车设计需要大量冗余，设计尺寸和面积不会产生太大的影响，并不像在手机上那样令人担忧。”

在手机世界中，设计通常达到3GHz，频率和速度是一切。在汽车中，频率差别很大。但至少在一个方面，这两个世界开始融合。White表示：“现在，你正在把非常低频的器件带到像手机一样的设备上，因为你现在正在制造连接5G网络的汽车。所以汽车突然变得像手机一样。”

二者之间最大的不同是电压。在移动应用中，电压必须非常低，以此提高电池续航能力。White表示：“1.8V是一种延伸，但人们肯定还想降到0.5V……相反，汽车内部总是存在高电压，而且许多汽车半导体器件仍然有很多模拟电路，因此器件必须在更宽的范围内正常运行。”

汽车芯片也必须在很宽的温度范围内工作（-40°C ~ 155°C，而手机器件是0 ~ 40°C），并且它们必须持续使用至少15年，而手机的寿命不到3年。

图1：汽车IC需求 vs 手机IC需求 （来源： Synopsys）

此外，汽车芯片的故障率需要显著低于手机芯片。White表示：“手机供应商要求故障率低于10%，而ISO 26262则差不多要求质量保证10年，但我们现在看到的是，客户想要15 ~ 20年内故障率低于10亿分之1（1 DPPB）。你的手机关机重启无关紧要，因为你不会受伤。但是想象一下你的汽车重启的后果，那是不可能的。”

空旷而又崎岖的道路

尽管如此，移动电子产品领域的机遇正在趋于平缓，而汽车领域的机遇正在扩大。

2004年，工厂只给不到50%的汽车配装了电动座椅，只有四分之一的汽车装有安全气囊。政府法规推动了今天安装在车辆中的安全相关功能的采用。

今天，电子/电气（EE）系统的内容正在急剧增加，但对鲁棒性和完美性的要求要高得多。

图2：工厂配装设备的采用率增加。（来源：Semico Research）

Semico公司的Feldhan表示：“如果你在生产消费类产品，正在设计它，如果它存在小缺陷，你就会对其进行改善，然后会在6 ~ 8个月内推出下一代产品。但这在汽车行业行不通。汽车行业的设计周期要长得多，而且必须完美无瑕。而且，当你解决了所有那些难题的时候，那么产品通常会在那里停留很久，这也意味着你必须支持这个设计很多年。如果你在消费电子行业，几年之内你就会淘汰掉有缺陷的部件，因为此时很可能有很多部件已经超越了它。”

最重要的是，消费者希望汽车连接的安全性、可靠性和高性能与他们在家中或办公室的连接相同，人们正在开发一些创新方法来实现这一目标。例如，Marvell正在开发用于车辆内外的同步双频Wi-Fi，其基础是连接支持芯片，他们还正在构建模块，例如1000BaseT以太网 PHY，支持802.11ac和802.11p的WiFi设备，以及蓝牙PHY和安全千兆以太网交换机。

Marvell公司连接业务部门技术营销总监Avinash Ghirnikar表示：“当我们在汽车中引入WiFi /蓝牙组合时，我们率先推出了移动热点使用案例。然后我们通过WiFi引入后座娱乐系统。客户希望在安全性、可靠性和速度方面拥有与在家中和工作时相同的体验。他们最新最好的智能手机（拥有802.11ax）在家庭和办公室都很出色，但当他们把它装进车里时，速度慢得就像乌龟爬。为什么会这样？这便是802.11ax将扮演关键角色的原因之一。在汽车环境中，提供无缝WiFi体验是非常具有挑战性的。路上有很多车，而你必须在汽车驾驶室内处理这些事情。这就是802.11ax要解决的问题。”

现代化的汽车

甚至传统的汽车IC设计也在改变。

西门子Mentor事业部汽车营销总监Andrew Macleod表示：“如果我们看看微控制器，它可能是传统上体积最大、最复杂的芯片，就可以看到车辆周围约有100个ECU，每个ECU都有一个微控制器，它可能有16MB的闪存。其中一些芯片嵌入了flash、通信外设、CAN总线、以太网——芯片通常是单核心。世界上可能有五六家IC公司在设计零缺陷芯片方面非常专业，并且具有设计规则检查和测试方法，以适当的缺陷率生产这些部件。这是我们在过去15年里所看到的，而且这一点已经被充分理解。新世界是由汽车的大趋势推动的，即自动驾驶和电气化。我们看到了从带有微控制器的100 ~ 120个ECU向大型控制器的转变，这在设计上是完全不同的挑战。这意味着，现在我们不再关注相对简单的微控制器芯片，而是使用AI芯片、GPU和ASIC来管理大规模计算和低功耗要求，事情正在朝相反的方向发展。”

这增加了传统汽车供应链的复杂性。芯片制造商将芯片卖给一级供应商，一级供应商将芯片集成到模块中，然后将模块卖给汽车制造商。

MacLeod表示：“这意味着我们必须加快开发这些芯片的速度。突然之间，供应链正在努力寻求合作，因为我们减少开发时间的唯一方法是在模拟器中运行一些IP，在晶圆厂造出芯片1年以前编写软件。你可以在模拟器中拥有整个SoC或特定IP的一部分。例如，你可以将摹拟的传感器数据（尤其是用于自动驾驶汽车的传感器融合芯片的数据）输入模拟器。然后，你可以输出到某个模拟车辆行为的工具。因此，即使没有芯片，你也可以测试IP、测试算法，看看它对传感器数据的反应，并实际看到车辆的动态响应。这对供应链来说是巨大的挑战，因为汽车制造商现在正在设计自己的IC。特斯拉曾多次公开谈论过这个问题。虽然有些一级供应商正在设计IC，但他们也必须更多地参与到软件中。大陆汽车收购Elektrobit就是一个很好的例子。此外，IC公司现在正在做ECU。”

一个悬而未决的问题是供应链中的每个参与者如何增加价值。

MacLeod表示：“合作的模式将成为前进的方向。我们如何在既互为竞争对手又互为客户的公司之间共享知识产权？这该如何管理？”

不同的世界

汽车设计最佳实践和成本控制是整个半导体行业正在进行的工作。

Cadence定制IC & PCB部门高级总监Ian Dennison指出了一些需要考虑的变化。其中一项涉及可靠性，最佳实践是在预期15年的汽车模拟和数字器件使用寿命中减少互连电迁移和晶体管老化。但是，在车辆的使用寿命期间，IC仍然有可能失效，这可能是由于车辆的老化，可能是由于潜在的制造缺陷，也可能是由于车辆遇到了异常的热应力或电磁干扰。

Dennison表示，无论什么原因，IC必须能够检测并发出故障信号，以便采取可能挽救生命的纠正措施，如切换到备用功能，或将车辆转移到故障安全模式。为了能够在现代汽车市场做生意，半导体供应商需要对其IC进行ASIL评级，以评定他们的故障检测覆盖范围。

对逻辑电路的故障检查通常是通过软件诊断、LBIST / MBIST，以及三重投票触发器来实现，但是对于模拟电路，通常需要一个专门的芯片检测程序，这需要对模拟功能有深入的了解。这为模拟模块增加了相当多的设计时间和空间。自检芯片的设计具有自动化功能，但在ASIL过程中也有手工步骤和专业判断要求。最终，半导体供应商需要与ISO 26262 / ASIL审核员坐下来处理证据。实际上，审核组织也在IC设计过程中提供咨询服务。

此外，半导体公司需要了解其汽车客户。Dennison 表示：“例如，他们是否希望为ASIL D部件（最高评级）花费大量额外投资，或者他们是否会接受ASIL B部件，并通过IC复制和冗余，从其审核员那里寻求更高的ASIL评级？随着行业将ISO 26262的设计推向主流，制定这些职责和降低成本的工作正在进行中。”

OneSpin Solutions公司技术营销顾问Tom Anderson表示：“当汽车中的电子设备只是同步门上锁/解锁和车窗的中央控制时，没有人会过于担心故障，因为大多数问题都可以通过恢复到手动来克服，直到可以进行维修。电子仪表盘的可靠性要求提高了一个档次，因为人们几乎不可能驾驶没有显示的汽车。电子巡航控制对安全要求也有类似的影响，因为一些故障模式（如恒定加速度）可能非常危险。如今，用于危险检测和平行停车等功能的先进驾驶辅助系统（ADAS）已经非常普遍。由于驾驶员开始依赖这种系统，它的可靠性和安全性都必须得到提高。”

这在自动驾驶汽车上尤其受到关注。

Anderson表示：“最近的撞车事故表明了现有技术的局限性，也表明了司机想要把所有的控制权交给尚不完善的系统的意愿。一些没有按照制造商的指示一直使用手动控制的人已经付出了生命。虽然真正的自动驾驶汽车仍是未来的产品，但毫无疑问，许多消费者都希望汽车拥有这种能力，许多制造商正努力实现这种能力。作为回应，汽车电子产品开发人员比以往任何时候都更加关注可靠性和安全性，同时增加了信任（芯片和系统按照设计工作，没有引入后门或木马程序）和安全性（系统不能被外部攻击和控制）的挑战。”

需求处理

汽车和航空航天等市场特有的规则之一涉及到了需求的处理和跟踪。

Breker Verification Systems公司首席营销官Dave Kelf表示：“汽车ISO 26262标准详细说明了‘系统的’设计和验证流程，其中正式规定了个性化需求。然后，他们将具体的设计和验证计划要素纳入个性化需求的验证范围，并反馈到原始计划中。对于一切开发工作而言，这都是很好的实践。众所周知的V-Model展示了这个过程的本质，将概念需求分解为详细的特性，然后将验证计划抽象出来，以允许根据高层次的覆盖范围指标对覆盖范围进行衡量。”

Kelf说：“这一过程正在变得自动化，新的验证技术可以提供帮助。一切验证工具必须在这些设计上承担所需要的覆盖范围。确保所有引擎都正确使用，并且在这些引擎之间的覆盖范围指标被混合到一个可以根据需求进行衡量的水平，这需要一种可移植的、抽象的测试和覆盖方法。这是一种新方法，非常适用于此目的，凭此，需求可以在可执行规范中详细描述，然后将高级约束应用于此规范，以驱动每个验证工具和流程阶段的各个场景测试。最后就可以对Portable Stimulus规范中的抽象路径覆盖范围进行衡量，提供ISO 26262要求的精确度量。需求能够以可执行的规范方式进行编码，覆盖范围直接应用于它们。”

结论

虽然有许多问题需要解决，许多方法需要探讨，但是汽车IC设计已经开始与系统设计融合。

西门子Mentor事业部的Macleod 表示：“10年前的世界完全不同。今天，从IC的角度来看，你几乎是在模仿ECU的某些部分。新IC的特性几乎与ECU属于一个类型，到处都是RTL和IP。系统设计和测试、IP、芯片投产前工作，这些在车辆架构、AUTOSAR（汽车开放系统架构）和机器学习算法等方面意味着什么？我们会看到这些界限正在变得模糊，我们很有兴趣目睹供应链如何应对这一点。汽车制造商想要弄清楚供应链如何更好地协作。OEM希望专注于车辆的一部分。他们可能不想设计每个芯片或每个ECU，但也许对于传感器融合而言，他们确实想设计自己的定制芯片，并且他们希望一级供应商专注于其他方面。为了实现这一点，供应链必须进行协作，因为这些系统不能脱离自动驾驶汽车隔离运行。它们必须是系统的一部分。而且完成所有这些芯片投产前的工作并不是微不足道的任务。”

虽然前十大半导体公司中的几家已经了解了ISO 26262，但其他一些公司正在转向汽车行业。他们现在正试图确定是否或如何遵守ISO 26262。

Synopsys公司的White表示：“你不一定非要遵守ISO 26262。这不像OEM厂商说你必须这样做。但你最好还是遵守为妙。因为你需要展示工艺流程的可追溯性，以确保EE系统是安全的，不会对人类造成伤害。”