汽车电子SOC芯片接口IP的挑战和解决方案

2022年9月，由Design & Reuse主办的 IP SoC China 2022在线上召开。本次活动旨在推广 IP（硅知识产权）以及相关 IP 的电子系统，促进全球知识产权知识共享，为电子行业创新提供源源不断的新动力。    

芯耀辉受邀出席本次线上虚拟大会，由芯耀辉技术支持总监刘好朋为观众带来《IP助力汽车电子SoC发展》的主题演讲，分析市场趋势，解锁IP车规应用的创新思路。以下为演讲内容整理，欢迎点击“阅读原文”直击演讲现场。

汽车电子市场简述和趋势分析

过去15年，生活中的电子设备经历了从简单功能到复杂应用的智能化过程，依赖于最新的基础技术如5G、人工智能、高带宽、核心网络等，智能设备可以随时处理复杂场景和功能。

智能汽车是搭载先进传感系统、决策系统、执行系统，运用信息通信、互联网、大数据、云计算、人工智能等新技术，具有部分或完全自动驾驶功能，由单纯交通运输工具逐步向智能移动空间转变的新一代汽车。

图1

根据中国汽车工业协会研报（图1），在经历了2019年、2020年汽车销量的负增长后，2021年中国汽车总销量为2,610万辆，同比增长3.1%。在接下来几年的连续增长趋势下，2025年中国汽车市场销量有望达到3000万辆左右。由于汽车的平均单价高，这将是一个基数庞大的存量市场。

汽车电动化和智能化推动汽车芯片的强烈需求，如图2所示，2020年，我国智能网联功能新车渗透率达48.8%，预计到2025年，新车渗透率可以达到75.9%，实现真正意义上的普及。

图2    

同时，汽车电动化也为汽车半导体提供了新的增长空间。按照单车半导体价值测算的传统燃油车的半导体平均价值量为417美元；48V/微混型汽车相较传统燃油车半导体单车价值量增加了114美元；全混/插电式类型车的半导体增加了368美元；纯电动型车的半导体增加了358美元，估计特斯拉单车增量在400美元左右。智能汽车引入了如车身控制、动力安全、自动驾驶、智能座舱等多种新功能，这些功能都需要大量的芯片来提供支持。从自动驾驶等级来看，L1/L2的芯片价值约为100-150美元，L3可以达到600美元，L4/L5更是可以达到900甚至是1,200美元。所以汽车电子芯片特别是自动驾驶芯片，已经成为本土厂商角逐的主战场。

除此以外，智能座舱也是汽车智能化的主要增量市场。根据 ICVtank 预测，到2026年，全球自动驾驶市场规模将达687亿美元，CAGR达25.4%，智能座舱市场规模将达440亿美元，CAGR约11.3%，中国市场年复合增速达11.6%，领先全球增长。智能汽车领域有很多细分市场带来新的机遇，比如屏显、头上显示、智能环视、域控制器、自动驾驶等。自主车企和零部件供应商有望实现弯道超车，本土厂商在崛起的同时也不得不面对传统汽车芯片和新兴消费芯片巨头的竞争，芯耀辉的优势在于立足本土，深刻理解市场和应用需求，与国内主机厂联合开发，这样就能在成本和性能上具有较大优势。

智能化推动汽车电子芯片SoC化

汽车架构经历了分布式到域集中式的发展，之后会向中央计算式演进，总的趋势是ECU的数量在不断的减少，控制和计算不断中心化，未来更是会实现本地和云的协同化。每一辆车都是一个流动的数据终端，时时刻刻都在进行本地和远程的协同运算和控制，实现车和车之间、车和各种基础设施间的实时通信，这些趋势都在推动汽车芯片设计SoC化。

以智能座舱为例，国外的厂商如高通、三星、英特尔，国内的厂商如地平线、芯驰等争先推出新品，CPU、GPU的算力不断提升。以高通8155的7nm工艺芯片为例，加入NPU，算力可以达到4TOPS；车厂还逐步在引入高通8295的5nm工艺芯片，其性能提升最明显的仍是NPU，NPU的强化极大的提升了智能化和用户的体验，这是智能座舱的主要发展方向之一。

自动驾驶更是算力为王。以英伟达为代表的非传统汽车芯片厂商大力发布新品，快速占领市场，高通也是不遗余力。如图3的算力排行榜所示，高通的混合方案排名第1，第2名到第6名被英伟达占据，除了深度学习的算力和效能外，自动驾驶芯片还要求支持多种传感器的输入、软件开发的便利性、获得功能安全认证和提供完整开放的解决方案，可见汽车电子芯片和系统设计并非易事。

图3（来源：Yole、英伟达、

中⾦公司研究部、云岫资本整理）

汽车电子SOC芯片接口IP的挑战和解决方案

以复杂的自动驾驶芯片为例（图4），将主流的ADAS芯片做一个多维度的比较。目前，单芯片算力达到200TOPS以上，能效比也在3以上，普遍是16nm以下工艺，最高可达5nm。接口IP是其中最复杂的部分，包括了像LPDDR、PCIe、以太网、MIPI、显示接口HDMI以及通用的USB接口等。这些接口IP的配置和主流手机非常接近，但规格上要晚一代。这是由于技术更加成熟、可靠性更高、供应更稳定。这也印证了车规SoC开发周期远大于消费级产品，再考虑到上市前的复杂的测试过程，普通的消费者体验的时间还会更晚。

图4    

图5是汽车电子核心总线接口的演变和发展趋势。美国汽车工程师协会SAE按照车上网络系统的性能把汽车网络划分为几个不同的等级。这些总线适用于汽车的不同部件和应用，随着汽车的发展，这些总线的技术出现了瓶颈。一些消费电子成熟的技术已经渐渐的移植到了汽车中，比如车载以太网的兴起；结合IEEE提出的TSN（时间敏感网络）一系列的标准，TSN在传统的以太网络的基础上，用精准的时间同步通过保障带宽来限制传输延迟，提供高级别服务质量以支持各种基于音视频的媒体的应用。车载以太网有望在2025年达到25Gbps的高带宽，车上还引入了多媒体接口，比如像LVDSMIPI、HDMI、DP，还有MIPI组织现在正在推广的A-PHY，以及可拓展的接口比如：PCIe、USB等。总之，带宽越来越高，功能越来越复杂，迭代越来越快，总线和接口的需求有多元化的趋势。

图5

汽车电子需要车规工艺，同样也需要车规IP，然而车规IP和消费电子IP差别很大。

首先是可靠性的区别。车规根据等级不同，环境温度的容限差别非常大，在使用寿命和失效率方面差别也很明显。AEC组织有很多不同的标准，适用于芯片IP，业界广泛使用的是ACE-Q100的车规验证标准。除此之外，汽车电子的设计使用寿命至少是10年，一般会以15年以上，失效率在使用寿命期基本上是在1ppm，也就是百万分之一以下。

车规IP的可靠性要求相较于消费类IP，会有大量的、额外的复杂工作。主要是在工作温度、耐久性和可靠度上的差异，详见图6。不同的Tier 1 厂商对于Mission Profile的定义也不尽相同，作为IP厂商也有自己的独到见解。芯耀辉会与客户、foundry合作，共同定义切合实际的Mission Profile，并结合车规的工艺和车规相关的设计数据进行严格的仿真验证，这也间接的延长了车规芯片的开发周期。

图6  

图7    

功能安全性对于车规级芯片也是至关重要的（图7），特别是对人身安全有关联的部件和模组，国际标准化组织定义了ISO 26262标准来规范不同的安全等级。由QM开始，每一级别的SPFM和LFM逐级提高，带来更低的随机硬件故障率。以此来看对IP的要求，就像可靠性AEC-Q100那样需要很多的额外工作和流程的介入。IP重用的好处就是可以隐去中间巨量的繁琐过程和时间开销。最终用户可以从IP供应商处获得 safety package，包含了像DFMEA、FMEDA、Safety Manual、认证证书等，这样可以大大的加速车规芯片的开发进程。

为了提升功能安全性一般会采用两种策略，一种是保护性的设计，另外一种是冗余性的设计。保护性的方法多种多样，实现起来复杂，但具有针对性强，效率高的特点，如适用于片上存储的ECC纠错、存储器BIST优化、数据包CRC检错、Watchdog防锁死、执行单元的lockstep等。冗余设计的方法就相对比较简单，适用面也广，但是成本开销就大。业界通常会将两种方法融合使用，各取所长。

总结来说，车规级SoC设计挑战包含了以下几个方面，可控制质量和可溯源的质量管理体系QMS、行业标准要求的可靠性设计AEC-Q100、功能安全性设计ISO 26262、流程中各个环节的审查报告、签合交付件和第三方权威机构的评估报告或者认证证书。

芯耀辉作为本土 IP 厂商，通过优异的IP解决方案助力汽车电子SoC芯片设计跨越三重挑战。

针对苛刻的PPA要求、稳定性、可靠性、互操作性、协议兼容性要求，芯耀辉采用了业界最成熟的验证方法学和IP架构，专注IP质量和完整解决方案，依靠完整的设计和验证平台，专业的技术支持团队。

针对车规级设计要求，业界标准如：AEC-Q100、ISO26262、IATF 16949，我们提供符合车规的工作温度、耐用性、可靠度要求的设计和验证，符合车规标准的保护和冗余设计方案，设计流程符合严格的质量管理要求。

针对用户集成和实现的挑战，如：子系统集成、高速接口系统级SI/PI设计、第三方车规审查和评估,我们可以提供车规IP子系统集成、车规SoC系统设计、性能分析和芯片调试，以符合车规测试的要求。

图8    

车规级接口IP是汽车电子SoC设计的重要基石。芯耀辉完整的车规级接口IP解决方案赋能国产自主车规级SoC芯片的开发，推动了中国汽车电子产业的自主可控。除了汽车电子领域，芯耀辉在数据中心、高性能计算、5G、物联网、人工智能、消费电子等多个领域都能提供一站式接口IP的解决方案，赋能各个应用领域SoC的国产化浪潮。

编辑：黄飞