智能汽车芯片设计及制造过程

引 言

汽车产业正在经历前所未有的产业转型，汽车从功能性代步工具逐步演变为智能化移动空间，汽车电子架构也由传统的分布式架构向中央计算平台架构演进。智能汽车对芯片的需求量也由传统汽车的300-500颗激增至现在的2000-3000颗左右，它们应用于汽车上的感知、交互、通信、控制、存储等等不同的场景，可以说，智能汽车的方方面面都离不开车规级芯片的支持，那这块承载着十亿甚至数百亿的晶体管的芯片，是怎么被设计制造出来的呢？本文将为你揭秘一款性能优秀的智能汽车芯片设计及制造过程。

一般来说，一颗智能汽车芯片制作完整过程包括：芯片设计、晶圆制造、芯片封装、芯片测试等4个主要环节。

芯片设计

芯片设计既是一门艺术，也是一项工程壮举 ，它是设计创意和仿真验证过程，代表了人类智慧的最高结晶，在指甲盖大小的空间里，集成数十亿甚至上百亿的晶体管，如此庞大而精密的工程，从设计阶段开始就需要做好规划，画好“版图”。这块的设计又可分IC定义设计、系统级设计、前端设计和后端设计4大过程。

IC定义设计

在芯片设计之前，产品部门需要确定市场产品定位，工程师需要做好芯片产品的需求分析、完成产品规格定义，确定性能与功能目标即设计规格参数，相信大家都希望设计出跟别家不一样的、有卖点的产品，因此如何设计出具有差异化的芯片是开发者设计工作中的重中之重。例如：一颗芯片需要多少TOPS的算力，是否要支持低功耗，功能模块之间的接口定义，系统需要遵循的什么车规及信息安全等级，芯片要实现的各种功能、工艺、面积、性能、封装等。  

架构设计

在前期的规格定义下，我们再来明确架构与算法设计、创建或购买知识产权 (IP) 块、业务模块、供电等系统级设计，例如CPU、GPU、NPU、ISP、RAM、总线、接口等。芯片设计还需要考量综合要素，从系统交互、功能、成本、功耗、性能、安全等角度出发，确保芯片最终能实现各方面的平衡。

前端设计

工程师根据系统设计确定的方案，针对各模块开展具体的电路设计，使用专门的硬件描述语言（Verilog或VHDL），对具体的电路实现进行RTL（Register Transfer Level）级别的代码描述。前段设计包含SOC设计、IP设计、仿真验证、FPGA原型验证、综合和形式验证等流程。确保设计能够满足系统的功能性能等指标要求，并将最终设计的代码转换为逻辑电路。

图   电路原理图

后端设计

后端设计是先基于网表，在给定大小的硅片面积内，对电路进行布局（Floor plan）和绕线(Place and Route)，再对布线的物理版图进行功能和时序上的各种验证(Design Rule Check、Layout Versus Schematic等)，后端设计也是一个迭代的流程，验证不满足要求则需要重复之前的步骤，最终生成用于芯片生产的GDS(Geometry Data Standard)版图。包含CTS（时钟树综合）、P&R（布局布线）、STA（静态时序分析）、LVS（一致性验证）等。

晶圆制作

智能汽车芯片GDS版图设计好以后，就要开始制作芯片了，这一步就是我们利用人类智慧的结晶”点沙成金”的过程。

提纯：将普通的沙子/石英经过脱氧提纯以后的得到含硅量25％的二氧化硅，再经由蒸馏和化学还原等工艺得到纯度高达99.999999999%，即11个9的单晶硅，才符合晶圆制作的标准。

晶棒制造：把多晶硅或者无定型硅在热场受控的熔炉里进行提炼，在里面投入单晶硅晶种，硅会在晶种上不断附着生长，按照一定的旋转速度、提拉速度等进行提拉，硅被拉出来后逐步冷凝后形成一个圆柱状单晶硅硅棒。

切 片：将晶棒横向，采用环状、其内径边缘镶嵌有钻石颗粒的薄片锯片切成厚度基本一致的晶圆片，一个个的“硅片“就出现了。

光 刻：把芯片的设计图纸雕刻在掩模板上，然后硅片表面涂上光刻胶，把两者放到***里，***发射紫外线，通过掩模板将电路图案投射到光刻胶上，此时被紫外线照射的光刻胶发生化学反应，接下来使用化学试剂将未被紫外线照射过的光刻胶洗掉，这样电路图案被留了下来。

刻蚀，离子注入：在完成图案转移后，高能离子源将离子注入到硅片表面来提高导电度。离子注入完成后，进行薄膜沉积和刻蚀，在这个环节中，会使用化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）等技术，在硅片表面形成一层薄薄的金属薄膜，通常是铜，用于连接晶体。再涂上一层光刻胶，曝光，显影，电镀，清洗，接着不断重复以上的步骤，像盖楼那样一层层搭建，一颗芯片的内部线路复杂程度堪比一座城市。

芯片封装

把晶圆上的芯片切割下来，得到独立的芯片，这个时候其实还不能叫做芯片，是封装之前的裸芯片或裸片，英文一般叫做DIE，晶粒。现阶段芯片无法与外界交换电信号，容易受到外界冲击而损坏。将Die固定在封装基板上，与封装基板的电路连接起来，以实现电路连通。在封装基板上加盖一层保护壳，以保护芯片免受外界环境的影响，一颗芯片就此诞生。

芯片测试

当然，一颗芯片在交付给客户之前，还需要经历严格的测试环节， 将制作好的芯片进行点收测试，检验芯片是否可以正常工作，以确定每片晶圆的可靠度与良率，通常封装前要先测试，将不良的芯片去除，只封装好的芯片，封装后还需要测试，以明确封装过程是否有问题。这些测试在晶圆生产和封装阶段都会去做，包含功能测试，性能测试，可靠性测试等，确保每一颗芯片都是安全、可靠的芯片。

车规级芯片的特点及难点

智能驾驶芯片，完成以上的设计和制作还不够，作为在智能汽车上搭载的芯片，还需要经过车规级别的严苛可靠认证。汽车发动机起动的那一刻开始就得在酷热的夏季和严寒的冬夜里工作。由于芯片应用于车载场景，所以要保障在极寒、极热、极干、极潮等极端环境下也能保持正常运转，举例说，一般我们手机里面用到的这种消费级芯片，极限工作温度范围是-20℃-70℃，所以冬天在我国东北极寒户外环境下手机就可能发出错误的信息或干脆关机，就是因为工作温度低于芯片能承受的温度范围了，这在车规级系统中是无法容忍。所以汽车工程师要确保从仪表集群，导航屏幕到高级驾驶员辅助系统以及自动驾驶传感器，芯片等所有零部件都能满足严苛要求。智能汽车芯片要求在-40到105度的极寒高温恶劣环境中正常使用，并且还能经受各种物理性冲击的测试，除了严苛的极端环境以外，车规级芯片需要具备以下特点：

物理化学特性需要稳定：一般车辆工作环境变化较大，特别是环境比较差的地方，一般需要考虑湿度、粉尘、盐碱、霉变、高低温交替、震动、冲击等因素对控制器的影响。

抗干扰性：由于车辆上面的电子器件，传感器及各种通信线束，这对车规级芯片的ESD静电、EFT群脉冲、RS传导辐射、EMC、EMI等要求都是非常高。

寿命长：与手机相比，车规级的芯片一般要求具备较长的工作寿命，一般为15年或50万公里的设计寿命。

故障率：车规级芯片的故障率需要达到PPM-PPB-0，故障率相比其它产品要求较严格。

供货周期：目前车规级芯片，考虑到车型的生命周期及售后服务等因素，一般都是10年，供货周期长。

产品一致性：由于车辆是大量批量生产，且影响生命安全，因此在芯片一致性方面，无论是产线认证，产线一致性，原材料/生产/封装溯源等要求都是非常严格。

满足以上要求外，相对于消费者级别的同类产品而言，我国对汽车系统规范和测试方法提出了更严格的要求。业内普遍熟知的AEC-Q100是基于应力测试来做的集成电路可靠性鉴定，通过AEC-Q100测试，说明该芯片在车载应用环境下需要至少能工作15年以上不损坏。而ISO26262认证，则是全面规范汽车零部件以及芯片功能安全的基本规则，功能安全强调的是保障功能正常，不会出现突发问题，能够安全执行，是能力层面的保障，除了关注控制随机硬件失效外，还关注避免系统性失效的发生。以上两个“准考证”拿到之后，才能算是一颗真正的智能驾驶芯片，才有资格投放市场去接受客户后续真正的考验。

黑芝麻智能团队，不忘初“芯”，从2016年成立开始，已经设计开发了华山系列高性能的SoC，其中华山二号A1000系列芯片于2020年6月正式推出，并于2022年实现大规模量产，A1000系列专为L2-L3级别自动驾驶而设，已取得AEC-Q100 2级及ISO26262 Grade B认证并符合多项车规标准，能够覆盖更多应用场景。基于A1000系列芯片，黑芝麻智能提供业界首批可量产搭载单SoC芯片的高性价比行泊一体方案，为行业提供高价值和极具成本优势的芯片协同方案，目前已获得15+车型定点，搭载华山系列芯片的量产车将陆续发布。同时黑芝麻智能通过多年汽车行业及芯片领域的积累到的经验和技术，创新性推出业内首个智能汽车跨域计算芯片平台-武当系列C1200智能汽车跨域计算芯片，为中国汽车智能化的下一个创新和超越贡献“芯”力量。

审核编辑：汤梓红