汽车上芯片种类及安全需求和性能需求

 

随着车辆的网联化和智能化的逐步提升，汽车上芯片的数量越来越多。据网上统计，2021年每辆汽车的芯片需求已经突破1000颗，一些高端新能源汽车的芯片需求甚至可能接近2000颗。

这么多芯片都有哪些类别呢？通常从整车角度来说，会从应用角度进行分类，以芯片所起的不同功能进行划分。可以分为控制芯片、计算芯片、传感芯片、存储芯片、通信芯片、安全芯片、功率芯片、驱动芯片、电源芯片。

那对于这些类别的芯片，基本技术要求主要主要是安全要求和性能要求两大类。安全要求又可分为可靠性、功能安全和信息安全三方面。不同类别芯片需满足的安全要求等级不同，同一类芯片应用在不同域需满足的安全要求等级也不尽相同。性能要求方面，性能指标类别繁多，对于同一大类芯片，其下的各小类芯片关键性能指标基本一致，在不同域的应用上具有差异性变化。

下面按芯片类别来聊聊各个的安全需求和性能需求。

01.

控制芯片

控制芯片的主要技术指标是主频、接口丰富度、内存大小、制程，主要应用于8 位、16位、32位MCU产品，并逐渐由 8/16 位升级到32位。与消费级和工业级控制芯片相比，车规级要求更高的工作环境温度可靠性（-40～125/150 ℃），以及更高的良品率和工作寿命。工艺制程方面，目前主流汽车控制芯片为 40～55 nm 工艺制程，逐步向40nm 以下（如 22 nm）制程发展。控制芯片在不同应用域的技术要求如下所示。

02.

计算芯片

计算芯片的主要技术指标是算力、主频、制程等，应用于智能驾驶和智能座舱场景下的安全要求和性能要求差异不大，计算芯片可靠性要求不高(Grade2)，功能安全要求较高。工艺制程方面，相较于其他类芯片要求较高，最高要求到7nm，后续则基本会跟上消费级芯片制程的步伐。

对于智能驾驶计算芯片，CPU算力、GPU算力、NPU 算力等相关指标是最关键的性能指标，低级别的L1/L2，需要算力10TOPS；到高级别的 L3/L4/L5，算力需求将呈指数级增长，L4需要500TOPS到1000TOPS，L5 需要几千TOPS。此外L5级别CPU的计算能力可能到500KDMIPS。由于和驾驶安全性息息相关，智能驾驶计算芯片功能安全要求为最高等级(ASIL-D)。

对于智能座舱计算芯片，对图像视频显示质量要求和功能可扩展性更高，智能座舱计算芯片关键性能指标中包含接口和插槽扩展性等特殊指标，要求其可支持DSI、DP 等显示接口。可靠性要求和智能驾驶计算芯片一致，而功能安全要求略低(ASIL-B/C)。计算芯片在不同应用域的技术要求如下所示。

03.

传感器芯片

智能驾驶感知功能的实现是靠传感部件内部的芯片和算法实现。由于车内和车外感知信息种类繁多，催生出多种传感芯片。

智驾域和座舱域，主要是采用激光雷达、摄像头、毫米波、红外等收集车外信息，通过集成算法实现更复杂的功能，由于与车内人员的人身安全息息相关，在可靠性以外，需要更高的功能安全要求，通常智能座舱要求级别为ASIL-B，智能驾驶域应用中要求是 ASIL-B/C/D。图像类芯片要求制程 40～90 nm，主要性能指标为像素数量，智能驾驶应用现阶段要求像素为 2MP～8MP，智能座舱为 1MP～5MP；激光雷达的主要性能指标为探测距离和视场角，补盲激光雷达视场角为 140°×70°，探测距离为 10～30m；远程探测激光雷达视场角为 120°×25°，探测距离为 30～300米。发射/接收频率是毫米波芯片的关键性能指标之一，要求达到 24 GHz 以上。

传感芯片在不同应用域的技术要求如下所示。

04.

存储芯片

车规级存储芯片与消费级、工业级存储芯片在性能参数上差异不大，但是在可靠性、安全性方面的要求更高。车规级存储芯片整体分为 RAM和 ROM两大类。汽车存储芯片的主要技术指标是制程、存储容量、数据读取速率等。

RAM 根据是否需要定期刷新电路，主要分为 SRAM 和 DRAM 两类。SRAM 读写快、功耗低、集成度低、容量小，通常作为缓存使用，广泛应用在汽车的五大域中。SRAM 对制程要求不高，在座舱和智能驾驶系统制程要求均为 130 nm。DRAM 读写慢、功耗大、集成度高、容量大，应用于有大运算要求的计算系统中，在整车上主要应用于智能驾驶域和智能座舱域。DRAM 存储容量较高，在座舱系统要求达到 4 GB 以上，而智能驾驶系统考虑大量处理数据则要求到 8 GB 以上。

ROM 根据存储容量大小可以进一步细分为 EEPROM、NOR Flash、NANDFlash。EEPROM 以其通用性、稳定性强的优势，能满足车用各种小规模高可靠性模组的存储需求。NAND 的擦除操作简便，而 NOR 则要求在进行擦除前先要将每一个存储单元均写入数据，然后才能做擦除，因此 NAND 的写入速度相比 NOR 更快。其中，NAND Flash 性能要求最高，其中制程要求 38nm，存储容量要求相较于其他存储芯片最高，在智能驾驶系统要求到 25 GB 以上，其读取数据速率也在 100 MHz 以 上 ，而 NOR Flash 性 能 要 求 低 于NAND Flash。EEPROM 在车端应用不多，但其擦写寿命较长，性能稳定。

存储芯片在不同应用域的技术要求如下所示。

05.

通信芯片

汽车通信芯片通用的主要技术指标是制程、传输速率、协议一致性、接口类型等。

安全要求方面，应用于智能驾驶系统的通信芯片，可靠性和功能安全要求都较高，而应用于车身系统和座舱系统的通信芯片，功能安全和可靠性要求相对较低。此外随着国内相关法律法规近年来对汽车信息安全监管的加强，逐步对通信芯片产品提出兼容国密算法、具备硬件防护等要求。

工艺制程方面，V2X通信芯片对制程要求最高为 5～12nm；卫星定位芯片早期多为 40～55 nm工艺制程，新一代产品制程为14 nm、22 nm 和 28 nm；用于车内通信的 CAN 和 LIN 芯片对制程要求较低，达到180nm 制程即可。

关键性能方面，应用于智驾系统的通信芯片传输速率要求一般高于座舱系统和车身系统。低速总线通信速率一般不超过 20 Mbps，包括 CAN、LIN等技术；高速总线通信速率为 100 Mbps～几个 Gbps，包括以太网、高速串口等。其中高速串口芯片传输速率最高，可达到数个 Gbps。目前，主流 GNSS 芯片均支持 GPS/Glonass/Galieo/北斗多模和 L1/L5 双频制式，主流制程一般在 14～28 nm，定位精度已提升至亚米级甚至厘米级。

通信芯片在不同应用域的技术要求如下所示。

06.

安全芯片

安全芯片的关键性能指标主要是：兼容的加密算法种类、验签速度、真随机数发生器的随机源数量。

对于应用于智能驾驶域的安全芯片来讲，安全芯片主要应用于OBU 上，这类安全芯片对处理性能（主要是加解密运算性能）和支持高吞吐 IO 通道的需求相对高于其他系统。当前汽车安全芯内部高性能对称运算可以达到 200 Mbps 级别以上，非对称运算可以超过 10000 次/秒，基本可以满足当前车用市场要求。

对应用于动力系统中的安全芯片来讲，主要需求来自于国六排放标准对远程排放管理车载终端的要求。动力系统中的安全芯片因无需进行大规模高速运算，对性能的要求不高。

座舱系统和车身系统中的安全芯片，其运算性能并无特别高要求，更注重其作为安全芯片应具备较强的防攻击能力，以防止入侵者通过破解的手段入侵车门及中控系统。

安全芯片在不同应用域的技术要求如下表所示。

07.

功率芯片

汽车功率芯片的技术指标主要是制程、耐压、电流和关断损耗等。功率芯片仅应用于动力系统，由于和行驶安全紧密相关，且工作环境温度较高，各类功率芯片都需要满足最高可靠性要求和最高功能安全等级。性能方面，同样衬底材料（Si基/SiC 基）情况下 IGBT 的耐压高于MOSFET，而由于 SiC 材料优越的耐高压、耐高温和低能量损耗等电气性能，SiC 基功率芯片耐压高于 Si 基功率芯片。

功率芯片在不同应用域的技术要求如下所示。

08.

功率芯片

汽车驱动芯片的技术指标主要是制程、驱动电压、驱动电流和抗负压能力等。驱动芯片主要应用于动力系统，由于和行驶安全紧密相关，驱动芯片需要满足最高功能安全等级，可靠性要求也较高（Grade1）。相比其他类芯片，驱动芯片对工艺制程要求较低，一般为 130～180 nm 制程。低边驱动的驱动电压和驱动电流最高。而高边驱动是用于汽车电气控制的核心芯片，电压幅度变化大，应用范围涉及车身动力、行车控制、辅助驾驶等。H 桥驱动在转向制动控制器上有广泛应用。

驱动芯片在不同应用域的技术要求如下所示。

09.

电源管理芯片

电源管理芯片的主要技术指标包括：电压输入范围、最大可输出电流、负载调整率、电源噪声、放大系数、采样精度、驱动能力（电压驱动、电流驱动能力）的要求，现阶段电源管理芯片的生产制程要求在 90~180 nm 范围内。电源管理芯片多用于动力系统，在智驾和座舱系统中也有应用。电源管理芯片工作环境温度较高，和电动车辆安全紧密相关，因此电源管理芯片可靠性要求和功能安全要求均需达到最高安全等级。

电源管理芯片在不同应用域的技术要求如下所示。

10.

汽车芯片技术发展趋势

汽车电动化和智能网联化是影响汽车芯片发展变化的两个重要驱动因素，将会引发对现有芯片性能要求和安全要求的变化以及对新类型芯片的需求。

电动化方面，除了芯片数量会增加，主要差异来源于新能源汽车的电池管理系统及高压动力系统。新能源汽车对应用于动力系统的汽车芯片在高电压下的性能提出更高要求，对大功率芯片的需求也明显上升。此外新能源汽车对特定种类芯片需求也逐步增加，例如电池管理系统 BMS 用芯片以及用于解决高压耐受、开关噪声等问题的隔离芯片。

智能网联化对于汽车芯片的影响主要是两方面，一方面电气架构的集中化，需要配置具有更强大的算力部署、更高的信号传输效率的芯片。

另一方面智能化直接对某些类别芯片的性能和安全性，提出了更高的要求。智能感知方面，各类雷达芯片需求空间提升；且提升了处理速度加快、处理效能增强，高分辨率、低延时、高扩展兼容性及较强可配置能力等需求。信息通讯方面，增强了对于高安全、高可靠、高性能通讯芯片的需求和芯片处理多通道大量数据的需求；智能驾驶方面，对先进制程、高算力、高安全等级 SoC 芯片的需求将逐步提升；智能座舱方面，增加了针对计算芯片在高算力、高流畅性、小体积、低功耗、可扩展性等方面的需求。