汽车缺芯,技术迭代,车规挑战。

文︱立厷

图︱网络

面对汽车缺芯,台积电刚刚表示,虽然其生产能力目前已满,但将“优化”芯片生产,释放产能,如果产能开放,将优先考虑汽车芯片生产。其声明中提到:“我们正在与客户密切合作,并将他们的一些成熟节点转移到更先进的节点,以更好的产能支持他们。”不过,消息来源并未提及是什么节点。

CES 2021上,Ambarella宣布推出CV5 5nm 8K AI视觉处理器SoC,用途包括运动相机、无人机和日益重要的汽车业务。据说它是其内部ISP(图像信号处理)的最强迭代,除了8K60视频录制或四个独立4K视频流等功能,还具有强大AI功能、新的CPU内核,关键在于以三星5LPE(5nm低功耗)节点制造,承诺了非常低的功耗。果真如此,这可是一个绝佳卖点!不过,5LPE还是依赖FinFET晶体管,先进与否,看下面的分析吧。

近年来,随着汽车日益电气化和自动化,越来越多的汽车数据被数字化,迫切需要更先进的电子器件来处理。在汽车这种极端环境中,至今7纳米芯片的使用也是凤毛麟角,5纳米嘛,刚有厂商做出来,还没有量产,而未来会发生什么呢?我们来看看头部半导体厂商的大佬们是怎样看待汽车对芯片可靠性和工艺提出的挑战。

汽车是芯片最大新兴市场

2015年至2018年期间,汽车市场快速增长,随后伴随汽车主机厂退步并重新评估其目标和架构,市场大幅放缓。他们并没有试图在每辆车上都安装一台超级计算机(这在经济上是不现实的),而是将重点放在可扩展的架构上,以处理越来越多的驾驶辅助功能。尽管疫情大流行造成了新车销售的损失,但这项工作仍在进行。

要实现汽车主机厂的愿望,唯一途径是汽车芯片设计的创新,让计算能力再上一个台阶,因此芯片最大的新兴市场之一是汽车。

汽车电子控制单元越来越多

如今,汽车半导体在急剧增长,因为只有通过电子控制系统才能实现更好的燃油效率、安全性、便利性和更严格的排放控制。豪华车采用了更多的电子组件,更智能和高度集成的电子控制单元(ECU)则需要更多的定制专用集成电路(ASIC)。

芯片工艺创新谈何容易

转向先进技术当然令人兴奋,人们相信一辆车能做自己现在能做的事情,但是用所有计算来真正模仿人并不容易。从半导体角度讲,需要芯片有强大的算力。

但是,作为一种成功的经验预测,摩尔定律的走势开始放缓已是不争的事实,可能使之延续下去还要借助于先进IC封装,比如从2D转向3D封装,以提升晶体管的集成密度,同时节省一些加快摩尔定律进程的设计和制造成本。

从芯片工艺来看,追求性能的竞争相当惨烈,主要就是成本的大幅增加,资金投入何止是不菲!在进入10纳米后,芯片代工行业的成本压力越来越大。10纳米芯片的开发成本超过1．7亿美元,7纳米差不多3亿美元,5纳米更是在5亿美元以上。

还有芯片本身的问题。先看5纳米,因为很多原因一直在采用的鳍式场效应晶体管(FinFET)工艺开始失去动力,包括通过细金属丝传输信号、绝缘各种元件的较薄电介质,以及通过长形栅极控制电流泄漏的能力都在下降;甚至制造也成了一个更大的问题,因为对于FinFET,每个新节点的鳍(fin)都更高。

PDF Solutions高级研究员Tomasz Brozek说:“一个问题是,鳍本身必须更坚固,栅极也必须更高。这意味着材料必须进行替代,将金属沉积在沟道内部,触点必须建立在源/漏外延区。因此外延的生长需要更深更高,而触点本身也将围绕着源极和漏极建立,以降低接触电阻,这增加了复杂性。”

这一点对汽车市场尤为重要,因为日益自动化的汽车人工智能(AI)部分需要最先进工艺所具备的特性。但在汽车恶劣环境下使用的芯片中,还从来没有大规模使用过先进节点工艺,落后手机等行业不止一拍两拍。原因在于,在服务器机架中,如果内部温度过高,个别服务器可以将负载转移到其他服务器。同样,如果一部智能手机被放在高温的车里,超过一定温度它就会关机,直到温度降到预设的极限以下才能重启。汽车内的热量会对从内存延迟到电路老化加速等所有方面产生很大影响。

OptimalPlus副总裁兼总经理Doug Elder说:“在5纳米,缺陷和计量数据越来越难以收集。因此,汽车行业采用5纳米的行动将要推迟到解决了这些问题之时。芯片做得如此之小,会影响获取晶圆级数据的能力。一方面,可视性——无论是电的还是光的——都会降低。另一方面,这么小的芯片产生的数据太多了,以至于人们不知道该怎么处理这些数据。在获取这些数据,或者在某些情况下弄清楚如何处理这么多数据方面,问题越来越多。”

5纳米的唯一

2020年6月,恩智浦成为首家采用台积电5纳米工艺技术的汽车芯片公司,为下一代自动驾驶提供高性能安全计算系统级芯片(SoC)平台。据称,台积电有望在2021年秋季向恩智浦的主要客户提供首批样品。

随着汽车行业大规模并行计算(高性能计算和安全计算并举)创新的需求,汽车主机厂必须在其汽车架构中应对“爆发性软件、极其昂贵的材料清单和更高的安全性”要求。恩智浦N5P(台积电5纳米技术增强版)工艺技术汽车处理平台可以增强其架构产品,与MobileEye、高通、英伟达、瑞萨等竞争。恩智浦的目标是通过提供可以“跨域”使用的统一核心架构来“统一软件基础架构”。

竞争对手Mobileye的EyeQ5采用7纳米工艺,据说EyeQ6可能会升级到5纳米。Mobileye使用了意法半导体较早的制造工艺,而较新的处理器则使用台积电的制造工艺。

在过去一年,台积电和恩智浦与5纳米汽车级生态系统参与者进行了很多合作,在先进工艺节点与IP供应商、工具供应商和其他提供设计支持的供应商进行更多协同设计。

如果明年的样品得以成行并量产,才能说恩智浦是汽车半导体公司中首个采用5纳米工艺技术的公司。在此之前,要使5纳米工艺获得汽车级和功能安全性资格,还有大量的认证工作要做。

恩智浦采用5纳米技术的卖点在于:可以实现高集成度,同时降低功耗。前者很容易理解,后者还难以定论,后面马上分晓。