汽車晶元設計的新動向 | 半導體行業觀察

來源：本文由公眾號 半導體行業觀察（ID：icbank）翻譯自 semiengineering ，作者 ANN STEFFORA MUTSCHLER，謝謝。

在汽車設計和使用方面的四大轉變開始不斷融合，它們分別是電氣化，連接性增強，自動駕駛和汽車共享，從而在整個汽車電子供應鏈中產生連鎖反應。

在過去的幾年中，轎車和其他車輛中的電子成分激增，電氣系統取代了傳統的機械和機電系統。這一直是半導體發展的關鍵動力，而自動駕駛汽車是這一成就的典型代表。然而這個市場的出現也將導致深刻的技術和社會變化。

從設計方面來看，這個問題經很明顯了。汽車電子產品屬於功能安全領域，而該領域以前僅限於醫療設備和軍事/航空航天應用。汽車製造商要求電子產品供應鏈中的每個人都必須遵守相關標準，這意味著沒有直接考慮安全因素而為汽車部件開發的晶元現在必須符合最嚴格的規定。

OneSpin Solutions解決方案架構師David Landoll表示：「ISO 26262標準為功能驗證和系統故障的消除，以及處理操作設備中的隨機故障影響設置了一個高標準。一些EDA供應商將會為了符合此標準而爭取獲得外部認證。這使得他們的客戶——半導體供應商更容易達到功能安全合規要求，從而使子系統和車輛製造商也能夠做到這一點。「

Cadence公司 IP業務開發總監Thomas Wong表示，SoC設計人員通常針對基於當前使用模式和任務的可靠性指標設定10年的使用期限，「看看當今的使用模式，我們開車上班、停車，然後在下午6點開車回家。因此，你開車行駛約20英里去上班，停車8小時，然後開車20英里回家。採用設計約束來反映汽車行業不斷變化的任務並不是什麼新鮮事。對於警察巡邏車或計程車，他們的使用模式與一般人使用汽車的方式有很大不同。對於警車和計程車來說，他們將會有重型輪胎、加強型懸架、更好的制動器、更大的電池、不同的傳動比、更強大的變速箱和更強勁的啟動器等等。在這些類型的車輛上加裝更堅固的機械和液壓系統，主要是為了延長車輛的使用壽命。隨著電動車和自動駕駛呈上升趨勢，不僅僅是機械系統必須變得更加強健可靠。現在也必須確保真正意義上的「汽車大腦」--所有的半導體晶元和SoC能根據新的使用模式和任務完成使命。

Wong表示：「加上自動駕駛和汽車共享的組合，您可能希望通過自動駕駛，將您的汽車送回家，以便其他人在家時可以使用它。然後在下午5點時，你控制你的自動駕駛汽車去辦公室接你回家。隨著電氣化的普及，每英里的成本在下降，所以你很可能會看到這種情況成為現實——你的汽車不再只行駛兩個20英里，而是行駛4個20英里，即每天行駛80英里。「

還有一種情況可能是共享汽車，Wong說：「這可能是一種無人駕駛的汽車服務，當你在辦公室的時候，你的車正在為你賺錢。因此，您的汽車每天使用10小時。這樣，車輛的磨損加劇，更重要的是，這又將會對車內各種系統中使用的半導體產生多麼複雜的影響呢？，以上這些情況又將如何影響半導體設計和可靠性評估呢？「

隨著這些新的駕駛場景出現，必須更多地關注過去未曾考慮過的使用案例。這使得晶元代工廠必須開發更強大的工藝和設計規則，以承受這種更高的使用水平。而這繼而又要求具有更穩健的晶體管設計、用於金屬化的材料，更好的老化模型，以及更嚴格的可靠性設計（DfR）和製造設計（DfM）指導，Wong說，「設計人員可能需要與代工廠密切合作以了解故障機制。需要開發廣泛的可靠性模型以實現EM / IR分析，且必須考慮提高SoC的可靠性和穩健性，例如適應更大的通孔覆蓋率和實現冗餘通孔的方法。「

然後，為了確定是否需要更新此規範來反映汽車共享和自動駕駛汽車引起的強化使用模式必須重新審查AEC-Q100規定的要求。「我們已經看到這些趨勢的影響。半導體代工廠已經部署了合格的汽車半導體工藝，創建了可靠性和生產設計規則。晶元公司已經投資培訓他們的工程師熟悉功能安全。ISO 26262和ASIL準備就緒將會是新的必備流行語。汽車原始製造商和設計公司正在學習如何構建更強大的實現3,4和5級自動駕駛車輛所必需的SoC，其中包括冗餘、鎖定步驟，主動安全功能，功能安全驗證，ASIL-READY IP模塊等，為了跟上朝著無人駕駛世界快速發展的趨勢，更先進的EM/IR工具和故障注入工具正在部署。

需要更高的帶寬

除了這些轉變之外，還有一個朝著更多的連接轉變。雖然人們最初的注意力主要集中在車輛與車輛之間以及車輛與基礎設施之間的通信，但是人們越來越關注在這些車輛內部傳輸大量數據。汽車相機、雷達和LiDAR將產生流式視頻數據，目前尚不確定這些所有的數據將在哪裡進行篩選和處理，但可以肯定的是，自動駕駛汽車必須能夠快速傳輸大量數據以避免事故發生。

Marvell公司汽車乙太網產品營銷高級總監Tim Lau 說：「汽車行業很清楚，汽車中的傳統網路解決方案真正地受到了帶寬和安全性挑戰，從2020年到2025年，相關架構會更新一代。這就是為什麼整個汽車行業真正開始關注其他技術，並且更具體地認識到汽車乙太網是汽車中高帶寬網路連接的最佳解決方案。」

繼而，這又在汽車行業內引起了重大變革。它影響到原始製造商和一級供應商所尋求的目標，以及他們如何與下一代ECU供應鏈中的其他公司進行合作，Lau說。

處理性能要求改變

「所有數據也對汽車系統的加工要求產生重大影響。隨著越來越多的決定是由車輛而不是駕駛員來完成 - 這正成為一些乘坐共享計程車的要求 - 那麼在車輛的計算平台中就需要更強的智能化和處理性能，」 Arm公司汽車解決方案和平台總監Robert Day說： 「在某些情況下，這將需要更集中的車載電腦以採集大量的感測器信息，並做詳細的認知和決策處理，從而驅動相應的功能採取行動。」

因此，這要求其性能有很大的提高，但仍然需要在當今汽車的嚴格的功率、空間和熱量要求範圍之內。「其他設計推動感知功能更類似於感測器，中央計算引擎根據智能感測器節點提供的信息做出決定，」Day說。「在這兩種情況下，都需要提高計算性能然而又不能影響車輛的可用功率，從而需要提供更高性能的多核CPU，還會在汽車SoC加入GPU、視覺處理器和機器學習處理器等附加加速引擎。所有這些計算功能還需要更高級別的安全性，因為決策和行動必須與駕駛員啟動的功能保持相同或更高的安全級別。

雖然ISO 26262標準被廣泛地討論，但是在半導體IP設計中也必須加入其他監管或安全考慮。

「除了將於今年晚些時候將要發布的ISO 26262第二次修訂以及所有其他已建立的功能安全標準，如IEC 61508、IEC 61511、EN 5012X系列、DO-254等之外，新的監管框架正浮出水面，被稱為SOTIF（Safety Of The Intended Function，預期功能的安全性），將被ISO命名為PAS 21448發布。該標準是為了囊括具有複雜感應和演算法的系統驗證，其性能限制可能會導致在沒有故障的情況下出現安全危險。雖然這個新規範定義的大部分行動都處於車輛和系統級別，但這些將直接影響SoC和IP的要求，從而直接影響直接分配到這些要素上的性能要求的獲取 「Day指出。

先進工藝節點扮演重要角色

正在走向自動連接和電動汽車共享的汽車生態系統對半導體設計過程會產生額外的影響。

「我們看到公司計劃在7nm（當今最先進的finFET節點）上進行流片，並且他們計劃在該技術上開發汽車晶元，」Synopsys公司DesignWare模擬和MSIP解決方案營銷高級主管Navraj Nandra說，「這非常令人驚訝，因為人們通常會認為汽車非常穩定，使用的技術開發周期和認證周期非常長。但整個供應鏈已經完全更新，因為像Nvidia這樣的公司正在向汽車行業提供晶元組。但他們不是來自傳統的汽車供應鏈，所以他們不會受到傳統供應商不得不遵循的巨大開銷的影響。對他們來說，他們需要在短時間內獲得最新、最好的消費市場。「

「因此從IP角度看，汽車正在推動下一代技術節點發展，「Nandra說，「同樣，汽車晶元的軟體和數字實現的數量也有了驚人的增長。這意味著對於數字和軟體部分，您仍然必須滿足所有功能安全要求。人們常在半導體晶元層面談論故障安全，現在它與您的軟體有關，這是一個非常有趣的話題。您如何使你的SoC上的軟體驅動某些IP功能塊安全地滿足ISO26262的要求？「

可靠性和安全性要求

高級汽車應用具有超出許多其他客戶在可靠性或可測試性需求方面的額外要求，ARM研究員Rob Aitken指出，「對於可靠性，它分為幾類，如軟錯誤免疫力，以及隨著時間推移的表現如何，其中可能包括電路如何老化。這些要求往往不如其他一些領域要求嚴格。例如，在汽車設計中，預期使用壽命為10年或20年，則需要確保內存具有足夠的剩餘性能，因為隨著時間的推移和設備性能的下降，它仍然需要工作。「

安全要求越來越多，這既是一個研究課題，也是許多設計和加密存儲器的實際應用需求。「依賴於這些應用的同時，你不希望有人能夠竊取數據，」Aitken說，「從SRAM的角度來看，這並不總是很重要，因為有人打算偷走你的SRAM數據的可能性很低。這很難做到。但對於像DRAM這樣的產品，有些人實際上』凍結『了DRAM晶元，他們將其從伺服器上取下並在閑暇時進行解密。在這些情況下，如果DRAM的內容被加密，你會得到無用的信息。但如果它們是純文本的，你會得到各種有趣的東西。「

不過，並非所有這些都必須從頭開始。包括網路和企業伺服器在內的細分市場具有與汽車相同的可靠性要求。

Rambus產品管理高級總監Frank Ferro表示：「基於這些網路質量需求，網路中的設備晶元必須運行10年，要求壽命很長。「我們已經開發了具有非常寬的溫度範圍的IP，並且進行了廣泛的測試，因此，進入汽車市場是一個簡單的步驟。這些要求非常相似，並且在某些情況下，汽車要求可能不那麼嚴格，這取決於某些網路市場的認證類型。「

在汽車領域的普遍機會正在推動供應商以其他方式重新思考技術，以及如何在這裡應用，例如數據挖掘和數據分析。汽車為多學科的工程團隊帶來了一些最複雜的系統設計挑戰，因此，必須在這裡取得成功。

「現在的挑戰不僅僅是汽車，你不僅需要驗證一個設計是否正常工作，還必須反過來模擬設計的不當，以便在可能發生的情況下可以對設計進行修改彌補錯誤，「 Siemens旗下的Mentor產品營銷經理Mark Olen說，「我們數學家說這是一個N平方問題，當我們試圖在（設計要求的）sigma水平上解決這個問題時，我會非常好奇。每個人都意識到100％實現是不切實際的，但你又能做到99.9999％嗎？這涉及到數百萬的經濟開銷。但是，討論一個自我駕駛的高速汽車中的整個網路又將會怎樣？「

此外，在通向完全自動駕駛車輛的道路上，通過演算法解決其中一些問題的唯一方法是使用神經網路或非確定性演算法，ArterisIP營銷副總裁Kurt Shuler說，「但是，這與功能安全相結合，所以必須有界限，因為F = MA，車上有很多M，而且有時也有很多A。這有實時限制，它包括可追溯性問題。很多人都說用軟體會變得更好，但問題就變成了：你改變了軟體，改變了系統。現在，你必須讓這輛車開始行駛，並獲得認證，才能獨自穿越賽道。行業是否會這樣做？不，我們需要做很多事情才能真正實現。「

這種思維轉變包括確定讓系統執行實際計算的最佳方式。

Austemper設計系統公司產品和業務發展副總裁Srikanth Rengarajan表示：「自動駕駛行業的出現在許多方面預示著回歸過去，同時又在其他方面進行徹底改變。例如，沒有偏差的方差或容差的正確計算一直是假定的必要條件DSP和類似的任務主要是進行輔助工作。在汽車中，ADAS晶元組的大部分處理本質上是啟發式的。佔優勢的神經演算法是基於隨機性和容忍性以及假設的偏差。對於晶元設計師來說，這將重點從絕對正確轉變為近似計算。通過系統級交叉檢查，多通道計算和模塊化冗餘可以提高總體精度，為晶元設計人員提供更大的迴旋餘地。「

沒有哪個地方比功能安全部分更加明顯，在那裡不正確的操作是可以容忍的，只要它受到概率限制或者可以在故障容錯區間內檢測到。Rengarajan說，這種方法正在通過ISO26262和相關標準進入該行業。

供應鏈中斷

鑒於連接的電動自動汽車共享模型中的移動件數量，除了解決技術難題外，還可能存在業務分支。

「自動化系統的創新步伐正在大幅增加，這極大地改變了汽車行業新晶元的交付時間，」Arm的Day表示。「這種變化可能被看作是對供應鏈的破壞，並可能導致市場上出現新生力量。引入自動駕駛車輛中的軟體量增長也意味著Arm需要理解和支持這個新的生態系統，確保這些巨大的軟體棧針對Arm架構進行了優化，並且可以看到，Arm研發的新功能可以提高系統的性能和效率。「

雖然有些人認為這個行業已經在興起，但Helic市場營銷副總裁Magdy Abadir指出，「汽車一直是人們擔心可靠性和安全性的領域，從歷史上看，更多的是關於採用新技術的更高質量標準、更高可靠性標準，更多風險規避和保守措施。這是因為擔心發生一些最終可能會損害一個人的生命，又或者責任過高，擔保過於昂貴的災難。「

隨著技術的不斷發展和完善，嚴格的標準、要求和規格將會落實到位，在電動共享汽車就緒的時候，半導體和系統設計人員就已經解決了許多問題。但至少在可預見的未來，大的轉變將帶來其他挑戰，並且其影響將是重大而廣泛的。

致謝：本文由電子科技大學低功耗集成電路與系統研究所黃樂天老師和趙天津同學協助校對，特此感謝。

原文鏈接： https://semiengineering.com/confluence-of-automotive-trends-impacting-semi-design/