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來(lái)源：半導體行業(yè)觀(guān)察 下一代汽車(chē)電子電氣架構需要復雜的集中式計算單元來(lái)應對日益增長(cháng)的功能需求。融合芯片（Fusion chips）和基于芯粒（chiplet-based）的設計是潛在的推動(dòng)因素。 軟件定義汽車(chē) (SDV) 的下一代電氣/電子 (E/E) 架構正在向集中化發(fā)展。麥肯錫分析估計，到 2032 年，全球生產(chǎn)的所有汽車(chē)中 30% 將采用帶區域控制器的 E/E 架構（圖 1）。對于半導體行業(yè)來(lái)說(shuō)，重要的是，這種轉變將需要集中的高性能計算單元。 在未來(lái)十年內，汽車(chē)微元件和邏輯半導體市場(chǎng)預計將在 2032 年增長(cháng)到 600 億美元。預計整個(gè)汽車(chē)半導體市場(chǎng)將在同一時(shí)期內從 600 億美元增長(cháng)到 1400 億美元。其 10% 的復合年增長(cháng)率超過(guò)了半導體市場(chǎng)的所有其他垂直市場(chǎng)。 
集中式高性能計算單元通常為高級駕駛輔助系統 (ADAS) 或未來(lái)的自動(dòng)駕駛 (AD) 提供功能，以及信息娛樂(lè )和車(chē)輛運動(dòng)任務(wù)。兩種原型——獨立的、特定領(lǐng)域的計算單元和跨領(lǐng)域的中央計算單元——將主導下一代 E/E 架構（圖 2）。根據這種性質(zhì)，OEM 和一級供應商可以通過(guò)不同的方式實(shí)現集中式計算單元，例如通過(guò)基于機架的設置、帶有多個(gè)芯片的印刷電路板 (PCB) 或用于多個(gè)域的融合芯片。
在所有情況下，選擇最高效的底層片上系統 (SoC) 或系統級封裝 (SiP) 至關(guān)重要，原因如下： 首先，SoC 和 SiP 實(shí)現了自動(dòng)駕駛汽車(chē)所需的基本計算（例如，通過(guò)實(shí)現識別其他車(chē)輛和交通參與者的感知功能），此外還提供尖端的信息娛樂(lè )服務(wù)并支持生成式人工智能 (gen AI) 用例（例如，用于車(chē)載助手）。 其次，SoC 和 SiP 是成本的主要驅動(dòng)因素，并且極大地影響了整體物料清單 (BOM)。最后，它們的功耗可能在確保車(chē)輛節能運行方面發(fā)揮作用，這對于向電池電動(dòng)汽車(chē) (BEV) 的過(guò)渡尤為重要。 因此，汽車(chē) OEM 高度投入，不斷提高計算能力和效率。于是，ADAS/AD 和信息娛樂(lè )領(lǐng)域的兩個(gè)新興趨勢在即將到來(lái)的 E/E 架構的概念階段獲得了關(guān)注：融合芯片和基于芯粒的芯片設計。 本文將討論融合芯片和基于芯粒的芯片設計作為未來(lái) E/E 架構中集中計算的推動(dòng)因素，并討論為什么它們成為首席技術(shù)官在制定有關(guān)集中計算的戰略決策時(shí)的重要因素。 通過(guò)融合芯片推進(jìn) ADAS/AD 和信息娛樂(lè )領(lǐng)域的集中計算 融合芯片可能被視為提高 SDV 功能和計算整合度的合理下一步。也就是說(shuō)，融合芯片將信息娛樂(lè )和 ADAS/AD 的功能合并到一塊硅片上，形成一個(gè)單一的“融合”芯片。 乍一看，這種整合的技術(shù)要求似乎很合理。如今，ADAS/AD 和信息娛樂(lè )領(lǐng)域都需要最先進(jìn)的多核中央處理器 (CPU)、圖形處理器 (GPU)、AI 加速器和數字信號處理器，并且這兩個(gè)領(lǐng)域都旨在以非常小的節點(diǎn)尺寸（即小于 10 納米）實(shí)現，以提高計算能力和能效。同時(shí)，這種整合的幾個(gè)方面揭示了這兩個(gè)領(lǐng)域的不同之處： 雖然信息娛樂(lè )領(lǐng)域有一些與功能安全相關(guān)的應用（例如，支持駕駛艙集群），但在 ADAS/AD 領(lǐng)域，對汽車(chē)安全完整性等級 B (ASIL-B) 和 ASIL-D 功能安全合規性的需求更為明顯，因為該領(lǐng)域必須執行許多實(shí)時(shí)關(guān)鍵功能（例如，執行器控制任務(wù)）。純基于安全島的方法在這里可能不夠，因為信息娛樂(lè )通常采用這種方法。 在 ADAS/AD 領(lǐng)域，對硬件/軟件 (HW/SW) 進(jìn)行緊密協(xié)同設計的需求尤為明顯，以便為實(shí)現感知元素的特定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )架構（例如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和變壓器）優(yōu)化計算硬件（例如 AI 加速器）。 在過(guò)去的兩年中，盡管融合芯片設計面臨著(zhù)諸多挑戰，但無(wú)晶圓廠(chǎng)半導體廠(chǎng)商和新進(jìn)入者已經(jīng)將這一理論想法變成了現實(shí)。此外，幾家一級供應商已經(jīng)展示了使用融合芯片的計算單元設計，并在 SDV 環(huán)境下宣揚其優(yōu)勢。 通過(guò)使用融合芯片，OEM 可以減少物理計算單元的總數，并進(jìn)一步簡(jiǎn)化計算邏輯的整體集成和整合。例如，這種方法對于在整個(gè)車(chē)輛生命周期內促進(jìn)無(wú)線(xiàn) (OTA) 更新至關(guān)重要，這是 SDV 的關(guān)鍵推動(dòng)因素。此外，OEM 可以簡(jiǎn)化信息娛樂(lè )和 ADAS/AD 領(lǐng)域的工具鏈和開(kāi)發(fā)框架，從長(cháng)遠來(lái)看具有預期的成本優(yōu)勢。 麥肯錫與全球半導體聯(lián)盟（GSA）合作，對整個(gè)汽車(chē)半導體價(jià)值鏈的利益相關(guān)者進(jìn)行了調查。受訪(fǎng)者表示，便利的開(kāi)發(fā)模式（如開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具鏈）和成本原因（如節省知識產(chǎn)權和封裝成本）是他們決定采用結合 ADAS/AD 和信息娛樂(lè )功能的融合芯片的首要因素（分別為 28% 和 57%）。 與此同時(shí)，向融合芯片的過(guò)渡也將帶來(lái)一些挑戰。首先，融合芯片需要更高的技術(shù)復雜性（例如，驗證工作）才能保證不受干擾，這是因為信息娛樂(lè )和 ADAS/AD 必須分開(kāi)，并且一個(gè)域的任何計算要求都不能干擾另一個(gè)域。此外，在信息娛樂(lè )和 ADAS 域之間的協(xié)調需求方面，組織負擔將增加。 二是滿(mǎn)足L3及以上自動(dòng)駕駛系統的冗余度要求的問(wèn)題。L3級系統需要有條件自動(dòng)駕駛、計算冗余、執行器（制動(dòng)和轉向）和電源。當信息娛樂(lè )和 ADAS/AD 的計算功能組合到一個(gè)高度集成的芯片上時(shí)，可能不需要部署第二個(gè)芯片，因為在主芯片發(fā)生故障的情況下，信息娛樂(lè )域不需要額外的計算能力。在這種情況下，部署第二個(gè)芯片可能會(huì )產(chǎn)生開(kāi)銷(xiāo)。 額外的挑戰在于，由于相關(guān)的功能安全要求，電磁兼容性 (EMC) 的一致性要求更加復雜；單獨優(yōu)化的可能性有限，例如功能安全要求和專(zhuān)用加速器；以及失去為兩個(gè)領(lǐng)域選擇最佳供應商的能力和更高的鎖定效應。 在調查中，參與者還指出，采用融合 SoC 面臨的三大挑戰是確保不受干擾（33%）、處理組織原因（25%），以及解決 ADAS/AD 的冗余要求（19%）。計算能力方面的可擴展性以及物理和制造難度（分別有 13% 和 10%）被認為挑戰性較小。 考慮到更高級別自動(dòng)駕駛的冗余要求，融合芯片可能是一種特別可行的解決方案，適用于針對 L0 到 L2 應用（例如自適應巡航控制 [ACC]、車(chē)道偏離警告 [LDW] 和自動(dòng)緊急制動(dòng) [AEB]）的部署場(chǎng)景，而不是針對 L3 及以上應用（例如放手和放眼場(chǎng)景）的場(chǎng)景，尤其是在 2030 年之前。此外，融合 SoC 可能會(huì )接管兩個(gè)領(lǐng)域之間的功能，例如駕駛員監控和乘員檢測——鑒于歐洲即將出臺的新車(chē)評估計劃 (NCAP) 法規，這些領(lǐng)域變得越來(lái)越重要。 在信息娛樂(lè )方面，融合芯片非常適合控制廣泛的功能，例如駕駛艙集群、中央堆棧和乘客顯示器、增強現實(shí)顯示器、環(huán)視停車(chē)、后座娛樂(lè )和電子后視鏡。 根據最近的公開(kāi)公告，針對系列車(chē)輛的融合芯片預計將在 2026 年至 2027 年期間首次部署，主要采用者是注重成本效益的批量原始設備制造商以及技術(shù)遺產(chǎn)有限且對技術(shù)創(chuàng )新更開(kāi)放的顛覆者。 采用Chiplet進(jìn)行汽車(chē)定制芯片設計 從廣義上講，“chiplet”是指一種先進(jìn)的封裝形式—即用于增強半導體器件性能、功能和集成度的創(chuàng )新技術(shù)，超越了傳統的封裝方法。芯片組架構代表了半導體設計的范式轉變，能夠將多個(gè)專(zhuān)用芯片模塊化集成到一個(gè)封裝中。芯片組允許 OEM 為每個(gè)子組件選擇最佳技術(shù)解決方案，這突顯出并非所有組件都需要在尖端節點(diǎn)尺寸上制造。因此，在專(zhuān)用 ADAS/AD 和信息娛樂(lè )芯片以及融合芯片中都可以使用基于芯片組的設計。 由于實(shí)現了靈活性，人們甚至可以考慮在整體芯片設計為支持不同計算負載（例如，通過(guò)使用專(zhuān)用 CPU 芯片）的情況下使用芯片。因此，區域控制器也可能構成一個(gè)有趣的應用領(lǐng)域，因為它們的計算要求因原型而異（例如，簡(jiǎn)單的輸入/輸出聚合器與成熟的計算單元）。 現代芯片的所有功能（例如 CPU、內存、AI 加速器、串行器和反串行器）并非都集成在一塊硅片上，而是使用最適合應用且經(jīng)濟可行的技術(shù)節點(diǎn)大小分別實(shí)現芯片組的各個(gè)組件（圖 3）。這意味著(zhù) CPU 和加速器子系統可能采用可用的最小節點(diǎn)大小，而其他功能可能在更大的節點(diǎn)大小上實(shí)現。為了確保單獨制造的組件仍能協(xié)同工作，需要一個(gè)通用接口標準，例如通用芯片組互連標準 (UCIe)。如后文所述，許多創(chuàng )建這些標準的努力正在進(jìn)行中。
在汽車(chē)領(lǐng)域，專(zhuān)家最常提到基于芯粒的芯片設計的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 整體芯片尺寸減小。使用芯�？杀苊鈫纹O計方法增加芯片尺寸（面積）。在過(guò)去五年中，復雜芯片的芯片面積不斷增大，幾乎達到極紫外光刻的掩模版極限，即 858 平方毫米。對于數據中心使用的 GPU，這個(gè)問(wèn)題變得尤為突出，因為更大的芯片尺寸允許容納更多晶體管，從而可以增強計算能力和處理能力。請記住，工藝的良率受缺陷密度（單位面積缺陷數量）的限制，較大的芯片更有可能包含一個(gè)或多個(gè)缺陷，因為它們覆蓋的面積更大。即使一個(gè)缺陷也會(huì )導致芯片無(wú)法正常工作。從長(cháng)遠來(lái)看，較小的芯片尺寸可以提高良率，從而降低成本。 雖然這種效應是芯粒的一個(gè)重要優(yōu)勢，但汽車(chē)芯片預計在 2030 年代中期之前不會(huì )達到這樣的尺寸。相反，對于汽車(chē)垂直行業(yè)來(lái)說(shuō)，樂(lè )高原（Lego principle）則更為重要。 樂(lè )高原則（或由標準實(shí)現的模塊化芯片設計）允許汽車(chē) OEM 混合搭配現有設計池或庫中的組件，以滿(mǎn)足其特定需求。該原則的好處包括能夠重復使用組件。由于汽車(chē)行業(yè)的制造量低于其他細分市場(chǎng)（例如，每年汽車(chē)產(chǎn)量接近 1 億輛，而智能手機出貨量接近 15 億部），因此定制重復使用組件將提高目標芯片設計的成本效率。其他好處包括加快新芯片的上市時(shí)間，通過(guò)選擇真正需要的組件提高可擴展性，以及為加速器等專(zhuān)用芯片提供更多供應商選擇。 調查顯示，汽車(chē)半導體價(jià)值鏈中的大部分受訪(fǎng)者（61%）表示，通過(guò)混合搭配或樂(lè )高原理設計最佳芯片的靈活性是業(yè)界采用芯粒的主要動(dòng)機。降低總運營(yíng)成本和提高單個(gè) IP 組件的產(chǎn)量被視為基于芯粒的設計的重要優(yōu)勢，但影響較�。�19%）。 生態(tài)系統對于 Chiplet 的成功至關(guān)重要。這些生態(tài)系統促進(jìn)了標準化，并營(yíng)造了鼓勵 Chiplet 在不同垂直行業(yè)（例如數據中心和汽車(chē)）采用的環(huán)境。 UCIe 標準是標準化領(lǐng)域最重要的進(jìn)步之一。自 2022 年 3 月發(fā)布第一個(gè)標準 (UCIe 1.0) 以來(lái)，我們成立了一個(gè)汽車(chē)工作組，為標準的修訂做出了針對汽車(chē)的貢獻。 除了標準化之外，新興生態(tài)系統在促進(jìn)其采用方面也發(fā)揮著(zhù)作用。例如，由獨立納米電子研發(fā)中心 Imec 贊助的汽車(chē)芯粒聯(lián)盟聚集了 50 多家汽車(chē)半導體價(jià)值鏈參與者，討論和交流汽車(chē)芯粒設計進(jìn)展的想法。 Chiplet 技術(shù)尚屬新興技術(shù)。OEM 必須考慮使用 Chiplet 的挑戰，尤其是在考慮系列部署時(shí)。 汽車(chē)就緒性（Automotive readiness）：為了滿(mǎn)足汽車(chē)就緒性，芯片設計必須滿(mǎn)足所有必需的設備和制造規范（例如 AEC-Q100 和 IATF 16949），并能承受惡劣環(huán)境，包括振動(dòng)和溫度。與汽車(chē)制造相比，數據中心當前的用例提供了更穩定的環(huán)境和更少的挑戰。 互連標準化（Interconnect standardization）：如前所述，生態(tài)系統參與者應考慮制定一個(gè)共同的標準，以便可以組合設計。目前，行業(yè)內的大型參與者正在組建不同的聯(lián)盟和標準。一個(gè)全球性的、被廣泛接受的標準對于實(shí)現樂(lè )高原則的理念至關(guān)重要。 采用新的開(kāi)發(fā)模式和開(kāi)放性（Adoption of new development paradigms and openness）：為了確保成功采用芯粒，價(jià)值鏈上的各參與者（知識產(chǎn)權、代工廠(chǎng)、集成設備制造商和封裝）可以尋求新的合作模式。雖然所有參與者都認為這是關(guān)鍵要素，但可能難以及時(shí)實(shí)現。這在一定程度上是由于知識產(chǎn)權方面的挑戰以及有關(guān)責任的懸而未決的問(wèn)題，例如確定哪一方將負責芯片的整體可靠運行，而各方都提供其構建模塊。從驗證和確認的角度來(lái)看，價(jià)值鏈參與者認為混合搭配的“商店”芯粒創(chuàng )建方法是不切實(shí)際的。 價(jià)值鏈中的大多數高層領(lǐng)導預計，未來(lái)十年內，芯粒將得到更廣泛的采用。在調查中，48% 的行業(yè)領(lǐng)導者預計，汽車(chē)應用的芯粒將在 2027 年至 2030 年之間出現，而 38% 的行業(yè)領(lǐng)導者則預測將在 2030 年至 2035 年之間出現。只有 8% 的人預計該技術(shù)將更快地發(fā)展，即在 2025 年至 2027 年之間�？紤]到汽車(chē)行業(yè)的整體增長(cháng)和發(fā)展時(shí)間，這種延遲并不令人意外。 此外，預計芯片的過(guò)渡將是漸進(jìn)的。雖然樂(lè )高原則很有吸引力，但第一批芯片設計很可能是同質(zhì)的。在這些設計中，知識產(chǎn)權模塊將來(lái)自同一供應商，并使用專(zhuān)有或既定標準，例如外圍組件互連快速 (PCIe)。下一步很可能是使用來(lái)自外部一方的構建塊進(jìn)行設計，這也有助于解決責任問(wèn)題。真正的異構設計，具有真正的多供應商或多技術(shù)節點(diǎn)大小組合，很可能在 2030 年代中期及以后出現。 基于芯片的設計的重要性顯而易見(jiàn)，因為它們允許芯片在計算需求增加時(shí)繞過(guò)現有界限，同時(shí)保持成本效益。一旦芯片生態(tài)系統和標準得以實(shí)現，利益相關(guān)者就應該量化當前應用場(chǎng)景的收益和機會(huì )。 融合芯片和芯粒對整個(gè)汽車(chē)半導體價(jià)值鏈參與者的影響 SDV 的興起和供應鏈問(wèn)題促使汽車(chē) OEM 更深入地涉足半導體價(jià)值鏈。OEM 認識到，全面了解半導體技術(shù)以實(shí)現自動(dòng)駕駛和信息娛樂(lè )領(lǐng)域的最先進(jìn)功能對于保持競爭力至關(guān)重要。 這一趨勢對汽車(chē)半導體領(lǐng)域的所有參與者都有影響，尤其是 OEM、一級供應商、IDM 和無(wú)晶圓廠(chǎng)參與者。如前所述，采用融合芯片的決定很可能需要在未來(lái)兩到四年內做出，而實(shí)施芯粒的問(wèn)題可能會(huì )在未來(lái)進(jìn)一步解決。 汽車(chē)計算單元市場(chǎng)預計將從 2023 年的 960 億美元增長(cháng)到 2030 年的 1480 億美元，復合年增長(cháng)率為 6%（圖 4）。
具體而言，集中化和整合趨勢導致車(chē)身和底盤(pán)領(lǐng)域的增長(cháng)有限，每年僅增長(cháng) 1% 至 2%，動(dòng)力總成單元甚至會(huì )略有下降。鑒于這些單元的功能將在區域控制器或集中式計算單元（如車(chē)輛運動(dòng)計算單元）中實(shí)現，這些單元甚至可能會(huì )出現下降。ADAS/AD 和信息娛樂(lè )單元的復合年增長(cháng)率分別為 22% 和 6%。前者是由越來(lái)越多的具有 L2+ 及以上功能（例如放手、放眼和有條件自動(dòng)駕駛）的車(chē)輛推動(dòng)的。 根據麥肯錫分析，預計2030年區域控制器的市場(chǎng)價(jià)值將達到30億美元，而集中式計算單元（如融合SoC和車(chē)輛運動(dòng)計算單元）的市場(chǎng)價(jià)值將達到80億美元。 一、對原始設備制造商的影響 在決定是否采用融合 SoC 時(shí)，OEM 應該考慮以下具有戰略意義的領(lǐng)域： 軟件專(zhuān)業(yè)知識。是否有足夠的專(zhuān)業(yè)知識和對這兩個(gè)領(lǐng)域的軟件架構的控制來(lái)滿(mǎn)足集成需求？ ADAS/AD。應該支持什么級別的自動(dòng)駕駛，融合 SoC 上應該承載什么樣的功能？ 治理。信息娛樂(lè )和 ADAS/AD 小組是如何設置的？協(xié)調開(kāi)發(fā)和發(fā)布時(shí)間表的可行性如何？ 采購策略。從同一家供應商采購 ADAS/AD 和信息娛樂(lè )芯片是否會(huì )妨礙任何戰略采購決策和供應鏈彈性主題？ BOM 與總擁有成本經(jīng)濟性。BOM基礎上可以節省多少成本？從總擁有成本角度考慮，并考慮投資頭幾年的要求（例如新的開(kāi)發(fā)模式和新的工具），商業(yè)案例是什么樣的？ 關(guān)于芯粒，有三種可行的做法：首先，OEM 可以簡(jiǎn)單地依靠其 IDM 和無(wú)晶圓廠(chǎng)合作伙伴來(lái)推動(dòng)芯粒的發(fā)展；其次，OEM 可以通過(guò)加入標準化機構（例如 UCIe）積極參與，并確保納入具體要求；第三，OEM 可以積極自行開(kāi)發(fā)芯粒；然而，這種選擇需要大量資源，包括建立專(zhuān)門(mén)的專(zhuān)業(yè)團隊。 二、對一級供應商的影響 一級供應商可能會(huì )跟進(jìn)融合 SoC 趨勢，利用融合 SoC 創(chuàng )建自己的集中式計算單元設計。他們可以使用這些設計向 OEM 展示潛在的技術(shù)和商業(yè)利益。幾家一級供應商正在實(shí)施這一戰略，為 2026 年至 2028 年即將開(kāi)始的生產(chǎn)做準備。 一級供應商提供的芯片選項范圍與 OEM 類(lèi)似。一級供應商可能希望盡早與 OEM 接洽，將他們對芯片的需求納入下一代集中式計算單元的開(kāi)發(fā)路線(xiàn)圖中。 三、對代工廠(chǎng)、IDM 和無(wú)晶圓廠(chǎng)廠(chǎng)商的影響 雖然融合芯片的影響和興起很可能對代工廠(chǎng)、IDM 和無(wú)晶圓廠(chǎng)廠(chǎng)商產(chǎn)生有限的影響，但芯粒的相關(guān)性將引發(fā)更廣泛的問(wèn)題，即最終制造的芯片的責任和“所有權”。除了技術(shù)主題之外，以下戰略領(lǐng)域可能最為相關(guān)： 生態(tài)系統。哪些生態(tài)系統和標準是成功的？哪些標準值得早期投資和參與？ 知識產(chǎn)權所有權。誰(shuí)將持有用于制造最終芯片的知識產(chǎn)權“樂(lè )高積木”組合？ 責任。如果問(wèn)題只出現在現場(chǎng)，誰(shuí)將對芯片的最終功能負責？此外，該方是否負責制造芯片和處理互連，還是由提供知識產(chǎn)權的一方負責？ 發(fā)展。需要哪些額外的工具和方法來(lái)促進(jìn)多供應商芯片生態(tài)系統？基于芯片的系統的設計驗證和確認流程需要如何改變？ 商業(yè)模式。定價(jià)和許可方案是什么樣的？誰(shuí)會(huì )得到什么補償？ 未來(lái)，半導體將在集中式計算單元中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。因此，OEM 正在深入汽車(chē)半導體價(jià)值鏈，并更積極地參與組件、功能和規格的選擇。對融合芯片和基于芯片的設計技術(shù)、其優(yōu)勢和挑戰以及潛在考慮因素的深入了解將使整個(gè)汽車(chē)半導體價(jià)值鏈的利益相關(guān)者在下一代軟件驅動(dòng)汽車(chē)中保持靈活性和競爭力。 |
