汽車缺芯,技術迭代,車規挑戰。

文︱立厷

圖︱網絡

面對汽車缺芯,臺積電剛剛表示,雖然其生產能力目前已滿,但將“優化”芯片生產,釋放產能,如果產能開放,將優先考慮汽車芯片生產。其聲明中提到:“我們正在與客戶密切合作,并將他們的一些成熟節點轉移到更先進的節點,以更好的產能支持他們。”不過,消息來源并未提及是什么節點。

CES 2021上,Ambarella宣布推出CV5 5nm 8K AI視覺處理器SoC,用途包括運動相機、無人機和日益重要的汽車業務。據說它是其內部ISP(圖像信號處理)的最強迭代,除了8K60視頻錄制或四個獨立4K視頻流等功能,還具有強大AI功能、新的CPU內核,關鍵在于以三星5LPE(5nm低功耗)節點制造,承諾了非常低的功耗。果真如此,這可是一個絕佳賣點!不過,5LPE還是依賴FinFET晶體管,先進與否,看下面的分析吧。

近年來,隨著汽車日益電氣化和自動化,越來越多的汽車數據被數字化,迫切需要更先進的電子器件來處理。在汽車這種極端環境中,至今7納米芯片的使用也是鳳毛麟角,5納米嘛,剛有廠商做出來,還沒有量產,而未來會發生什么呢?我們來看看頭部半導體廠商的大佬們是怎樣看待汽車對芯片可靠性和工藝提出的挑戰。

汽車是芯片最大新興市場

2015年至2018年期間,汽車市場快速增長,隨后伴隨汽車主機廠退步并重新評估其目標和架構,市場大幅放緩。他們并沒有試圖在每輛車上都安裝一臺超級計算機(這在經濟上是不現實的),而是將重點放在可擴展的架構上,以處理越來越多的駕駛輔助功能。盡管疫情大流行造成了新車銷售的損失,但這項工作仍在進行。

要實現汽車主機廠的愿望,唯一途徑是汽車芯片設計的創新,讓計算能力再上一個臺階,因此芯片最大的新興市場之一是汽車。

汽車電子控制單元越來越多

如今,汽車半導體在急劇增長,因為只有通過電子控制系統才能實現更好的燃油效率、安全性、便利性和更嚴格的排放控制。豪華車采用了更多的電子組件,更智能和高度集成的電子控制單元(ECU)則需要更多的定制專用集成電路(ASIC)。

芯片工藝創新談何容易

轉向先進技術當然令人興奮,人們相信一輛車能做自己現在能做的事情,但是用所有計算來真正模仿人并不容易。從半導體角度講,需要芯片有強大的算力。

但是,作為一種成功的經驗預測,摩爾定律的走勢開始放緩已是不爭的事實,可能使之延續下去還要借助于先進IC封裝,比如從2D轉向3D封裝,以提升晶體管的集成密度,同時節省一些加快摩爾定律進程的設計和制造成本。

從芯片工藝來看,追求性能的競爭相當慘烈,主要就是成本的大幅增加,資金投入何止是不菲!在進入10納米后,芯片代工行業的成本壓力越來越大。10納米芯片的開發成本超過1．7億美元,7納米差不多3億美元,5納米更是在5億美元以上。

還有芯片本身的問題。先看5納米,因為很多原因一直在采用的鰭式場效應晶體管(FinFET)工藝開始失去動力,包括通過細金屬絲傳輸信號、絕緣各種元件的較薄電介質,以及通過長形柵極控制電流泄漏的能力都在下降;甚至制造也成了一個更大的問題,因為對于FinFET,每個新節點的鰭(fin)都更高。

PDF Solutions高級研究員Tomasz Brozek說:“一個問題是,鰭本身必須更堅固,柵極也必須更高。這意味著材料必須進行替代,將金屬沉積在溝道內部,觸點必須建立在源/漏外延區。因此外延的生長需要更深更高,而觸點本身也將圍繞著源極和漏極建立,以降低接觸電阻,這增加了復雜性。”

這一點對汽車市場尤為重要,因為日益自動化的汽車人工智能(AI)部分需要最先進工藝所具備的特性。但在汽車惡劣環境下使用的芯片中,還從來沒有大規模使用過先進節點工藝,落后手機等行業不止一拍兩拍。原因在于,在服務器機架中,如果內部溫度過高,個別服務器可以將負載轉移到其他服務器。同樣,如果一部智能手機被放在高溫的車里,超過一定溫度它就會關機,直到溫度降到預設的極限以下才能重啟。汽車內的熱量會對從內存延遲到電路老化加速等所有方面產生很大影響。

OptimalPlus副總裁兼總經理Doug Elder說:“在5納米,缺陷和計量數據越來越難以收集。因此,汽車行業采用5納米的行動將要推遲到解決了這些問題之時。芯片做得如此之小,會影響獲取晶圓級數據的能力。一方面,可視性——無論是電的還是光的——都會降低。另一方面,這么小的芯片產生的數據太多了,以至于人們不知道該怎么處理這些數據。在獲取這些數據,或者在某些情況下弄清楚如何處理這么多數據方面,問題越來越多。”

5納米的唯一

2020年6月,恩智浦成為首家采用臺積電5納米工藝技術的汽車芯片公司,為下一代自動駕駛提供高性能安全計算系統級芯片(SoC)平臺。據稱,臺積電有望在2021年秋季向恩智浦的主要客戶提供首批樣品。

隨著汽車行業大規模并行計算(高性能計算和安全計算并舉)創新的需求,汽車主機廠必須在其汽車架構中應對“爆發性軟件、極其昂貴的材料清單和更高的安全性”要求。恩智浦N5P(臺積電5納米技術增強版)工藝技術汽車處理平臺可以增強其架構產品,與MobileEye、高通、英偉達、瑞薩等競爭。恩智浦的目標是通過提供可以“跨域”使用的統一核心架構來“統一軟件基礎架構”。

競爭對手Mobileye的EyeQ5采用7納米工藝,據說EyeQ6可能會升級到5納米。Mobileye使用了意法半導體較早的制造工藝,而較新的處理器則使用臺積電的制造工藝。

在過去一年,臺積電和恩智浦與5納米汽車級生態系統參與者進行了很多合作,在先進工藝節點與IP供應商、工具供應商和其他提供設計支持的供應商進行更多協同設計。

如果明年的樣品得以成行并量產,才能說恩智浦是汽車半導體公司中首個采用5納米工藝技術的公司。在此之前,要使5納米工藝獲得汽車級和功能安全性資格,還有大量的認證工作要做。

恩智浦采用5納米技術的賣點在于:可以實現高集成度,同時降低功耗。前者很容易理解,后者還難以定論,后面馬上分曉。