车规级功率器件，新时代的“当街花旦”（下）

手机芯片：天下武功唯快不破

不管是手机，平板电脑，机顶盒还是智能穿戴设备消费电子芯片，在研发阶段都会考虑性能，功耗和成本等三个方面维度。

智能机时代芯片性能强与弱成为了评价一个型号优劣的重要标准，不管是开黑王者荣耀，还是吃鸡和平精英都可以用更强的 CPU 芯片来带来极致游戏感受。以高通骁龙865芯片为例，采用 1*Cortex-A77（2.84GHz）+3*Cortex A77（2.42GHz ）+4*Cortex-A55（1.8GHz ）的架构，NPU 可以实现 15 万亿次/秒的运算能：ISP速度达到了 20 亿像素/秒的处理速度，可以支持2亿像素摄像头。一块芯片上数十亿个晶体管在高频工作时，会产生大量的动态功耗、短路功耗和漏电功耗，如果不加以控制，不仅会出现计算错误的结果，甚至可以把电路中某些环节会融合到一起而使得芯片无法修复。所以消费电子除了追求性能外，还要兼顾功耗问题，不然很容易出现机身烫手、待机时间减少、使用体验下降等问题。

随着芯片性能的日益强悍，芯片价格不断上涨，在手机总成本中占据了越来越大的份额。以高通骁龙 865 为例，成本在 700 元左右，占所搭载的机型成本比例分别为小米 10pro 占比 14%、红米 K30pro 占比 23%、OPPO findX2pro 占比 10%、三星 S2ultra 占比为 7%；麒麟 990 的成本约为 500 元，约占华为 nova6 售价的 16%、P40 售价的 10%、P40 PRO售价的 7%、P40 pro plus 售价的 5%；联发科天玑1000的价格是 280 元，约占 OPPO Reno3 售价的 9.8%；所以不管是从提升产品的竞争力或者是提升企业利润的角度来看，对芯片成本进行控制是非常有必要的。

汽车芯片因其交通工具的特殊性而十分注重可靠性，安全性及长效性！为何首推可靠性？由于车规芯片的特点：

1、车辆运行环境恶劣

发动机舱内温度区间为 -40°C~150°C，所以车辆芯片要满足这一较大温度运行区间，消费芯片仅要满足 0°C~70°C 的运行环境。加之车辆行进时会遇到较多振动与冲击，且车内环境湿度大，粉尘大，侵蚀大等问题远超消费芯片所需。

2、汽车产品的设计寿命更长

手机的生命周期在 3 年，最多不超过 5 年，而汽车设计寿命普遍都在 15 年或 20 万 公里左右，远大于消费电子产品寿命要求。因此，汽车芯片的产品生命周期要求在 15 年以上，而供货周期可能长达 30 年。在这样的情况下，如何保持芯片的一致性、可靠性，是车规芯片首先要考虑的问题。

3、安全在汽车芯片中格外重要

汽车芯片的安全主要由功能安全与信息安全两个方面组成。手机芯片死掉可以停机重新启动，但一旦汽车芯片宕机就有可能引发严重安全事故，这对于消费者而言根本无从谈起。因此，在汽车芯片设计时，首先要将功能安全放在架构设计之初就成为车规芯片中极为重要的组成部分，采用独立的安全岛的设计，在关键模块、计算模块、总线、内存等等都有 ECC、CRC 的数据校验，包括整个生产过程都采用车规芯片的工艺，以确保车规芯片的功能安全。随着车联网技术的推广，信息安全变得越来越重要，汽车作为实时在线设备，其与网络的沟通包括与车内车载网络沟通，都要加密数据，不然就有可能被黑客入侵。因此有必要预先将高性能加密校验模块嵌入到芯片内部。

针对功能安全，国际组织 IEC 发布了 IEC 61508 标准，并衍生出了一系列适用不同行业的功能安全标准，如下图：

4、汽车芯片设计还要考虑长效性

手机芯片的发展基本遵循摩尔定律，每年都会发布新一代芯片，每年都有新旗舰机的上市，基本上一款芯片能满足两三年内的软件系统性能需求即可。但汽车开发周期较长，新车型从研发到上市验证需要至少两年的时间，意味着汽车芯片设计必须具有前瞻性，能够满足顾客今后 3 ~ 5 年内的一种前瞻性需求。此外，随着当前汽车中软件数量的不断增加，从芯片开发角度看，不仅需要支持多个操作系统，而且还需要支持软件中不断迭代的要求。

所以车规级芯片表现出产业化周期长、供应体系阈值高等特点。进入汽车电子主流供应链体系需满足多项基本要求：满足北美汽车产业所推出的 AEC-Q100(IC)、101(离散元件)、200 (被动零件)可靠度标准；遵从汽车电子、软件功能安全国际标准 ISO 26262；符合 ISO 21448 预期功能安全，覆盖基于非系统失效导致的安全隐患；符合 ISO21434 网络安全要求，合理保证车辆及系统网络安全；满足零失效供应链品质管理准则 IATF 16949 标准。基本上一个芯片车规级认证一般需要 3 - 5 年的时间，这对于芯片厂商来说是巨大的技术成本，生产成本和时间成本考验。Mobileye 用了整整 8 年才获得第一张车企订单，英伟达当前主力芯片 Xavier 的研发耗资达 20 亿美元。

芯片制作时，减小芯片内部电路间距离能将较少晶体管塞到较少芯片上，使其运算性能较强，同时也能带来降低功耗。所以从早期微米到晚期纳米芯片对制程工艺大小十分重视。然而制程不可能无限地收缩，电晶体收缩至约 20 纳米时会遭遇量子物理上的困扰，晶体管漏电，抵消了收缩栅极长度所带来的好处。为了解决这个问题，加州大学伯克利分校的胡正明教授发明了鳍式场效应晶体管（FinFET）大幅改善电路控制并减少漏电流。目前，手机芯片工艺制程从较早的 90 纳米，到后来的 65 纳米、45 纳米、32 纳米、28 纳米、16 纳米、12 纳、7 纳米、一直发展到目前最新的 5 纳米。手机芯片的制程尺寸正在向 1 纳米进发。

传统车用芯片的制备，因汽车自身空间大，集成度要求不如手机这种消费电子迫切。加之车用芯片以发电机，底盘，安全和车灯控制等为核心的低算力领域使得汽车芯片并没有象消费电子芯片那样狂热地追逐高级制程工艺，而是倾向于优先选择成熟的制程工艺。不过随着汽车智能化的发展，更高级别的自动驾驶对高算力的急迫需求，将推动着汽车算力平台制程向 7 纳米及以下延伸。NXP 打算在 2021 年推出基于 5nm 制程的下一代高性能汽车计算平台。

曾几何时，汽车芯片市场因其市场规模的限制而变得十分小众，所以很少有外来入局者进入，数十年间都为恩智浦，德州仪器和瑞萨半导体这些汽车芯片巨头垄断着。随着汽车电子化和智能化水平的不断提高，汽车电子系统的市场规模在逐年增大，三星，英特尔，高通，英伟达，赛灵思等顶尖芯片企业相继涉足汽车芯片领域，同样给我国企业营造出一种‘变中求机’的局面。

在功能芯片领域，上市公司中颖电子、兆易创新、东软载波都涉及汽车电子领域，但市占率极少。杰发科技于 2018 年收获车规级 MCU 芯片订单，标志国内首款通过AEC-100 Grade1 的车规级 MCU 正式量产上市，打破国外的技术垄断。在主控芯片方面，华为以昇腾，昇腾和麒麟等系列芯片为核心，完整地布局汽车智能计算平台，地平线则率先量产 AI 芯片上车。车载存储芯片方面兆易创新和合肥长鑫紧密合作，2019 年推出 GD25 全系列 SPI NOR FLASH，满足 AEC-Q100 标准,是目前唯一全国产化车规存储器解决方案；宏旺半导体推出 eMMC/DDR/LPDDR/SSD/DIMM 等嵌入式存储、移动存储，拓展汽车电子应用领域。

在车载通信芯片领域，华为已累计为全球数百万辆汽车提供4G通信模组，5G模组也已实现量产上车；C-V2X领域，国内涌现出华为、大唐、高新兴、移远通信等为代表的一大批 C-V2X 芯片\模组企业，华为基带芯片 Balong 765 、Balong 5000相继应用于车载单元和路边单元，大唐高鸿顺利实现C-V2X车规级模组DMD3A 量产。国外公司高通和国内模组厂商如高新兴和移远通信的广泛合作促进了 C-V2X 芯片组的推广和应用，Autotalks 也积极和大唐及其他国内厂商开展 C-V2X 芯片的互操作实验。

在功率芯片领域，MOSFET方面，闻泰科技占据全球4%的市场份额，华润微电子在国内MOSFET市场占比8.7%；IGBT，国内公司以株洲中车时代电气，比亚迪，斯达股份和上海先进为主。从整体上看，中国芯片产业起步晚、基础差，在车规级研发与量产应用过程中也面临着很多限制。国外芯片巨头依然占领中国本土车用半导体芯片市场国内公司技术积累，资金和人才都不能和国际巨头竞争大环境，中国汽车芯片产业要想取得突破并走向强盛，不是一蹴而就的，必须立足于现在，按照行业发展客观规律办事，谨防毕其功于一役投机思维，防止出现投资过热、盲目低水平重复建设等问题，抓住智能网联与新能源的发展契机，才有可能由单点突破向生态突围转变。

在中国智能汽车市场蓬勃发展、国家支持国产芯片企业蓬勃发展的大背景下，我们坚信：中“芯”火，一定会燎原！

汽车芯片按功能主要分为计算与控制芯片、传感器芯片、功率半导体、模拟和通信芯片、存储芯片等种类。

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，中文名称绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT 和 MOSFET 组成的复合功率半导体器件，同时具备 MOSFET 开关速度高、输入阻抗高、控制功率低、驱动电路简单、开关损耗小的优点。

MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor-金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种半导体器件，广泛用于开关目的和电子设备中电子信号的放大。

文章来源：ADS智库