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汽车芯片紧缺,如何提升车规级芯片的设计速度?

日期:2021/4/28 11:31:39
摘要:汽车芯片短缺的原因,在于需求增加、疫情影响、意外事件影响等。而要解决短缺的问题,我们首先需要弄清楚汽车芯片与消费类芯片有的不同之处,并寻找加快芯片设计的突围之策。

以前大众很少关注的“汽车芯片”,随着汽车厂商缺芯减产的新闻进入了大众视野。汽车芯片短缺问题自去年底爆发以来,在全球范围内影响了大部分主流汽车制造商。市场调研机构IHS Markit发布的一份白皮书显示,在没有考虑德克萨斯州停电和日本地震的情况下,芯片短缺会导致2021年一季度全球减产100万辆汽车,短缺现象将持续到三季度。

汽车芯片短缺的原因,在于需求增加、疫情影响、意外事件影响等。而要解决短缺的问题,我们首先需要弄清楚汽车芯片与消费类芯片有的不同之处,并寻找加快芯片设计的突围之策。

汽车芯片的特殊性汽车级芯片的设计与消费级芯片是有很大区别的,设计一款车规级芯片需要有需求管理、安全关键设计、功能故障仿真、审查和报告,以及第三方评估的安全认证。

这里面最重要的两个关键点是安全性和可靠性。其中安全性包括系统安全和功能安全,在系统安全方面,各类安全算法IP是必须的;功能安全方面,独立的安全管理处理器同样必不可少。

根据新版IOS 26262-2018标准的定义,功能安全是指不存在由于电气和电子系统故障行为引起的危险而造成的不合理风险。包括IP在内的所有汽车产品必须满足该新标准所定义的功能安全要求。

由于汽车级产品的功能安全要求,设计者在设计之初就必须考虑,在产品设计制造,或者运行的过程中,是否存在系统性故障?如果产品在运行的过程中遇到随机硬件故障,比如电压尖峰、宇宙辐射等,该怎么办?产品能自己应付吗,可能会导致事故吗?

当然,除了需要考虑这些问题之外,更加重要的是,需要考虑如何预防,或者减少这些情况的发生,或者发生时尽可能地防止严重事故产生。这里分为:一是产品在开发与制造过程中的问题,这个一般可以通过仿真和验证来发现和消除错误;还有一个是产品运行过程中发生的故障,这个又分为系统性故障和随机故障,系统性故障可以通过应用过程或设计措施来防止确定性原因,随机故障则需要采取故障注入测试等措施来提前发现和预防。

在新思科技接口IP产品线的工程师团队看来,汽车级的产品的可靠性需求更贴近于硬化IP,其中有两个重要的部分,一是PPM指标,二是温度任务概述定义。

从上图的PPM曲线可以看出,与消费级产品相比,汽车级产品通常有更长的寿命要求,一般是15到20年,PPM曲线要求更低,一般是低于1,甚至为零。

因为哪怕是一个小小的汽车级半导体发生故障,就有可能引起交通事故、导致人员伤亡。因此,必须保证“零不良率”。无论是生产100万个产品,还是生产1000万个产品,都要保证100%良率。

当然,这个要求是可以理解的,但是却是无法实现的,因为无法使批量生产的工业产品达到100%良率。为了实现这个良率,一般在生产汽车级芯片时,对半导体工厂实行“产线认定”。认定时间一般需要半年到一年。而且,一旦该产线被认定为生产汽车级产品之后,原则上是不可以更改生产设备和制程条件的。

对于温度任务概述的定义,一般情况下,汽车级产品需要在-40℃~150℃范围内都能正常工作,而消费级产品只需要能在0℃~125℃范围内正常工作就可以了。

美国汽车电子协会制定出了AEC-Q100标准来衡量汽车级产品的可靠性等级。所有的汽车级电子产品都要通过这一衡量标准。该标准包括故障仿真和故障分级、加速环境压力测试、加速寿命仿真测试、可靠性测试(比如电迁移)、以及电气验证测试(例如ESD、闩锁)等。

如何加快汽车级芯片设计速度如今,人们对汽车的需求并不仅仅只是代步,也有了舒适性、娱乐性,以及自动化方面的要求。而随着人们对这些需求越来越高,汽车上原有的汽车架构也需要变化,来满足这些需求。因此汽车级芯片也随着这些需求的增长,变得越来越庞大和复杂。

比如ADAS需要使用到的SoC芯片,会需要用到通用多核高性能处理器、高带宽传输的LPDDR5/4等;在视觉处理子系统中,由于需要处理雷达、摄像头等多类传感器收集的数据,就需要利用MIPI接口来传输数据、DSP来处理数据,也需要用到AI加速器来识别数据,以完成汽车对外界的感知;经过处理器处理后的信息需要在GPU的支持下,通过DP、eDP、甚至HDMI、MIPI DSI等接口输出到各类型的屏幕上,供驾驶员查看。

此外,由于ADAS需要快速处理海量信息,并及时完成相应,对SoC性能要求非常高,因此在芯片制程上,ADAS走在最前沿,目前在由14nm向7nm演进,激进的厂商已经率先使用了5nm制程,甚至更加先进的制程。

车载娱乐用的SoC芯片紧随其后,开始从28nm向16nm演进,甚至目前已经开始出现7nm制程的需求了。

网关用SoC相对而言对性能要求没有那么高,目前正稳步从28nm向16nm推进。

汽车级芯片产品的要求和复杂性都在不断上升,那么芯片厂商如何能够快速地打造一款满足市场需求的产品呢?答案当然是有!

为了减少组装和将IP集成到SoC中的总体工作量和成本,新思科技推出了符合ISO 9001 质量和ISO 26262功能安全流程的DesignWare IP子系统,能帮助客户打造符合市场要求,和满足ASIL安全标准SoC产品,加快产品上市速度。

新思科技的这些子系统由预先验证且全集成的解决方案组成,可利用新思科技的汽车IP以及面向特定SoC应用的工具。

此外,DesignWare IP 子系统还提供额外的功能和价值,而不仅仅是简单地集成PHY和控制器,例如在PHY和控制器之间提供通用寄存器接口以及调试逻辑等。接口IP子系统中包括面向汽车的关键协议,如 DDR、PCIe、USB、MIPI 和以太网,以及多协议子系统等。

比如,在2020年10月份,新思科技交付了业内首个符合ISO 26262的ASIL D级处理器IP核DesignWare ARC EM22FS,它是基于超紧凑型ARC EM处理器系列的双核锁步处理器IP核。此IP核包括全面的安全文件,如故障模式、影响和诊断分析(FMEDA)、安全手册、安全案例报告、ISO 26262功能安全评估报告以及其他安全相关文件,以加快汽车SoC的功能安全分析和认证。据悉,目前,DesignWare ARC EM22FS功能安全处理器和ARC MetaWare安全工具包已有现货供应。

当然,除 IP 子系统外,新思科技还提供了 DesignWare IP 虚拟器开发套件 (IP VDK),使软件工程师能够在硬件设计完成前提前几个月开始软件开发工作,从而在芯片到位后的几天内启动整个系统。

IP VDK 包括用于汽车 SoC 中常用处理器子系统的参考虚拟原型。IP VDK 能够提供可配置的 DesignWare IP 模型以及Linux 软件堆栈和参考驱动程序。

结语汽车级芯片与消费级芯片相比,不论是其复杂性,还是对质量和可靠性的要求,差别都非常大。这几年来,国产芯片在消费级芯片方面的很多领域发展速度都很快,替换了不少国外芯片厂商的产品。现在在汽车领域,国产芯片企业也有大量的机会。

特别是目前广大车企正在为芯片供应头疼的时候,如果国产芯片企业能够利用自身和外界可以利用的优势,快速设计,并生产出满足汽车级产品特殊要求的产品,肯定是能够获得客户的认可。

而新思科技的DesignWare IP解决方案可用于车载信息娱乐系统、驾驶员高级辅助系统(ADAS)、网关和主流微控制器(mcu),并能够确保汽车应用的高质量和可靠性。并且DesignWare IP采用了经过ISO 9001认证的质量管理系统,执行的是IATF 16949标准适用条款,完全能够满足其他严格的汽车质量要求。也就是说,新思科技提供的DesignWare IP组合可以帮助汽车SoC设计工程师,更加快速地设计出适合市场需求的车规级SoC芯片来。

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