以前大眾很少關(guān)注的“汽車芯片”，隨著汽車廠商缺芯減產(chǎn)的新聞進(jìn)入了大眾視野。汽車芯片短缺問題自去年底爆發(fā)以來，在全球范圍內(nèi)影響了大部分主流汽車制造商。市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)IHS Markit發(fā)布的一份白皮書顯示，在沒有考慮德克薩斯州停電和日本地震的情況下，芯片短缺會(huì)導(dǎo)致2021年一季度全球減產(chǎn)100萬輛汽車，短缺現(xiàn)象將持續(xù)到三季度。

汽車芯片短缺的原因，在于需求增加、疫情影響、意外事件影響等。而要解決短缺的問題，我們首先需要弄清楚汽車芯片與消費(fèi)類芯片有的不同之處，并尋找加快芯片設(shè)計(jì)的突圍之策。

汽車芯片的特殊性

汽車級(jí)芯片的設(shè)計(jì)與消費(fèi)級(jí)芯片是有很大區(qū)別的，設(shè)計(jì)一款車規(guī)級(jí)芯片需要有需求管理、安全關(guān)鍵設(shè)計(jì)、功能故障仿真、審查和報(bào)告，以及第三方評(píng)估的安全認(rèn)證。

▲汽車SoC的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。（來源：Synopsys）

這里面最重要的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是安全性和可靠性。其中安全性包括系統(tǒng)安全和功能安全，在系統(tǒng)安全方面，各類安全算法IP是必須的；功能安全方面，獨(dú)立的安全管理處理器同樣必不可少。

根據(jù)新版IOS 26262-2018標(biāo)準(zhǔn)的定義，功能安全是指不存在由于電氣和電子系統(tǒng)故障行為引起的危險(xiǎn)而造成的不合理風(fēng)險(xiǎn)。包括IP在內(nèi)的所有汽車產(chǎn)品必須滿足該新標(biāo)準(zhǔn)所定義的功能安全要求。

由于汽車級(jí)產(chǎn)品的功能安全要求，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)之初就必須考慮，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造，或者運(yùn)行的過程中，是否存在系統(tǒng)性故障？如果產(chǎn)品在運(yùn)行的過程中遇到隨機(jī)硬件故障，比如電壓尖峰、宇宙輻射等，該怎么辦？產(chǎn)品能自己應(yīng)付嗎，可能會(huì)導(dǎo)致事故嗎？

▲減少汽車產(chǎn)品問題的方法。（來源：Synopsys）

當(dāng)然，除了需要考慮這些問題之外，更加重要的是，需要考慮如何預(yù)防，或者減少這些情況的發(fā)生，或者發(fā)生時(shí)盡可能地防止嚴(yán)重事故產(chǎn)生。這里分為：一是產(chǎn)品在開發(fā)與制造過程中的問題，這個(gè)一般可以通過仿真和驗(yàn)證來發(fā)現(xiàn)和消除錯(cuò)誤；還有一個(gè)是產(chǎn)品運(yùn)行過程中發(fā)生的故障，這個(gè)又分為系統(tǒng)性故障和隨機(jī)故障，系統(tǒng)性故障可以通過應(yīng)用過程或設(shè)計(jì)措施來防止確定性原因，隨機(jī)故障則需要采取故障注入測(cè)試等措施來提前發(fā)現(xiàn)和預(yù)防。

在新思科技接口IP產(chǎn)品線的工程師團(tuán)隊(duì)看來，汽車級(jí)的產(chǎn)品的可靠性需求更貼近于硬化IP，其中有兩個(gè)重要的部分，一是PPM指標(biāo)，二是溫度任務(wù)概述定義。

▲以汽車級(jí)產(chǎn)品與消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的可靠性對(duì)比。

從上圖的PPM曲線可以看出，與消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品相比，汽車級(jí)產(chǎn)品通常有更長(zhǎng)的壽命要求，一般是15到20年，PPM曲線要求更低，一般是低于1，甚至為零。

因?yàn)槟呐率且粋€(gè)小小的汽車級(jí)半導(dǎo)體發(fā)生故障，就有可能引起交通事故、導(dǎo)致人員傷亡。因此，必須保證“零不良率”。無論是生產(chǎn)100萬個(gè)產(chǎn)品，還是生產(chǎn)1000萬個(gè)產(chǎn)品，都要保證100%良率。

當(dāng)然，這個(gè)要求是可以理解的，但是卻是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)闊o法使批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品達(dá)到100%良率。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)良率，一般在生產(chǎn)汽車級(jí)芯片時(shí)，對(duì)半導(dǎo)體工廠實(shí)行“產(chǎn)線認(rèn)定”。認(rèn)定時(shí)間一般需要半年到一年。而且，一旦該產(chǎn)線被認(rèn)定為生產(chǎn)汽車級(jí)產(chǎn)品之后，原則上是不可以更改生產(chǎn)設(shè)備和制程條件的。

對(duì)于溫度任務(wù)概述的定義，一般情況下，汽車級(jí)產(chǎn)品需要在-40℃~150℃范圍內(nèi)都能正常工作，而消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品只需要能在0℃~125℃范圍內(nèi)正常工作就可以了。

美國(guó)汽車電子協(xié)會(huì)制定出了AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)來衡量汽車級(jí)產(chǎn)品的可靠性等級(jí)。所有的汽車級(jí)電子產(chǎn)品都要通過這一衡量標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)包括故障仿真和故障分級(jí)、加速環(huán)境壓力測(cè)試、加速壽命仿真測(cè)試、可靠性測(cè)試（比如電遷移）、以及電氣驗(yàn)證測(cè)試（例如ESD、閂鎖）等。

如何加快汽車級(jí)芯片設(shè)計(jì)速度

如今，人們對(duì)汽車的需求并不僅僅只是代步，也有了舒適性、娛樂性，以及自動(dòng)化方面的要求。而隨著人們對(duì)這些需求越來越高，汽車上原有的汽車架構(gòu)也需要變化，來滿足這些需求。因此汽車級(jí)芯片也隨著這些需求的增長(zhǎng)，變得越來越龐大和復(fù)雜。

▲汽車ADAS應(yīng)用。（來源：Synposys）

比如ADAS需要使用到的SoC芯片，會(huì)需要用到通用多核高性能處理器、高帶寬傳輸?shù)腖PDDR5/4等；在視覺處理子系統(tǒng)中，由于需要處理雷達(dá)、攝像頭等多類傳感器收集的數(shù)據(jù)，就需要利用MIPI接口來傳輸數(shù)據(jù)、DSP來處理數(shù)據(jù)，也需要用到AI加速器來識(shí)別數(shù)據(jù)，以完成汽車對(duì)外界的感知；經(jīng)過處理器處理后的信息需要在GPU的支持下，通過DP、eDP、甚至HDMI、MIPI DSI等接口輸出到各類型的屏幕上，供駕駛員查看。

▲汽車級(jí)SoC架構(gòu)圖。（來源：Synopsys）

此外，由于ADAS需要快速處理海量信息，并及時(shí)完成相應(yīng)，對(duì)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演進(jìn)，激進(jìn)的廠商已經(jīng)率先使用了5nm制程，甚至更加先進(jìn)的制程。

車載娛樂用的SoC芯片緊隨其后，開始從28nm向16nm演進(jìn)，甚至目前已經(jīng)開始出現(xiàn)7nm制程的需求了。

網(wǎng)關(guān)用SoC相對(duì)而言對(duì)性能要求沒有那么高，目前正穩(wěn)步從28nm向16nm推進(jìn)。

汽車級(jí)芯片產(chǎn)品的要求和復(fù)雜性都在不斷上升，那么芯片廠商如何能夠快速地打造一款滿足市場(chǎng)需求的產(chǎn)品呢？答案當(dāng)然是有！

為了減少組裝和將IP集成到SoC中的總體工作量和成本，新思科技推出了符合ISO 9001 質(zhì)量和ISO 26262功能安全流程的DesignWare IP子系統(tǒng)，能幫助客戶打造符合市場(chǎng)要求，和滿足ASIL安全標(biāo)準(zhǔn)SoC產(chǎn)品，加快產(chǎn)品上市速度。

新思科技的這些子系統(tǒng)由預(yù)先驗(yàn)證且全集成的解決方案組成，可利用新思科技的汽車IP以及面向特定SoC應(yīng)用的工具。

▲新思科技面向汽車應(yīng)用的DesignWare IP組合。

此外，DesignWare IP 子系統(tǒng)還提供額外的功能和價(jià)值，而不僅僅是簡(jiǎn)單地集成PHY和控制器，例如在PHY和控制器之間提供通用寄存器接口以及調(diào)試邏輯等。接口IP子系統(tǒng)中包括面向汽車的關(guān)鍵協(xié)議，如 DDR、PCIe、USB、MIPI 和以太網(wǎng)，以及多協(xié)議子系統(tǒng)等。

比如，在2020年10月份，新思科技交付了業(yè)內(nèi)首個(gè)符合ISO 26262的ASIL D級(jí)處理器IP核DesignWare ARC EM22FS，它是基于超緊湊型ARC EM處理器系列的雙核鎖步處理器IP核。此IP核包括全面的安全文件，如故障模式、影響和診斷分析（FMEDA）、安全手冊(cè)、安全案例報(bào)告、ISO 26262功能安全評(píng)估報(bào)告以及其他安全相關(guān)文件，以加快汽車SoC的功能安全分析和認(rèn)證。據(jù)悉，目前，DesignWare ARC EM22FS功能安全處理器和ARC MetaWare安全工具包已有現(xiàn)貨供應(yīng)。

當(dāng)然，除IP子系統(tǒng)外，新思科技還提供了DesignWare IP虛擬器開發(fā)套件 （IP VDK），使軟件工程師能夠在硬件設(shè)計(jì)完成前提前幾個(gè)月開始軟件開發(fā)工作，從而在芯片到位后的幾天內(nèi)啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)。

IP VDK 包括用于汽車 SoC 中常用處理器子系統(tǒng)的參考虛擬原型。IP VDK 能夠提供可配置的 DesignWare IP 模型以及Linux 軟件堆棧和參考驅(qū)動(dòng)程序。

結(jié)束語

汽車級(jí)芯片與消費(fèi)級(jí)芯片相比，不論是其復(fù)雜性，還是對(duì)質(zhì)量和可靠性的要求，差別都非常大。這幾年來，國(guó)產(chǎn)芯片在消費(fèi)級(jí)芯片方面的很多領(lǐng)域發(fā)展速度都很快，替換了不少國(guó)外芯片廠商的產(chǎn)品。現(xiàn)在在汽車領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)芯片企業(yè)也有大量的機(jī)會(huì)。

特別是目前廣大車企正在為芯片供應(yīng)頭疼的時(shí)候，如果國(guó)產(chǎn)芯片企業(yè)能夠利用自身和外界可以利用的優(yōu)勢(shì)，快速設(shè)計(jì)，并生產(chǎn)出滿足汽車級(jí)產(chǎn)品特殊要求的產(chǎn)品，肯定是能夠獲得客戶的認(rèn)可。

而新思科技的DesignWare IP解決方案可用于車載信息娛樂系統(tǒng)、駕駛員高級(jí)輔助系統(tǒng)（ADAS）、網(wǎng)關(guān)和主流微控制器（MCU），并能夠確保汽車應(yīng)用的高質(zhì)量和可靠性。并且DesignWare IP采用了經(jīng)過ISO 9001認(rèn)證的質(zhì)量管理系統(tǒng)，執(zhí)行的是IATF 16949標(biāo)準(zhǔn)適用條款，完全能夠滿足其他嚴(yán)格的汽車質(zhì)量要求。也就是說，新思科技提供的DesignWare IP組合可以幫助汽車SoC設(shè)計(jì)工程師，更加快速地設(shè)計(jì)出適合市場(chǎng)需求的車規(guī)級(jí)SoC芯片來。

原文標(biāo)題：汽車芯片緊缺，如何提升車規(guī)級(jí)芯片的設(shè)計(jì)速度？

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