為什么小芯片在汽車領(lǐng)域如此重要

汽車市場的電氣化程度不斷提高，競爭日趨激烈，迫使企業(yè)加快設(shè)計和生產(chǎn)進度。

面對極短的市場窗口期和不斷變化的需求，一些最大、最知名的汽車制造商正努力保持競爭力。與過去汽車制造商通常以五到七年為一個設(shè)計周期不同，如今汽車上的最新技術(shù)很可能在幾年內(nèi)就會被認為過時。如果他們跟不上，就會有一大批新創(chuàng)公司生產(chǎn)廉價汽車，能夠像軟件更新一樣快速更新或更換功能。

但是，軟件在速度、安全性和可靠性方面都有局限性，能夠定制硬件是許多汽車制造商目前正在努力的方向。這正是芯片的優(yōu)勢所在，現(xiàn)在的重點是如何在大型生態(tài)系統(tǒng)中建立足夠的互操作性，使其成為一個即插即用的市場。實現(xiàn)汽車芯片互操作性的關(guān)鍵因素包括標準化、互連技術(shù)、通信協(xié)議、電源和熱管理、安全性、測試和生態(tài)系統(tǒng)協(xié)作。

與電路板級的非汽車應(yīng)用類似，許多設(shè)計工作都集中在芯片到芯片的方法上，這也推動了許多新穎的設(shè)計考慮和權(quán)衡。在芯片級，由于設(shè)計性能要求的提高，各種處理器、芯片、內(nèi)存和 I/O 之間的互連變得越來越復(fù)雜，從而引發(fā)了大量的標準需求。為了達到不同的目的，人們提出了不同的互連和接口類型，而用于專用功能（如處理器、存儲器和 I/O）的新興芯片技術(shù)正在改變芯片設(shè)計的方法。

西門子 EDA 虛擬和混合系統(tǒng)副總裁 David Fritz 說：「汽車原始設(shè)備制造商已經(jīng)意識到，要控制自己的命運，就必須控制自己的 SoC。」此外，他們認為需要采用最新的工藝節(jié)點，而在這種節(jié)點上，一個光罩組的成本將高達 1 億美元。他們負擔不起。他們也無法獲得人才。綜上所述，原始設(shè)備制造商意識到，要想掌握自己的命運，他們需要一種技術(shù)，這種技術(shù)由其他公司開發(fā)，但可以根據(jù)需要進行組合，從而生產(chǎn)出獨特的差異化產(chǎn)品，他們相信這種產(chǎn)品至少在未來幾年內(nèi)不會過時。這樣，它才具有經(jīng)濟可行性。唯一符合要求的就是芯片。

芯片組可針對特定功能進行優(yōu)化，從而幫助汽車制造商利用已在多種汽車設(shè)計中得到驗證的技術(shù)來滿足可靠性、安全性和安保要求。此外，它們還能縮短產(chǎn)品上市時間，并最終降低不同特性和功能的成本。

過去十年來，對芯片的需求一直呈上升趨勢。根據(jù) Allied Market Research 的預(yù)測，全球汽車芯片需求將從 2021 年的 498 億美元增長到 2031 年的 1213 億美元。這一增長將吸引更多的汽車芯片創(chuàng)新和投資，而芯片有望成為一大受益者。

但小芯片市場的成熟還需要一段時間，并且可能會分階段推出。最初，供應(yīng)商將提供不同規(guī)格的專有模組。然后，合作伙伴將共同努力提供小芯片以相互支持，就像一些供應(yīng)商已經(jīng)發(fā)生的那樣。最后階段將是普遍可互操作的小芯片，由 UCIe 或其他互連方案支持。

進入最后階段將是最困難的，并且需要進行重大改變。為了確保互操作性，汽車生態(tài)系統(tǒng)和供應(yīng)鏈中足夠多的部分必須聚集在一起，包括硬件和軟件開發(fā)商、代工廠、OSAT 以及材料和設(shè)備供應(yīng)商。

勢頭正在增強

好的一面是，并非所有這些都是從零開始。在電路板層面，模塊和子系統(tǒng)一直都使用板載芯片到芯片接口，今后也將繼續(xù)使用。各種芯片和 IP 提供商，包括 Cadence、Diode、Microchip、NXP、Renesas、Rambus、Infineon、Arm 和 Synopsys，都提供現(xiàn)成的接口芯片或 IP 來創(chuàng)建接口芯片。

Cadence 設(shè)計 IP 高級產(chǎn)品營銷組總監(jiān) Arif Khan 表示：「在必要性的推動下，Chiplet 已經(jīng)出現(xiàn)了。不斷增長的處理器和 SoC 尺寸正在達到標線極限和規(guī)模不經(jīng)濟。工藝技術(shù)進步帶來的增量收益低于每個晶體管和設(shè)計成本的上升。封裝技術(shù)（2.5D/3D）和芯片間接口標準化（例如 UCIe）的進步將促進小芯片的開發(fā)。」

目前使用的幾乎所有芯片都是由英特爾、AMD 和 Marvell 等大型芯片制造商自行開發(fā)的，因為他們可以嚴格控制這些芯片的特性和行為。但目前各個層面都在努力向更多的參與者開放這一市場。到那時，小公司就可以開始利用那些備受矚目的開拓者迄今為止所取得的成就，并圍繞這些發(fā)展進行創(chuàng)新。

Arteris 戰(zhàn)略營銷高級總監(jiān) Guillaume Boillet 說：「我們中的許多人都相信，擁有現(xiàn)成的、可互操作的芯片組合這一夢想很可能需要數(shù)年才能成為現(xiàn)實。這也提高了 FPGA 和 eFPGA 的吸引力，它們可以為現(xiàn)場硬件提供一定程度的定制和更新。」

Flex Logix 首席執(zhí)行官 Geoff Tate 說：「Chiplets 是一個真實存在的東西?，F(xiàn)在，一家公司生產(chǎn)兩個或更多芯片組，比生產(chǎn)幾乎沒有良品率的近微粒尺寸芯片要經(jīng)濟得多。芯片標準化似乎還很遙遠。即使是 UCIe 也還不是一個固定的標準。并非所有人都同意 UCIe、裸芯片測試、集成封裝不工作時問題歸誰等。我們確實有一些客戶使用或正在評估 eFPGA 接口，而這些接口的標準（如 UCIe）還在不斷變化中。他們可以現(xiàn)在實施芯片，以后再使用 eFPGA 來適應(yīng)標準的變化」。

還有一些來自其他方面的支持，比如設(shè)備擴展成本的上升，以及在芯片中集成更多功能的需要等。但是，這些努力也為汽車芯片鋪平了道路，而且業(yè)界也為實現(xiàn)這一切提供了強有力的支持。例如，在 SEMI、ASME 和三個 IEEE 協(xié)會的贊助下，新的異構(gòu)集成路線圖（HIR）研究了各種微電子設(shè)計、材料和封裝問題，為半導(dǎo)體行業(yè)制定了路線圖。他們目前關(guān)注的重點包括 2.5D、3D-IC、晶圓級封裝、集成光子學(xué)、微機電系統(tǒng)（MEMS）和傳感器，以及系統(tǒng)級封裝（SiP）、航空航天、汽車等。

在最近舉行的 2023 年異構(gòu)集成全球峰會上，來自 AMD、應(yīng)用材料公司、日月光、Lam Research、聯(lián)發(fā)科、美光、Onto Innovation、臺積電等公司的代表對芯片組表示了大力支持。另一個支持芯片的組織是芯片設(shè)計交換（CDX）工作組，它是開放域?qū)Ｓ眉軜?gòu)（ODSA）和開放計算項目基金會（OCP）的一部分。芯片設(shè)計交換（CDX）章程側(cè)重于芯片和芯片集成的各種特性，包括 2.5D 堆疊和 3D 集成電路（3D-IC）的電氣、機械和熱設(shè)計交換標準。其代表包括 Ansys、Applied Materials、Arm、Ayar Labs、Broadcom、Cadence、Intel、Macom、Marvell、Microsemi、NXP、Siemens EDA、Synopsys 等。

西門子的弗里茨指出：「汽車公司對每個芯片在功能方面的要求仍處于動蕩狀態(tài)?！惯@就是我們所需要的。這些公司可以去做這樣的工作，然后你可以把它們放在一起。這樣，互操作性就不是什么大問題了。原始設(shè)備制造商可能會說，'我必須處理所有的可能性'，從而使事情變得過于復(fù)雜。另一種選擇是，他們可以說：'這就像高速 PCIe。如果我想從一個接口通信到另一個接口，我已經(jīng)知道怎么做了。我已經(jīng)有了運行操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序。這樣就能解決很多問題，我相信最終會是這樣的」。

標準接口可實現(xiàn) SoC 定制

目前還不完全清楚標準處理器（目前大多數(shù)芯片組都使用標準處理器）與為汽車應(yīng)用開發(fā)的芯片組之間會有多少重疊。但隨著這項技術(shù)進入新的市場，其基礎(chǔ)技術(shù)和發(fā)展肯定會相互促進。

Synopsys 公司 IP 加速解決方案部高級產(chǎn)品經(jīng)理 David Ridgeway 指出：「無論是人工智能加速器還是 ADAS 汽車應(yīng)用，客戶都需要標準的接口 IP 塊。」圍繞客戶的 IP 定制要求提供經(jīng)過全面驗證的 IP 子系統(tǒng)，以支持客戶 SoC 中使用的子系統(tǒng)組件，這一點非常重要。當我說定制化時，你可能沒有意識到在過去的 10 到 20 年中，IP 在物理層和控制器方面的定制化程度有多高。例如，PCI Express 已從 PCIe 第 3 代發(fā)展到第 4 代、第 5 代，再到現(xiàn)在的第 6 代。控制器可配置為支持較小鏈路寬度的多種分岔模式，包括一個 x16、兩個 x8 或四個 x4。我們的子系統(tǒng) IP 團隊與客戶合作，確保滿足所有定制要求。對于人工智能應(yīng)用而言，信號和電源完整性對于滿足其性能要求極為重要。我們幾乎所有的客戶都在尋求突破，以實現(xiàn)盡可能高的內(nèi)存帶寬速度，從而使他們的 TPU 每秒能夠處理更多的事務(wù)。只要是云計算或人工智能應(yīng)用，客戶都希望獲得最快的響應(yīng)速度。

圖 1：包括處理器、數(shù)字、PHY 和驗證的 IP 模塊可幫助開發(fā)人員實現(xiàn)整個 SoC。來源：新思科技

優(yōu)化 PPA 的最終目標是提高效率，這使得小芯片在汽車應(yīng)用中特別有吸引力。當 UCIe 成熟時，預(yù)計整體性能將呈指數(shù)級提升。例如，UCIe 在標準封裝中可以提供 28 至 224 GB/s/mm 的帶寬，在高級封裝中可以提供 165 至 1317 GB/s/mm 的帶寬。這意味著性能提高了 20 至 100 倍。將延遲從 20 納秒降低到 2 納秒代表著 10 倍的改進。另一個優(yōu)點是功率效率提高了約 10 倍，分別為 0.5 pJ/b（標準封裝）和 0.25 pJ/b（高級封裝）。關(guān)鍵是盡可能縮短接口距離。

結(jié)論

實現(xiàn)芯片到芯片接口標準化的想法正在迅速流行，但實現(xiàn)這一目標需要時間、努力，以及很少相互交流的公司之間的大量合作。制造一輛汽車需要一個汽車制造商。而使用芯片制造汽車則需要包括開發(fā)商、代工廠、OSAT、材料和設(shè)備供應(yīng)商在內(nèi)的整個生態(tài)系統(tǒng)共同努力。

汽車原始設(shè)備制造商是系統(tǒng)組裝和尋找創(chuàng)新方法降低成本的專家。但是，他們能否快速、有效地建立并利用可互操作芯片的生態(tài)系統(tǒng)來縮短設(shè)計周期、提高定制化程度，并適應(yīng)這樣一個世界，即當最先進的技術(shù)完全設(shè)計完成、經(jīng)過測試并提供給消費者時，它可能已經(jīng)過時。

商業(yè) Chiplet 生態(tài)系統(tǒng)可能還需要十年的時間

半導(dǎo)體工程與 Arteris 解決方案和業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁 Frank Schirrmeister 和 Paul Karazuba，Expedera 營銷副總裁；Stephen Slater，是德科技 EDA 產(chǎn)品管理/集成經(jīng)理；Kevin Rinebold，西門子 EDA 高級封裝解決方案客戶技術(shù)經(jīng)理；Mayank Bhatnagar，Cadence 硅解決方案部產(chǎn)品營銷總監(jiān)；以及 Synopsys 高性能計算 IP 解決方案產(chǎn)品管理副總裁 Mick Posner，坐下來討論建立商業(yè)小芯片生態(tài)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。以下是該討論的摘錄。

SE：如今，Chiplet 的各個方面都有很多討論和活動。您對商業(yè) Chiplet 生態(tài)系統(tǒng)目前的狀況有何看法？

Schirrmeister：如今，人們對開放式小芯片生態(tài)系統(tǒng)很感興趣，但我們距離真正的開放性可能還很遠。小芯片的專有版本仍然活躍并正在蓬勃發(fā)展。我們在設(shè)計中看到了它們。我們的供應(yīng)商都支持這些目標，使其成為現(xiàn)實，就像 UCIe 支持者一樣，但要實現(xiàn)完全開放的生態(tài)系統(tǒng)還需要一些時間。我們可能至少需要三到五年才能達到 PCI Express 類型的交換環(huán)境。

Bhatnagar：商業(yè)小芯片生態(tài)系統(tǒng)還處于非常早期的階段。許多公司正在提供小芯片，正在設(shè)計它們，并且正在運輸產(chǎn)品，但它們?nèi)匀皇菃我还?yīng)商產(chǎn)品，同一家公司正在設(shè)計所有部件。我希望隨著 UCIe 標準的進步以及更多的標準化，我們最終能夠為小芯片提供類似市場的環(huán)境。

Karazuba： AMD 等組織非常了解同質(zhì)小芯片的商業(yè)化。但對于異構(gòu) chiplet（即來自多個供應(yīng)商的 chiplet）的商業(yè)化，仍然存在很多問題。

Slater：我們參加了很多董事會討論，并參加了臺積電 OIP 等行業(yè)活動，目前有很多令人興奮的事情。我看到很多中小型客戶開始考慮他們的小芯片應(yīng)該是什么的開發(fā)計劃。我確實認為那些最先取得成功的將是那些處于像臺積電這樣的單一代工生態(tài)系統(tǒng)中的公司。今天，如果您要選擇 IP，您可以通過多種方式來選擇哪個 IP，查看之前已流片的內(nèi)容以及它的成功程度，以便您可以管理風(fēng)險和成本當你把東西放在一起時。未來我們會看到，現(xiàn)在你有選擇了。您是購買 IP，還是購買 chiplet？至關(guān)重要的是，它們都來自同一個晶圓廠，并以相同的方式組裝在一起。UCIe 標準封裝與先進封裝等技術(shù)考慮因素、高速仿真分析工具集等技術(shù)因素將變得更加重要。

Rinebold：我從事這方面工作已經(jīng)有大約 30 年了，所以我可以追溯到多芯片模塊等最早的時代。當我們談?wù)撋鷳B(tài)系統(tǒng)時，今天有很多例子，我們看到 HBM 和邏輯在中介層級別相結(jié)合。如果您相信 HBM 是一個小芯片，那么這就是有效的，而這是一個完全不同的論點。有些人認為 HBM 屬于這一類。真正的樂高積木、小芯片的組合和匹配的想法仍然是主流市場的渴望，但也有一些業(yè)務(wù)障礙需要解決。同樣，一些單一供應(yīng)商解決方案也有例外，它們或多或少是同質(zhì)集成，或者是完全垂直集成類型的環(huán)境，其中單一供應(yīng)商將自己的小芯片集成到一些非常令人印象深刻的封裝中。

Posner ：「抱負」是我們用來形容開放生態(tài)系統(tǒng)的詞。我會有點沮喪地說我相信這是 5 到 10 年后的事情。是否可以？絕對地。但我們目前看到的最大問題是對于其真正含義存在巨大的知識差距。隨著科技公司更多地了解這意味著什么，我們會發(fā)現(xiàn)采用速度將會有所加快。但在我們所說的「專屬」范圍內(nèi)——單個公司或微型生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)——我們看到多芯片系統(tǒng)正在興起。

SE：是否有可能從技術(shù)角度定義我們今天擁有的各個部分，使商業(yè)小芯片生態(tài)系統(tǒng)成為現(xiàn)實？

Rinebold：令人鼓舞的是標準的制定。我們已經(jīng)提到了一些芯片間協(xié)議的 UCIe。JEDEC 等組織宣布將其 JEP30 PartModel 格式擴展到 Chiplet 生態(tài)系統(tǒng)中，以納入 Chiplet 風(fēng)格的數(shù)據(jù)。大部分工作已納入開放計算下的 CDX 工作組。這令人鼓舞。早些時候有一些關(guān)于開放市場的評論。我同意我們可能還需要 3 到 10 年才能實現(xiàn)這一目標。底層框架和基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)存在，但在看到任何類型的廣泛采用之前，必須解決許多許可和分發(fā)問題。

Posner ：基礎(chǔ)設(shè)施是可用的。用于創(chuàng)建、打包、分析、模擬、制造的 EDA 工具——這些工具都在那里。圍繞它的知識產(chǎn)權(quán)，無論是 UCIe 還是一些更傳統(tǒng)的芯片間接口，都在那里。尚未建立實現(xiàn)互操作性的完整方法和流程。圈養(yǎng)內(nèi)的一切都是可能的，但更廣泛的生態(tài)系統(tǒng)、市場將需要芯片互操作性、模擬、封裝等等。這是我們認為缺失但仍在建設(shè)的領(lǐng)域。

Schirrmeister：我們知道需要什么嗎？我們或許可以很好地定義它。如果愿景是一個開放的生態(tài)系統(tǒng)，在小芯片上有 IP，您可以像樂高積木一樣將其拼湊在一起，那么 IP 行業(yè)會告訴我們需要什么，然后在它們之上存在一些差距。我聽到來自硬編碼 IP 世界的人們談?wù)撓喈斢谛⌒酒?PDK，但今天的 IP 生態(tài)系統(tǒng)和 IP 可交付成果告訴我們，它還不能像樂高積木一樣工作。我們每年都在進步。當您將其分解為小芯片和協(xié)議時，我們需要認真思考額外的挑戰(zhàn)是什么。然后，您需要處理重大的系統(tǒng)性問題，例如如何處理小芯片之間的一致性？在芯片上完成它已經(jīng)足夠具有挑戰(zhàn)性了。現(xiàn)在，您可能必須與您甚至不擁有的其他合作伙伴打交道。這不是開放生態(tài)系統(tǒng)中的圈養(yǎng)環(huán)境。這使得它非常具有挑戰(zhàn)性，并且它創(chuàng)造了至少 5 到 10 年的工作保障。

Bhatnagar：在技術(shù)方面，進展順利的是采用。我們可以看到像英特爾這樣的大公司，當然還有像我們和新思科技這樣的 IP 提供商。每個人都在努力實現(xiàn)小芯片集成的標準化，而且效果非常好。EDA 工具也即將推出來支持這一點。但我們離市場還很遠，因為還有很多問題沒有解決，比如許可和其他一些需要更多時間的事情。

Slater：標準機構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)團體讓很多人興奮不已，我們也迎來了眾多客戶。我在想，這是否只適用于非常高端的計算？從我在此類論壇上看到的公司來看，甚至有汽車或航空航天/國防領(lǐng)域的公司正在規(guī)劃未來 10 年或更長時間的未來。以汽車為例，這家公司正在考慮創(chuàng)建用于內(nèi)部消費的小芯片，因此可能會重新組織他們?nèi)绾慰创齽?chuàng)建其產(chǎn)品的許多不同變體或演變，試圖將其作為更模塊化的小芯片類型的塊來實現(xiàn)?！溉绻覀儗⑽⑻幚砥髯鳛槠渲械囊徊糠?，我們是否會將其作為小芯片對外出售，以供其他客戶集成到更大的設(shè)計中？」對我來說，頓悟的時刻是看到它的應(yīng)用范圍有多么廣泛。

我確實認為標準工作進展非?？?，而且效果非常好。例如，在 Keysight EDA，我們剛剛發(fā)布了小芯片 PHY 設(shè)計器。它是對 UCIe 高速數(shù)字鏈路的模擬，只有通過發(fā)布標準才能實現(xiàn)，因此 EDA 公司可以查看它并了解他們需要用它做什么。EDA 工具已經(jīng)準備好處理此類事情。也許最后一點是，為了共享 IP，為了確保其可用，數(shù)據(jù)庫和流程管理將變得更加重要。您需要跟蹤哪個芯片是在哪個流程中制造的，并能夠在公司內(nèi)部將其提供給該芯片的其他潛在用戶。

SE：從商業(yè)角度來看，目前已經(jīng)有了哪些進展，哪些還需要解決？

Karazuba：從商業(yè)角度來看，嚴格來說異構(gòu)小芯片，我認為沒有任何東西真正到位。讓我通過問「誰負責(zé)保修？」來限定這一點。誰負責(zé)測試？過失誰負責(zé)？誰負責(zé)供應(yīng)鏈？對于同質(zhì)小芯片或單片硅，這是可以理解的，因為這就是該行業(yè)自誕生以來一直開展業(yè)務(wù)的方式。但是，當您談?wù)搧碜远鄠€供應(yīng)商、具有多個 IP（可能還有不同的接口）、在多個晶圓廠制造、然后由第三方構(gòu)建、由第三方組裝、由第四方測試、然后發(fā)貨的小芯片時，出現(xiàn)問題時會發(fā)生什么？你把矛頭指向誰？你去找誰談話？如果某個特定的小芯片未按預(yù)期運行，則不一定是該小芯片有問題。它可能是另一個小芯片或集線器上的接口，無論它是什么。我們即將實現(xiàn)這一目標，但目前尚不清楚誰將為此類事情負責(zé)。是多芯片模塊制造商，還是購買者。我擔心會回到 Wintel 問題，即芯片制造商指向操作系統(tǒng)制造商，操作系統(tǒng)制造商指向硬件制造商，操作系統(tǒng)制造商指向芯片制造商。對商業(yè)方面的理解是小芯片被采用的真正障礙。誠然，技術(shù)比商業(yè)困難得多，但我毫不懷疑工程師會比業(yè)務(wù)人員更快地實現(xiàn)這一目標。

Bhatnagar：從商業(yè)角度來看，真正重要的是標準化。Chiplet 的內(nèi)部很好，但它如何影響周圍的其他 Chiplet 很重要。我們希望能夠制作一些東西并出售它的許多副本。但如果沒有標準化，那么我們要么是在賭博，只追求一種東西并假設(shè)每個人都轉(zhuǎn)向它，要么我們?yōu)橥患轮谱鞫鄠€版本，這會增加額外的成本。為了真正證明任何小芯片或任何類型的小芯片 IP 的業(yè)務(wù)案例的合理性，標準化對于系統(tǒng)的電氣互連、封裝和所有其他方面至關(guān)重要。