車規(guī)級芯片與消費電子芯片有什么不同？

導讀：消費電子芯片與車規(guī)芯片在設計時所做的考量側(cè)重點差異較大，由此帶來的工藝制程相差較大。如果硬要比個高低，就好比點評《天龍八部》里喬峰的“降龍十八掌”與《倚天屠龍記》張無忌的“九陽神功”誰更厲害一樣，實在難以周全，下面我們嘗試剖析一番，以饗讀者。

一、兩者的側(cè)重點有所不同

1、手機芯片：天下武功唯快不破

無論是手機、平板、還是機頂盒、智能穿戴設備，消費電子的芯片在開發(fā)階段主要考量性能、功耗、成本三個方面維度。

在智能機時代，芯片的性能強弱已經(jīng)成為衡量一款機型好壞的重要指標，無論是開黑的王者榮耀還是吃雞的和平精英，更加強悍的CPU芯片才能帶來極致的游戲體驗。以高通驍龍865芯片為例，采用1*Cortex-A77（2.84GHz）+3*Cortex A77（2.42GHz ）+4*Cortex-A55（1.8GHz ）的架構(gòu)，NPU可以實現(xiàn)15萬億次/秒的運算能：ISP速度達到了20億像素/秒的處理速度，可以支持2億像素攝像頭。

一塊芯片上數(shù)十億個晶體管在高頻工作時，會產(chǎn)生大量的動態(tài)功耗、短路功耗和漏電功耗，如果不加以控制，不僅會出現(xiàn)計算錯誤的結(jié)果，甚至能將電路的一些部分將熔接在一起，使芯片不可修復。因此消費電子在追求性能的同時，也要考慮功耗，否則就容易機身發(fā)燙，待機時間縮短，影響使用體驗。

在芯片性能越來越強悍的同時，芯片的價格越來越貴，所占手機總成本的比例也越來越高。以高通驍龍865為例，成本在700元左右，占所搭載的機型成本比例分別為小米10pro占比14%、紅米K30pro占比23%、OPPO findX2pro占比10%、三星S2ultra占比為7%；麒麟990的成本約為500元，約占華為nova6售價的16%、P40售價的10%、P40 PRO售價的7%、P40 pro plus售價的5%；聯(lián)發(fā)科天璣1000的價格是280元，約占OPPO Reno3售價的9.8%；因此無論是從提高產(chǎn)品競爭力還是增加企業(yè)利潤角度，都需要控制芯片成本。

不同芯片的性能排行榜

2、汽車芯片：穩(wěn)定壓倒一切

由于汽車作為交通工具的特殊性，汽車芯片非常看重可靠性、安全性和長效性！

為什么首推可靠性？因為車規(guī)芯片：

首先、汽車的工作環(huán)境更惡劣

發(fā)動機艙的溫度范圍在-40°C~150°C之間，因此汽車芯片需要滿足這種大范圍溫度工作范圍，而消費芯片只需滿足0°C~70°C工作環(huán)境。再加上汽車在行進過程中會遭遇更多的振動和沖擊，以及汽車上的環(huán)境濕度、粉塵、侵蝕都遠遠大于消費芯片的要求。

其次、汽車產(chǎn)品的設計壽命更長

手機的生命周期在3年，最多不超過5年，而汽車設計壽命普遍都在 15 年或 20 萬 公里左右，遠大于消費電子產(chǎn)品壽命要求。因此，汽車芯片的產(chǎn)品生命周期要求在15年以上，而供貨周期可能長達30年。

在這樣的情況下，如何保持芯片的一致性、可靠性，是車規(guī)芯片首先要考慮的問題。

而且，汽車芯片的安全性也尤為重要

汽車芯片安全性包括功能安全和信息安全兩部分。

手機芯片死機了可以關機重啟，但是汽車芯片如果宕機了可能會造成嚴重的安全事故，對消費者來講是完全沒有辦法接受的。所以，汽車芯片在設計的時候，從架構(gòu)設計開始就要把功能安全作為車規(guī)芯片非常重要的一部分，采用獨立的安全島的設計，在關鍵模塊、計算模塊、總線、內(nèi)存等等都有ECC、CRC的數(shù)據(jù)校驗，包括整個生產(chǎn)過程都采用車規(guī)芯片的工藝，以確保車規(guī)芯片的功能安全。

隨著車聯(lián)網(wǎng)的普及，信息安全的重要性越來越凸顯出來，汽車作為一個實時在線的設備，它跟網(wǎng)絡之間的通信，包括跟車內(nèi)車載網(wǎng)絡的通信，都需要進行數(shù)據(jù)的加密，否則可能會黑客的攻擊。所以，需要事先在芯片中內(nèi)置高性能的加密校驗模塊。

針對功能安全，國際組織IEC發(fā)布了IEC 61508標準，并衍生出了一系列適用不同行業(yè)的功能安全標準，如下圖：

最后，汽車芯片設計還要考慮長效性

手機芯片的發(fā)展基本遵循摩爾定律，每年都會發(fā)布新一代芯片，每年都有新旗艦機的上市，基本上一款芯片能滿足兩三年內(nèi)的軟件系統(tǒng)性能需求即可。但是汽車的開發(fā)周期比較長，一款新車型從開發(fā)到上市驗證至少要經(jīng)過兩年以上的時間，這就意味著汽車芯片設計要有前瞻性，要能滿足客戶在未來3到5年的一個前瞻性需求。另外，由于現(xiàn)在汽車上的軟件越來越多，從芯片開發(fā)的角度來說，不僅僅要支持多操作系統(tǒng)，同時還要支持在軟件上持續(xù)迭代的需求。

因此車規(guī)級芯片呈現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化周期漫長，供應體系門檻高的特點。進入汽車電子主流供應鏈體系需滿足多項基本要求：滿足北美汽車產(chǎn)業(yè)所推出的AEC-Q100(IC)、101(離散元件)、200 (被動零件)可靠度標準；遵從汽車電子、軟件功能安全國際標準ISO 26262；符合ISO 21448預期功能安全，覆蓋基于非系統(tǒng)失效導致的安全隱患；滿足ISO21434網(wǎng)絡安全，合理保障車輛和系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全；符合零失效的供應鏈品質(zhì)管理標準IATF 16949規(guī)范。基本上一款芯片車規(guī)級的認證通常需要3-5年時間，對芯片廠商而言是極大的技術、生產(chǎn)、時間成本的考驗。Mobileye 用了整整8年才獲得第一張車企訂單，英偉達當前主力芯片Xavier的研發(fā)耗資達 20 億美元。

二、兩者使用的工藝制程不同

在芯片的生產(chǎn)過程中，縮小芯片內(nèi)部電路之間的距離可以在更小的芯片中塞入更多的晶體管，讓芯片的運算性能更強大，還可以帶來降低功耗的效果。因此，從較早的微米，到后來的納米，芯片都非常重視制程工藝的尺寸。不過，制程并不能無限制的縮小，當將電晶體縮小到 20 納米左右時，就會遇到量子物理中的問題，晶體管出現(xiàn)漏電的現(xiàn)象，抵銷縮小柵極長度時獲得的效益。為了解決這個問題，加州大學伯克利分校的胡正明教授發(fā)明了鰭式場效應晶體管（FinFET）大幅改善電路控制并減少漏電流。

目前，手機芯片工藝制程從較早的90納米，到后來的65納米、45納米、32納米、28納米、16納米、12納、7納米、一直發(fā)展到目前最新的5納米。手機芯片的制程尺寸正在向1納米進發(fā)。

在傳統(tǒng)車用芯片制備中，由于汽車本身空間較大，對集成度的需求沒有手機等消費電子緊迫。加上車用芯片主要集中在發(fā)電機、底盤、安全、車燈控制等低算力領域，因此汽車芯片并未像消費電子芯片一樣瘋狂追求先進的制程工藝，而往往優(yōu)先考慮制程工藝的成熟性。不過隨著汽車智能化的發(fā)展，更高級別的自動駕駛對高算力的急迫需求，將推動著汽車算力平臺制程向7納米及以下延伸。NXP打算在2021年推出基于5nm制程的下一代高性能汽車計算平臺。

三、國產(chǎn)汽車芯片的未來

曾經(jīng)，汽車芯片市場由于市場規(guī)模有限，是一個非常小眾的市場，因此，鮮有外來的入局者，幾十年來一直被恩智浦、德州儀器、瑞薩半導體等汽車芯片巨頭所壟斷。隨著汽車的電子化、智能化的發(fā)展，汽車電子系統(tǒng)市場規(guī)模逐年擴大，三星、英特爾、高通、英偉達、賽靈思等頂級芯片企業(yè)也紛紛涉足汽車芯片，同樣也為我國企業(yè)創(chuàng)造了‘變中求機’的發(fā)展態(tài)勢。

1、在功能芯片領域

上市公司中穎電子、兆易創(chuàng)新、東軟載波都涉及汽車電子領域，但市占率極少。杰發(fā)科技于2018年收獲車規(guī)級MCU芯片訂單，標志國內(nèi)首款通過AEC-100 Grade1的車規(guī)級MCU正式量產(chǎn)上市，打破國外技術壟斷。

2、主控芯片領域

華為基于昇騰、昇騰、麒麟系列芯片實現(xiàn)了汽車智能計算平臺的完整布局，地平線率先將AI芯片實現(xiàn)量產(chǎn)上車。

3、車載存儲芯片領域

兆易創(chuàng)新與合肥長鑫密切合作，2019年推出GD25全系列SPI NOR FLASH，滿足AEC-Q100標準,是目前唯一全國產(chǎn)化車規(guī)存儲器解決方案；宏旺半導體推出eMMC/DDR/LPDDR/SSD/DIMM等嵌入式存儲、移動存儲，拓展汽車電子應用領域。

4、車載通信芯片領域

華為已累計為全球數(shù)百萬輛汽車提供4G通信模組，5G模組也已實現(xiàn)量產(chǎn)上車；C-V2X領域，國內(nèi)涌現(xiàn)出華為、大唐、高新興、移遠通信等為代表的一大批C-V2X芯片\模組企業(yè)，華為基帶芯片Balong 765 、Balong 5000相繼應用于車載單元和路邊單元，大唐高鴻順利實現(xiàn)C-V2X車規(guī)級模組DMD3A量產(chǎn)。國外企業(yè)高通與高新興、移遠通信等國內(nèi)模組廠商廣泛合作，推動C-V2X芯片組在中國的推廣應用，Autotalks積極與大唐等中國廠商進行C-V2X芯片組級互操作測試。

5、功率芯片領域

MOSFET方面，聞泰科技占據(jù)全球4%的市場份額，華潤微電子在國內(nèi)MOSFET市場占比8.7%；IGBT方面，中國企業(yè)主要有株洲中車時代電氣、比亞迪、斯達股份、上海先進等。

總體而言，我國芯片產(chǎn)業(yè)起步較晚，基礎薄弱，同時車規(guī)級的開發(fā)和量產(chǎn)應用面臨諸多制約因素。在國外的芯片巨頭仍占據(jù)著中國國內(nèi)的車用半導體芯片市場，國內(nèi)企業(yè)在技術積累、資金、人才等方面無法與國際巨頭抗衡的背景下，中國汽車芯片產(chǎn)業(yè)的突破和強大并非一朝一夕之功，需要立足當下，遵循產(chǎn)業(yè)發(fā)展的客觀規(guī)律，警惕畢其功于一役的投機思維，防止出現(xiàn)投資過熱和盲目低水平重復建設，緊抓智能網(wǎng)聯(lián)和新能源發(fā)展機遇，才能實現(xiàn)從單點突破到生態(tài)突圍。

隨著中國智能汽車市場的發(fā)展和國家對國產(chǎn)芯片企業(yè)的扶持，相信：中“芯”之火，必將燎原！