本文來自半導(dǎo)體行業(yè)觀察，作者/杜芹。
隨著汽車電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化“新四化”的趨勢(shì)不斷加速，半導(dǎo)體在汽車中的占比越來越高。據(jù)悉，一輛傳統(tǒng)汽車一般需要用到500-600顆的芯片，而一輛新能源汽車所需的芯片更多，達(dá)到1000顆以上。到2030年，汽車50%的成本將與芯片相關(guān)，而汽車制造商80%的創(chuàng)新將由芯片驅(qū)動(dòng)。
汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)的發(fā)展如火如荼，但其也面臨了一些挑戰(zhàn)。缺芯是一方面；另外，隨著汽車產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈管理不斷下沉，車載芯片的復(fù)雜程度和質(zhì)量要求也越來越高；再者，汽車芯片本身所要求的零缺陷也是一大挑戰(zhàn)。
1
火熱的汽車芯片市場(chǎng)，
缺陷問題不容忽視
首先讓我們來看下，一輛汽車會(huì)用到哪些芯片呢？
如果按照芯片通用分類的話，汽車芯片無外乎三大類：
一是用于信息處理的計(jì)算和存儲(chǔ)芯片，其中計(jì)算芯片主要包括MCU和SoC，智能汽車需求下，自動(dòng)駕駛SoC和智能座艙SoC是時(shí)代發(fā)展下的新產(chǎn)物；
二是用于電能轉(zhuǎn)換和控制的分立器件，主要包括IGBT、MOSFET以及SiC等功率器件，隨著新能源汽車的普及，對(duì)分立器件的需求量大幅增加，目前IGBT仍是汽車功率器件中占比較大的一個(gè)，不過行業(yè)的新趨勢(shì)正在由Si基向SiC邁進(jìn)；
三是汽車感知和采集信息的芯片，主要是各類傳感器和雷達(dá)，他們用來充當(dāng)汽車的眼睛、耳朵，車載芯片有一半的需求來自傳感器。
在汽車芯片高需求的機(jī)遇之下，上述各類芯片無一例外的都迎來了巨大的發(fā)展機(jī)遇。根據(jù)Omdia的數(shù)據(jù)，汽車半導(dǎo)體中的所有類別都以兩位數(shù)的速度增長(zhǎng)，車載半導(dǎo)體市場(chǎng)在2021-2025年將以15.8%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。
2025年列出的百分比是2020年至2025年每個(gè)類別的復(fù)合年增長(zhǎng)率（來源：Omdia）
不過隨著汽車芯片種類和數(shù)量應(yīng)用的增長(zhǎng)，也帶來了一個(gè)隱憂，那就是，任何一個(gè)芯片的失效對(duì)一臺(tái)車來說很可能造成致命性損傷。近年來，近50%的汽車召回是因?yàn)殡娮釉腥毕?。?qiáng)如特斯拉，也頻頻因如中央處理器可能過熱重啟、緊急系統(tǒng)存在故障、通訊錯(cuò)誤導(dǎo)致的前向碰撞預(yù)警或自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)意外啟動(dòng)等各種各樣的問題召回車輛。汽車芯片安全問題不容忽視。
相較于其他電子產(chǎn)品，汽車擁有更明顯的特殊性。除了常規(guī)的電子器件的基本功能之外，車載芯片與消費(fèi)類芯片在設(shè)計(jì)、制造等環(huán)節(jié)的流程不同，汽車廠商對(duì)芯片成品質(zhì)量的要求更嚴(yán)苛，需要滿足各種標(biāo)準(zhǔn)，比如ISO26262規(guī)范、AEC-Q100規(guī)范等。
ISO26262規(guī)范
汽車電子委員會(huì)(AEC)發(fā)布的零缺陷戰(zhàn)略框架（AEC-Q004）
對(duì)汽車芯片“零缺陷”的追逐成為行業(yè)的共同目標(biāo)。汽車行業(yè)正在降低芯片缺陷的可接受水平，缺陷率過去的衡量單位為百萬分之一(ppm)，而現(xiàn)在的衡量單位為十億分之一(ppb)。據(jù)Amkor的分析，如果每輛汽車有大約40個(gè)電子系統(tǒng)，而每個(gè)系統(tǒng)有大約250個(gè)半導(dǎo)體元件，那么元件層面即使1ppm（百萬分之一）的缺陷率也會(huì)導(dǎo)致汽車整體的缺陷率陡增至10,000ppm(1%)，這個(gè)數(shù)字對(duì)于安全關(guān)鍵型電子器件來說是過高的。
圖源：Amkor
為了達(dá)到汽車的安全，汽車芯片廠商更難了。
2
如何打造一款零缺陷的汽車芯片？
在自動(dòng)駕駛汽車中，物理、驅(qū)動(dòng)、傳感器、嵌入式軟件和SoC是高度相互依賴的，比智能手機(jī)芯片的設(shè)計(jì)要復(fù)雜100倍之多。因此，要打造一款零缺陷的汽車芯片需要從芯片源頭的設(shè)計(jì)開始，到后面的制造、封測(cè)進(jìn)行全方位的覆蓋才行。
首先在汽車芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，自然離不開對(duì)EDA工具的需要，而且自動(dòng)駕駛安全等級(jí)越高，對(duì)EDA工具的依賴度就越高。汽車芯片的內(nèi)在質(zhì)量或初始質(zhì)量在很大程度上取決于底層半導(dǎo)體技術(shù)和設(shè)計(jì)規(guī)則。
西門子EDA作為一家國際的EDA廠商，這些年來通過在汽車領(lǐng)域的特定收購，逐漸覆蓋了汽車芯片設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證、制造測(cè)試等全階段，并且具有成熟的數(shù)字化管理平臺(tái)。而且其EDA安全工具完全符合ISO26262的驗(yàn)證，簡(jiǎn)化了芯片廠商的合規(guī)過程。
具體到安全方面，汽車安全主要包括功能安全和信息安全兩方面。針對(duì)功能安全，西門子EDA的Austemper工具能夠?yàn)榭蛻籼峁┓治觥⒉迦?、?yàn)證全流程的功能安全解決方案。在信息安全方面，西門子EDA的SecureCheck工具，能對(duì)芯片內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)某些密鑰和銀行賬號(hào)相關(guān)的訪問加以控制，SecureCheck基于formal的方案，可以幫助客戶做窮舉式覆蓋，達(dá)到100%的芯片驗(yàn)證。
此外，西門子EDA的Tessent安全解決方案可對(duì)汽車芯片的全生命周期進(jìn)行安全測(cè)試，保證汽車電子芯片的整個(gè)生命周期功能正確至關(guān)重要；另外，Tessent嵌入式解決方案能夠以硬件的速度檢測(cè)、理解并應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)威脅。Symphony數(shù)?；旌向?yàn)證平臺(tái)能為車載系統(tǒng)的SerDes模塊，實(shí)現(xiàn)速度、精度、易用性以及糾錯(cuò)功能方面完美平衡。Calibre PERC可對(duì)原理圖和版圖進(jìn)行各種檢查驗(yàn)證，幫助把關(guān)半導(dǎo)體器件可靠性設(shè)計(jì)的新方法。
芯片設(shè)計(jì)完之后，對(duì)芯片的測(cè)試至關(guān)重要。過去因芯片測(cè)試率不足導(dǎo)致的嚴(yán)重事故不勝枚舉，要實(shí)現(xiàn)零缺陷，對(duì)芯片進(jìn)行100%測(cè)試將是很重要的一點(diǎn)。那么汽車芯片的測(cè)試主要包括哪些測(cè)試呢？從汽車芯片的前期驗(yàn)證到最終量產(chǎn)，測(cè)試主要分為特征化測(cè)試(Char Test)、量產(chǎn)測(cè)試(Production Test)和AEC-Q測(cè)試，其中特征化測(cè)試主要測(cè)試設(shè)備的性能及三溫，量產(chǎn)測(cè)試主要包括屏幕故障部件以及相關(guān)的成本測(cè)試，而AEC-Q主要是質(zhì)量測(cè)試，測(cè)試芯片生命周期和能力。對(duì)汽車零部件進(jìn)行的測(cè)試和檢查越全面，則汽車被召回的可能性越低。
100%檢查對(duì)汽車組裝過程的影響
資料來源：Bruker
零缺陷又可分為致命缺陷和潛在缺陷。致命缺陷會(huì)影響芯片的良率，它們?cè)谛酒环湃胂到y(tǒng)之前就被捕獲了。特別重要的是對(duì)潛在缺陷的識(shí)別，一些芯片可能當(dāng)時(shí)測(cè)試沒問題能正常運(yùn)行，但是在使用期間的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生故障，這也是困擾汽車廠的一個(gè)難題。
要減少或者避免潛在缺陷又是一大工程。減少潛在缺陷是半導(dǎo)體工廠的首要任務(wù)，晶圓廠的環(huán)境空氣、晶圓在其生命周期內(nèi)的環(huán)境以及清潔化學(xué)品輸送路徑中材料的完整性等都將是影響汽車芯片缺陷和可靠性的誘因。再者，對(duì)于測(cè)試廠商來說，能夠更好地檢測(cè)潛在缺陷的計(jì)量工具也將很關(guān)鍵。
此外，要達(dá)到零缺陷，芯片可追溯性是汽車行業(yè)新的協(xié)作方式。芯片可追溯性對(duì)汽車行業(yè)的重要性體現(xiàn)在其在推動(dòng)芯片可追溯性標(biāo)準(zhǔn)方面的核心作用。其好處體現(xiàn)在產(chǎn)量提高、防偽保護(hù)等。但芯片可追溯性的實(shí)施挑戰(zhàn)也很大，主要是IP在硬件供應(yīng)鏈上的保護(hù)問題。自動(dòng)駕駛汽車設(shè)計(jì)只有隨著整個(gè)供應(yīng)鏈的芯片和設(shè)備可追溯性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展才能蓬勃發(fā)展。
3
結(jié)語
汽車行業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)革命，每家汽車芯片相關(guān)的廠商都肩負(fù)起了汽車安全可靠的責(zé)任，因?yàn)槠嚨目煽啃詫⑹加谛酒Ｆ囆酒闳毕莩蔀楫a(chǎn)業(yè)面對(duì)的一大難題，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，汽車芯片從設(shè)計(jì)端就開始考慮避免缺陷，并且在制造和封測(cè)階段對(duì)芯片進(jìn)行充分的檢測(cè)。垂直整合的汽車行業(yè)正在發(fā)生變化，成功將需要整個(gè)價(jià)值鏈的協(xié)作。
