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如何构建汽车芯片

改变标准,严格要求和一系列专业知识使这是一个艰难的市场破解。

先进的电子设备进入汽车设计导致供应链中的大规模中断,直到最近,嗡嗡声悄悄地踩着跑车。

快速推进自动驾驶已经改变了一切。今年,3级自主权将开始击中街道,幕后,正在进行设计SOC.对于等级4.但是这些芯片如何构建,由谁和使用什么知识产权并不总是如此明显。

过去,汽车供应链易于解释。OEM购买了一级供应商的系统和模块。从那里,第1层供应商从芯片公司采购半导体。几十年来,很少发生变化。

“食物链中的每个人都确切地知道设计要求是什么,以及现有技术的局限性,”Tom Wong,营销总监,设计知识产权韵律。“汽车质量和可靠性在现任者中是众所周知的。Nowadays, it’s a different situation due to the rapid change in requirements to support applications like in-vehicle-infotainment, wireless connectivity, various forms of ADAS and ML/AI SoCs that provide the computational needs of image processing, object detection and recognition, sensor fusion, etc. We are witnessing OEMs building out SoC design teams, or outsourcing to ASIC design services, or procuring semiconductor IP directly from IP vendors including CPUs, GPUs and DSP cores as well as security solutions.”

伴随着这些变化,新的参与者也出现了。所有这些公司都在努力在这个有着百年历史、正在经历一些剧烈变化的行业站稳脚跟。

“从初创公司到世纪老人的一切都会考虑自己的知识产权和/或自己的SOC,”高级自治车SoC领导者David Fritz说门托,西门子的一家企业。“我们看到了整个歌剧院。我们看到关于复杂性的公司非常天真,一直到仍然认为这项技术的OEM是他们最后一次尝试在1982年回来的那样。“

添加到这一广泛的技术方法以及一种复杂程度。一些初创公司来自芯片世界并正在使用敏捷方法发展知识产权和uvm.来验证它。还有一些公司在努力增加电子专业知识,但对汽车制造有深刻的了解。

对于传统的汽车供应链来说,将车辆分解为易于解决的小问题已经成为标准的操作程序。但这种方法正在迅速耗尽能量。“当你把一辆汽车分解到刹车控制器和引擎控制器中,这种方法是有效的,”Fritz说。“但当你开始加入ADAS功能、自动驾驶汽车功能、机器学习后的人工智能推理时,整个范式就崩溃了。”

OEM已经取得了重大进展,以建立自己的内部系统开发团队,但仍然存在重大的障碍。在科技产业方面,情况同样挑战。

“oem厂商需要洁净室的方法,因为他们不能有新的团队,他们构建界面的人与他们的供应商合作,或者他们可能会起诉的IP污染,”他说,并指出科技公司有他们自己的问题需要解决。“硅谷的问题在于,当没有人的生命受到威胁时,‘最小可行产品’这整个概念是可行的。任务关键的时候就不那么管用了。人可能会死,我们在特斯拉身上看到了这一点。我们看到优步(Uber)因在亚利桑那州的一场自动驾驶汽车事故中意外死亡而被起诉,这类情况只是因为技术上的原因才得以摆脱。这是因为他们在说,‘让我们把它发布出去吧。这与微软的模式相似,微软的模式是“我们无法对所有产品进行测试”。这太复杂了。让我们把它扔出去,让我们的客户测试它。’但在这里,我们谈论的是比枪支更伤人的东西。”

其他变量
这里有其他动态,例如7nm技术的准备情况。汽车制造商希望利用最先进的铸造工艺为AI,车载信息娱乐,车载网络设计设计汽车SOC。这部分是由于这些先进的性能和功效Finfet.设备,部分原因是长设计周期。因此,而不是使用在五年内过时的28nm芯片,而且这些设计中的许多都在出血边缘开始。

目前尚不清楚这些芯片如何在恶劣的道路状况下票价。这也不清楚这些设计如何受到即将到来的第二版的影响ISO 26262功能安全标准,其中包括第11部分,专门解决半导体和IP的需求。

据Wong称,挑战是实现了质量,可靠性和功能安全性,这是汽车设计的三大支柱。

  • 质量高度依赖铸造工艺和汽车准备金的资格。包括高温香料型号,ESD结构,电迁移分析和缓解,以及老化分析等。它还包括汽车设计规则,如最小间距和宽度,金属厚度,以及双通孔和过度覆盖的推荐。
  • 可靠性与高温操作的设计有关。这就是AEC-Q100温度范围适合的地方。等级2是-40°C到+105°C环境,等级1是-40°C到+125°C环境。最重要的是,功率消耗和硅温度的相对上升(结温度)必须考虑在内,同时还要考虑高温操作寿命(老化)。
  • 功能安全涉及遵守ISO 26262标准和即将到来的版本2,包括专门针对IP和半导体的第11部分。这将需要培训设计团队以了解和熟悉功能安全(Fusa),以便能够与审计员合作,以便获得SOC认证的Fusa合规性。

可调整的
这也是起点。随着更多电子产品被添加到车辆中,汽车需求不断变化。例如,ML / AI芯片可能与GDDR6存储器接口而不是LPDDR4。相机接口可能会留在MIPI DPHY V1.2一段时间内,但可能会在2021/2022迁移到更新的MIPI A-PHY标准。传感器融合可能会驱动车载网络速度到高于1Gbps,因此甚至千兆以太网性能也可能不够。一些设计正在使用40Gbps速度来支持L3 / L4系统所需的带宽要求。

此外,用于汽车的L4/L5 soc可能会迁移到7nm,而不那么复杂的ADAS子系统将在一段时间内保持在16nm。信息娱乐应用将需要从28nm迁移到16nm,特别是当应用将迁移到全4K显示时。

随着汽车半导体景观经过迅速变化,由于汽车工业中的中断,Wong期望传统的应用,如发动机控制单元(ECU),电力电子设备,ABS和主动悬架,以保持更成熟的半导体过程节点。但是,较新的应用程序(如vision子系统(电子镜,向前摄像机,盲点检测,自动化停车等),传感器融合和其他自主驱动芯片都需要更高级的过程。自动驾驶(ML / AI)的芯片将需要最先进和最高的边缘处理节点,并且一旦可用,设计人员将倾向于下一个更精细的几何形状。

这意味着在16nm中设计的IP将不得超过7nm,而不是过去迁移到7nm,并且较新的IP协议的部署也比过去更快。

“所有新的高性能ML / AI SoC都有GDDR6内存接口或HBM2接口,”Wong表示。“LPDDR4将被LPDDR4X替换,并在LPDDR5之后不久。最重要的是,汽车SoC将持续多年,并且预计IP供应商将预计将设计基础10年以上以上,并保持良好的文档,以维持设计可追溯性。这与用于消费者应用程序的IP非常不同。您的智能手机可能持续两到四年,但您的车预计至少持续10年。它可能不再是你的车,但它将是别人的车。目前,美国汽车的平均年龄是11.6岁。“

知识产权问题
选择IP添加了自己的一组问题。有百度等公司开发自己的筹码,传统的半导体供应商,以及博世等一级公司。

“所有这些家伙都处理的事情是有证据表明所遵循的规范,两者都是从知识产权所设计的过程中断,”营销副总裁Kurt Shuler说Arteris IP。“然后,IP是否符合声称的技术安全要求?”

这要求IP客户密切关注其不同的IP提供商。“如果我许可一些IP,我想在销售前明白你有什么,你是如何构建它的,”普罗尔说。“您必须证明哪些证据和工作产品来证明您所做的任何声明?事情可能会很安静一段时间,直到设计团队更接近芯片设计项目的结束,并开始做他们必须计算诊断覆盖和拍摄的工作,也许是一些故障注射来验证,他们所做的一些假设在菲尔达,以及其他活动中。“

知识产权消费者必须确保合适的人士有那些早期对话是必不可少的。

“如果我们的客户或潜在客户有一个不了解功能安全或规范的人,并且只是通过清单盲目地进行,但它向下减速,”普罗尔说。“所以正确的主题专家必须在那里。”

还需要愿意在验证和时间表期间共享有关诊断覆盖范围的信息。同时,IP Integrators需要了解使用IP的假设,因为除非它是纯粹的IP被视为脱离上下文(SEOOC)的安全元素。

Shuler表示:“无论是Arm、Imagination、Synopsys、Cadence还是Arteris的IP,当我们提供一些具有功能性安全声明的IP时,我们都有对客户使用的假设。“例如,使用一块软IP——就像芯片上的网络(NoC)——它会生成RTL,并假设使用它,即‘你将计算自己的FIT率。’这听起来显而易见,但我们不知道你将使用哪种半导体。”

那种细节至关重要。汽车OEM希望了解他们为其系统购买的内容。

“这是通过整个食物链,它全部通过ISO 26262控制,他们已经建立了所有规则和文件,”John Swanson,Ethernet产品线管理器synopsys.IP。“我工作的第一个汽车芯片,没有人甚至问过这个东西。他们必须证明芯片,但他们没有必要证明IP。这显然是改变的。你在芯片上放置了越来越多的IP,它有意义。“

硬vs.软件
但是,OEM只有到目前为止。他们不区分软IP., 例如。

“这是半导体公司的问题,”斯旺森说。“他们为博世和这样的公司提供了要求,其中一些人和他们中的一些人都参与了驾驶标准。例如,占领大陆。他们一直在推高速网络,所以我不认为[OEM]护理。这是一个关于它们是否可以证明所有不同碎片的半导体提供商的问题。“

尽管如此,对硬IP和软IP有不同的要求。“我会争辩IP更容易,因为它不可配置,但仍然是制作ASIL-D Ready Phy的大量工作,例如,”斯旺森说。

这是IP提供商的一个重要问题,骗局指出,因为如果您提供硬IP,“您可以选择提供更多信息。例如,适合率。这是不可能处理软IP。您可以提供所需的所有成分,如果您提供硬IP,您还可以提供用于将该特定块的使用方式提供使用的假设。For instance, if I have a rectangular block and it’s a hard macro and somebody is going to duplicate it, I can put in the assumptions of use such that if you do duplication, you’re going to have the skinny end running east-west for one of them, and the skinny end for the other one running north-south. All those things go into assumptions of use.”

Swanson表示,Seooc方法脱离了软IP的使用。“Bosch or Denso, or whoever would invent some sort of basic infotainment system with software features, wanted to put that in as many different cars as possible so they could certify it in a system as a SEooC such that, ‘We know it’s basically going to go in and do this, but we don’t know details, and you as the manufacturer have to certify the details.’ That’s still true of IP. We certify the IP, and the semiconductor companies have to certify the chips. The Tier 1s have to certify the systems, and the OEMs have to certify the cars, and ISO 26262 documents the whole process. So if something does go wrong, you can go back and trace it, find out where it went wrong, and fix it.”

与此相关的是不同IP集成到汽车SoC中的相互作用。根据ISO 26262,各个部分将被认证,并且在集成到子系统中时,该子系统也需要认证。

Fortunately, the description for exactly how to do this is covered in the second edition of ISO 26262. “Realizing that you are going to have IP from a whole bunch of different vendors, and it’s not just your own created IP, from a micro level, there’s guidance for the individual IP vendors,” Shuler said. “At the macro level, that integrator is responsible for looking at things from the system level. They need to make sure that each IP is implemented according to the assumptions of use, because we’re not going to know what the system level is and the functionality that they’re trying to go after. One of the things that is important, coming from a technical standpoint, is that IP at the RTL level connects through transactional interfaces.”

更复杂
所有这些都增加了成本和复杂性。“除了满足不同的功能安全方面和可靠性标准之外,他们必须与OEM的严格规格符合OEM的顶部,除了满足不同的功能安全方面和可靠性标准之外,营销副总裁Ranjit Adhikary表示克罗斯夫特。“针对汽车行业的公司必须准备投资30%至40%的研发成本,以创建SOC和IPS。”

最重要的是,自动IP开发人员需要满足有助于缩短SoC设计周期的标准,并确保它在子系统和OEM引入的软件中工作。Adhikary说,这包括延迟、功耗、面积、高可靠性和连续运行等考虑因素,以及先进节点的工艺相关设计挑战。“专门为汽车行业开发的IPs还需要能够承受极端条件,如更高的电压、更高的温度、更高的静电放电和更高的测试覆盖目标。”

Coreative公司开发和战略高级副总裁Keith Witek表示,需要在每个设计步骤和阶段进行测试,包括架构,RTL,网表,物理设计,验证,地点和路线- 带走缺陷。如果有故障,还必须确定故障的危险程度。

“由于检测到设计中的这些缺陷,因此必须迭代,修复和记录它们。这是为了获得ASIL评级并遵守ISO 26262,“Witek说。“此认证的问题是”在设计之后,“测试和合规性通常是不可能的。该过程必须以自动升级QUR /验证/验证开始,并且不能在组件级别的末尾固定(尽管有时可以应用软件或系统级别的修复)。已知这些程序可在某些半导体设计中加入多年来。“

从根本上,从IP供应商和知识产权消费者的角度来看,必须追踪IPS的使用,并确保维持所有设计抵押品,Adhikary表示。“对于IP开发人员,跟踪IP及其变体,对每个变体的相关问题及其分辨率,用于测试的环境以及结果,成为必需品。对于IP消费者来说,他们需要跟踪使用IP的位置,如果需要替换所需的IP,用于开发IP的进程节点,以及打开问题(如果有)。对于IP开发人员和供应商来说,有必要具有详尽的IP生态系统,可以管理设计信息和属性的复杂矩阵。“

结论
在汽车行业中开发IP是一种复杂而艰巨的事业。标准正在发生变化,买家来自混合背景,甚至那么它并不确定IP将采用的速度或将在哪里使用。

这不是一个琐碎的事业,而汽车市场可以为实现它的公司支付重大股息,而那么可以明确如何到达那里 - 或者留下什么才能留在那里。

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