半導(dǎo)體工藝迎變局｜5nm芯片進(jìn)入汽車有戲否？

汽車缺芯，技術(shù)迭代，車規(guī)挑戰(zhàn)面對(duì)汽車缺芯，臺(tái)積電剛剛表示，雖然其生產(chǎn)能力目前已滿，但將“優(yōu)化”芯片生產(chǎn)，釋放產(chǎn)能，如果產(chǎn)能開放，將優(yōu)先考慮汽車芯片生產(chǎn)。其聲明中提到：“我們正在與客戶密切合作，并將他們的一些成熟節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到更先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)，以更好的產(chǎn)能支持他們。”不過，消息來源并未提及是什么節(jié)點(diǎn)。

CES 2021上，Ambarella宣布推出CV5 5nm 8K AI視覺處理器SoC，用途包括運(yùn)動(dòng)相機(jī)、無人機(jī)和日益重要的汽車業(yè)務(wù)。據(jù)說它是其內(nèi)部ISP（圖像信號(hào)處理）的最強(qiáng)迭代，除了8K60視頻錄制或四個(gè)獨(dú)立4K視頻流等功能，還具有強(qiáng)大AI功能、新的CPU內(nèi)核，關(guān)鍵在于以三星5LPE（5nm低功耗）節(jié)點(diǎn)制造，承諾了非常低的功耗。果真如此，這可是一個(gè)絕佳賣點(diǎn)！不過，5LPE還是依賴FinFET晶體管，先進(jìn)與否，看下面的分析吧。

近年來，隨著汽車日益電氣化和自動(dòng)化，越來越多的汽車數(shù)據(jù)被數(shù)字化，迫切需要更先進(jìn)的電子器件來處理。在汽車這種極端環(huán)境中，至今7納米芯片的使用也是鳳毛麟角，5納米嘛，剛有廠商做出來，還沒有量產(chǎn)，而未來會(huì)發(fā)生什么呢？我們來看看頭部半導(dǎo)體廠商的大佬們是怎樣看待汽車對(duì)芯片可靠性和工藝提出的挑戰(zhàn)。

汽車是芯片最大新興市場(chǎng)

2015年至2018年期間，汽車市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，隨后伴隨汽車主機(jī)廠退步并重新評(píng)估其目標(biāo)和架構(gòu)，市場(chǎng)大幅放緩。他們并沒有試圖在每輛車上都安裝一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（這在經(jīng)濟(jì)上是不現(xiàn)實(shí)的），而是將重點(diǎn)放在可擴(kuò)展的架構(gòu)上，以處理越來越多的駕駛輔助功能。盡管疫情大流行造成了新車銷售的損失，但這項(xiàng)工作仍在進(jìn)行。

要實(shí)現(xiàn)汽車主機(jī)廠的愿望，唯一途徑是汽車芯片設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，讓計(jì)算能力再上一個(gè)臺(tái)階，因此芯片最大的新興市場(chǎng)之一是汽車。

汽車電子控制單元越來越多

如今，汽車半導(dǎo)體在急劇增長(zhǎng)，因?yàn)橹挥型ㄟ^電子控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)更好的燃油效率、安全性、便利性和更嚴(yán)格的排放控制。豪華車采用了更多的電子組件，更智能和高度集成的電子控制單元（ECU）則需要更多的定制專用集成電路（ASIC）。

芯片工藝創(chuàng)新談何容易

轉(zhuǎn)向先進(jìn)技術(shù)當(dāng)然令人興奮，人們相信一輛車能做自己現(xiàn)在能做的事情，但是用所有計(jì)算來真正模仿人并不容易。從半導(dǎo)體角度講，需要芯片有強(qiáng)大的算力。

但是，作為一種成功的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)，摩爾定律的走勢(shì)開始放緩已是不爭(zhēng)的事實(shí)，可能使之延續(xù)下去還要借助于先進(jìn)IC封裝，比如從2D轉(zhuǎn)向3D封裝，以提升晶體管的集成密度，同時(shí)節(jié)省一些加快摩爾定律進(jìn)程的設(shè)計(jì)和制造成本。

從芯片工藝來看，追求性能的競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)慘烈，主要就是成本的大幅增加，資金投入何止是不菲！在進(jìn)入10納米后，芯片代工行業(yè)的成本壓力越來越大。10納米芯片的開發(fā)成本超過1.7億美元，7納米差不多3億美元，5納米更是在5億美元以上。

還有芯片本身的問題。先看5納米，因?yàn)楹芏嘣蛞恢痹诓捎玫啮捠綀?chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）工藝開始失去動(dòng)力，包括通過細(xì)金屬絲傳輸信號(hào)、絕緣各種元件的較薄電介質(zhì)，以及通過長(zhǎng)形柵極控制電流泄漏的能力都在下降；甚至制造也成了一個(gè)更大的問題，因?yàn)閷?duì)于FinFET，每個(gè)新節(jié)點(diǎn)的鰭（fin）都更高。

PDF Solutions高級(jí)研究員Tomasz Brozek說：“一個(gè)問題是，鰭本身必須更堅(jiān)固，柵極也必須更高。這意味著材料必須進(jìn)行替代，將金屬沉積在溝道內(nèi)部，觸點(diǎn)必須建立在源/漏外延區(qū)。因此外延的生長(zhǎng)需要更深更高，而觸點(diǎn)本身也將圍繞著源極和漏極建立，以降低接觸電阻，這增加了復(fù)雜性?！?

這一點(diǎn)對(duì)汽車市場(chǎng)尤為重要，因?yàn)槿找孀詣?dòng)化的汽車人工智能（AI）部分需要最先進(jìn)工藝所具備的特性。但在汽車惡劣環(huán)境下使用的芯片中，還從來沒有大規(guī)模使用過先進(jìn)節(jié)點(diǎn)工藝，落后手機(jī)等行業(yè)不止一拍兩拍。原因在于，在服務(wù)器機(jī)架中，如果內(nèi)部溫度過高，個(gè)別服務(wù)器可以將負(fù)載轉(zhuǎn)移到其他服務(wù)器。同樣，如果一部智能手機(jī)被放在高溫的車?yán)?，超過一定溫度它就會(huì)關(guān)機(jī)，直到溫度降到預(yù)設(shè)的極限以下才能重啟。汽車內(nèi)的熱量會(huì)對(duì)從內(nèi)存延遲到電路老化加速等所有方面產(chǎn)生很大影響。

OptimalPlus副總裁兼總經(jīng)理Doug Elder說：“在5納米，缺陷和計(jì)量數(shù)據(jù)越來越難以收集。因此，汽車行業(yè)采用5納米的行動(dòng)將要推遲到解決了這些問題之時(shí)。芯片做得如此之小，會(huì)影響獲取晶圓級(jí)數(shù)據(jù)的能力。一方面，可視性——無論是電的還是光的——都會(huì)降低。另一方面，這么小的芯片產(chǎn)生的數(shù)據(jù)太多了，以至于人們不知道該怎么處理這些數(shù)據(jù)。在獲取這些數(shù)據(jù)，或者在某些情況下弄清楚如何處理這么多數(shù)據(jù)方面，問題越來越多。”

5納米的唯一

2020年6月，恩智浦成為首家采用臺(tái)積電5納米工藝技術(shù)的汽車芯片公司，為下一代自動(dòng)駕駛提供高性能安全計(jì)算系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）平臺(tái)。據(jù)稱，臺(tái)積電有望在2021年秋季向恩智浦的主要客戶提供首批樣品。

下一代高性能汽車平臺(tái)功能更多

隨著汽車行業(yè)大規(guī)模并行計(jì)算（高性能計(jì)算和安全計(jì)算并舉）創(chuàng)新的需求，汽車主機(jī)廠必須在其汽車架構(gòu)中應(yīng)對(duì)“爆發(fā)性軟件、極其昂貴的材料清單和更高的安全性”要求。恩智浦N5P（臺(tái)積電5納米技術(shù)增強(qiáng)版）工藝技術(shù)汽車處理平臺(tái)可以增強(qiáng)其架構(gòu)產(chǎn)品，與MobileEye、高通、英偉達(dá)、瑞薩等競(jìng)爭(zhēng)。恩智浦的目標(biāo)是通過提供可以“跨域”使用的統(tǒng)一核心架構(gòu)來“統(tǒng)一軟件基礎(chǔ)架構(gòu)”。

競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Mobileye的EyeQ5采用7納米工藝，據(jù)說EyeQ6可能會(huì)升級(jí)到5納米。Mobileye使用了意法半導(dǎo)體較早的制造工藝，而較新的處理器則使用臺(tái)積電的制造工藝。

在過去一年，臺(tái)積電和恩智浦與5納米汽車級(jí)生態(tài)系統(tǒng)參與者進(jìn)行了很多合作，在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)與IP供應(yīng)商、工具供應(yīng)商和其他提供設(shè)計(jì)支持的供應(yīng)商進(jìn)行更多協(xié)同設(shè)計(jì)。

如果明年的樣品得以成行并量產(chǎn)，才能說恩智浦是汽車半導(dǎo)體公司中首個(gè)采用5納米工藝技術(shù)的公司。在此之前，要使5納米工藝獲得汽車級(jí)和功能安全性資格，還有大量的認(rèn)證工作要做。

恩智浦采用5納米技術(shù)的賣點(diǎn)在于：可以實(shí)現(xiàn)高集成度，同時(shí)降低功耗。前者很容易理解，后者還難以定論，后面馬上分曉。

5納米集體翻車為哪般？

現(xiàn)實(shí)是，實(shí)現(xiàn)5納米大多是吹的，別說車規(guī)，就是手機(jī)用也還存在問題。為什么？因?yàn)?0年前困擾臺(tái)積電和三星的問題又依然故我了。

5納米是目前EUV（極紫外線）光刻機(jī)能實(shí)現(xiàn)的最先進(jìn)芯片工藝，也是智能手機(jī)廠商的重要賣點(diǎn)，2020年下半年，蘋果A14（“一度達(dá)80℃”）、麒麟9000（“發(fā)熱降頻”）、驍龍888（“變身火龍”，810就曾“高燒不退”）等5納米工藝芯片相繼粉墨登場(chǎng)。

汽車芯片千萬不能熱

不過，公開信息顯示，上述芯片無一幸免均被曝實(shí)際功耗不低，發(fā)熱未減，一時(shí)間，5納米芯片集體翻車成為熱議話題。

功耗和發(fā)熱指標(biāo)不好一直是不斷追隨甚至想超越摩爾定律的廠商沒有解決的難題。主要元兇是芯片內(nèi)部的晶體管漏電。進(jìn)入深亞微米制造工藝時(shí)代之前，動(dòng)態(tài)功耗一直是芯片設(shè)計(jì)關(guān)注的焦點(diǎn)，但在深亞微米工藝，動(dòng)態(tài)功耗在總功耗中的比例越來越小，靜態(tài)功耗的比例則越來越大。進(jìn)入納米時(shí)代，漏電流功耗對(duì)整個(gè)功耗的影響變得非常顯著。研究表明，在90納米工藝的電路中，靜態(tài)功耗可以占到總功耗的40%以上。

究其原因，是因?yàn)榧呻娐访恳淮圃旃に嚨倪M(jìn)步，都是通過縮短CMOS晶體管的溝道長(zhǎng)度（微米或納米）實(shí)現(xiàn)的。溝道長(zhǎng)度的不斷縮短，使電源電壓、閾值電壓、柵極氧化層厚度等工藝參數(shù)也在不斷按比例縮小，使短溝道效應(yīng)（SCE）、柵極隧穿電流、結(jié)反偏隧穿電流等漏電流機(jī)制越來越顯著，表現(xiàn)為芯片漏電流功耗不斷上升。更重要的是，漏電流功耗和溝道長(zhǎng)度縮小是一個(gè)數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)的關(guān)系，溝道長(zhǎng)度越來越短，漏電流功耗增加越來越快。

5納米之前，之所以臺(tái)積電、三星和英特爾能抑制漏電流功耗，主要是采用了創(chuàng)新的FinFET，以替代傳統(tǒng)的平面式晶體管。

從平面FET、FinFET到未來工藝的變化

在7納米時(shí)，F(xiàn)inFET技術(shù)已走基本到盡頭，將由環(huán)繞柵極晶體管（GAAFET）接替。但由于技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和成本壓力，頭部代工廠在5納米時(shí)代仍不得不使用FinFET。結(jié)果可想而知，芯片漏電流功耗暴增幾乎抵消了工藝進(jìn)步的紅利。

據(jù)透露，英特爾已計(jì)劃在5納米（接近臺(tái)積電3納米工藝）時(shí)切換到GAAFET，臺(tái)積電則計(jì)劃在3納米后再說，三星為了追上臺(tái)積電，決定在3納米時(shí)就采用GAAFET。不過在GAAFET正式啟用之前，芯片發(fā)熱仍然是一個(gè)問題。另外，每一個(gè)新節(jié)點(diǎn)的數(shù)字邏輯都發(fā)生了微妙的變化，越來越趨向于類似模擬的行為，迫使芯片工程師開始與信號(hào)漂移、噪聲和不同應(yīng)力等問題抗?fàn)帯?

因此，5納米和已規(guī)劃的3納米都增加了新的可靠性挑戰(zhàn)，令汽車應(yīng)用無法承受其重。在3納米，由于許多原因，這些問題的數(shù)量和嚴(yán)重程度還不太清楚。

那么，恩智浦成首家采用5納米汽車芯片公司又從何而來呢？莫非還有獨(dú)門絕跡？對(duì)此，業(yè)界觀察人士對(duì)于恩智浦的新平臺(tái)到底是什么樣子仍然有點(diǎn)困惑。The Linley Group高級(jí)分析師Mike Demler指出，不管工藝節(jié)點(diǎn)是什么，這都是一個(gè)有趣的消息，他說：“恩智浦的汽車平臺(tái)非常廣泛，5納米技術(shù)并不適用于所有平臺(tái)?！?

巨大的挑戰(zhàn)和誘惑

Solutions高級(jí)解決方案副總裁Dennis Ciplickas認(rèn)為：“別說5納米，像7納米這樣的先進(jìn)技術(shù)都存在一些問題。我們已經(jīng)看到7納米芯片中發(fā)生的問題——不同類型的變化、生產(chǎn)線可能出現(xiàn)的缺陷以及工藝模塊之間的所有交互。測(cè)試方式、使用的故障模型、診斷和發(fā)現(xiàn)缺陷以及構(gòu)建理解這些因素的功能安全性是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。我們是在朝著自動(dòng)駕駛的方向前進(jìn)，我們最終會(huì)到達(dá)那里。但是，考慮到先進(jìn)技術(shù)的表現(xiàn)方式，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要進(jìn)行的創(chuàng)新是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，也是一個(gè)巨大的機(jī)遇?！?

困則思變，即便是芯片行業(yè)長(zhǎng)期以來的發(fā)展趨勢(shì)，也可能會(huì)陷入劇變。先進(jìn)節(jié)點(diǎn)半導(dǎo)體的一些最大消費(fèi)者也開始自研芯片，其中包括蘋果、谷歌、亞馬遜、Facebook和阿里巴巴等，都試圖通過軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、獨(dú)特的架構(gòu)、混合使用加速器和各種類型的處理器和內(nèi)存來實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)的性能改進(jìn)。

芯片消費(fèi)大戶搶占芯片制高點(diǎn)

最近由主機(jī)廠（如特斯拉）驅(qū)動(dòng)的芯片開發(fā)已開始證明，高度自動(dòng)化的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能。不使用市場(chǎng)上現(xiàn)有的芯片，轉(zhuǎn)而采用專門構(gòu)建的SoC定制的系統(tǒng)需求可以產(chǎn)生巨大的差異。汽車行業(yè)已經(jīng)意識(shí)到，對(duì)于高度自動(dòng)化駕駛，主機(jī)廠和Tier 1需要在SoC架構(gòu)的定義中發(fā)揮更積極的作用。他們正試圖將高性能專用SoC或系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）全部集成在單個(gè)芯片，而不是PCB上滿足功能集、每瓦特性能、安全性等要求。

特斯拉自研芯片的全自動(dòng)駕駛計(jì)算機(jī)

不過，近日有報(bào)道稱，特斯拉正在為新型4D全自動(dòng)駕駛（FSD）開發(fā)下一代硬件HW4，而三星電子正在為特斯拉開發(fā)5nm芯片。看來自研也有問題。

在此之前，國(guó)內(nèi)一些主機(jī)廠已在蠢蠢欲動(dòng)。蔚來汽車董事長(zhǎng)兼CEO李斌在接受采訪時(shí)表示：“自研自動(dòng)駕駛芯片并不難，比手機(jī)芯片容易?！钡言炝诵镜牡仄骄€創(chuàng)始人兼CEO余凱的話已撂在那里：“到今天為止，全球車企中真正自研芯片的只有特斯拉一家，其他的或許只是聲音。就像智能手機(jī)，真正自研芯片的很少，絕大部分還是走分工協(xié)作的道路，專業(yè)分工才能帶來效率。雖然也有一些手機(jī)廠商嘗試過研發(fā)芯片，但都不很成功。最后他們都用了高通和聯(lián)發(fā)科的芯片。我認(rèn)為，專業(yè)化的分工可以帶來效率，專業(yè)的人干專業(yè)的事?！?

的確，研發(fā)自動(dòng)駕駛芯片要比手機(jī)芯片更難，就說滿足車規(guī)這一條就夠研發(fā)者喝一壺的。至于車規(guī)AI芯片，用余凱的話說“必須是世界級(jí)的AI算法公司”才玩得轉(zhuǎn)。簡(jiǎn)單的芯片或許可以，但也沒有自己造的必要，而復(fù)雜的芯片更不是一朝一夕能夠?qū)崿F(xiàn)的。

值得一提的是，地平線的車規(guī)AI芯片征程3 SoC還是16納米工藝；而即將推出、預(yù)計(jì)量產(chǎn)在2022年下半年的征程5并未提及工藝節(jié)點(diǎn)；計(jì)劃當(dāng)中的征程6將采用車規(guī)級(jí)7納米工藝，工程樣片的推出時(shí)間是2023年。由此可見，國(guó)內(nèi)車規(guī)級(jí)SoC的節(jié)點(diǎn)并不先進(jìn)。

所有新技術(shù)都將極大地增加芯片的復(fù)雜性，這可能需要利用最新的工藝節(jié)點(diǎn)。雖然高端汽車SoC已經(jīng)采用7納米設(shè)計(jì)，但一些公司已經(jīng)在準(zhǔn)備下一代5納米先進(jìn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。代工廠聲稱，5納米提供了大約20%的速度或大約40%的功率降低，是非常適合下一代汽車的處理器。

其影響尚待評(píng)估，但成功模式可能會(huì)發(fā)生重大變化。Xilinx總裁兼首席執(zhí)行官Victor Peng說：“不可否認(rèn)的事實(shí)是，2021年隨著5納米的投產(chǎn)，剩下的提供高性能產(chǎn)品的半導(dǎo)體廠商將把3納米產(chǎn)品的開發(fā)成本內(nèi)部化（納入產(chǎn)品成本）?！?

汽車要求非同一般

汽車帶來了一系列嚴(yán)格的要求，既有行業(yè)驅(qū)動(dòng)的要求（ISO 26262和ASIL A、B、C、D），也有主機(jī)廠驅(qū)動(dòng)的要求（18年零缺陷），這對(duì)整個(gè)行業(yè)產(chǎn)生了影響。

Mixel總裁兼首席執(zhí)行官Ashraf Takla說：“從需求和我們需要做的事情來看，這種變化真的很驚人。就像一個(gè)新的生態(tài)系統(tǒng)從零開始誕生，每個(gè)人都在學(xué)習(xí)，真的沒有專家。每年都有新的要求，我們需要做新的仿真，我們需要遵循更多的規(guī)則?！?

他說：“對(duì)于消費(fèi)電子產(chǎn)品，缺陷率通常是3西格瑪。對(duì)于汽車來說是5西格瑪或6西格瑪。幸運(yùn)的是，這一切并不是一夜之間發(fā)生的。但它將在2021年和未來幾年繼續(xù)存在?！?

又想起了摩托羅拉

由于新材料、新晶體管結(jié)構(gòu)的引入以及這些芯片在安全和任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用中的預(yù)期用途，確保芯片在5納米和3納米下的可靠性變得越來越困難。

在汽車這樣的熱、振動(dòng)和其他物理效應(yīng)所致應(yīng)力不能完全預(yù)測(cè)的應(yīng)用中，挑戰(zhàn)變得更加復(fù)雜。動(dòng)態(tài)功率密度的大幅提高，會(huì)影響老化模型的更多物理效應(yīng)，5納米以下數(shù)字電路開始表現(xiàn)得更像模擬電路，會(huì)受到一系列模擬問題的影響，這些問題在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中從未被重視過。

隨著設(shè)計(jì)的獨(dú)特性越來越強(qiáng)，這種復(fù)雜性變得更大。這些設(shè)計(jì)中的許多都是異構(gòu)的，并且包括一些AI/ML/DL版本，這增加了潛在缺陷對(duì)芯片功能影響的不確定性。

隨著芯片變得越來越密集，在關(guān)鍵應(yīng)用中的使用越來越多，在可以被替換之前，它們必須持續(xù)工作，即使性能不是最佳。這是汽車ISO 26262的基本原則之一，在汽車領(lǐng)域，器件需要正常地進(jìn)行故障切換，無論是切換到完全冗余的電路還是車輛的另一個(gè)器件或模塊。

可靠就好

電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛汽車的蓬勃發(fā)展正受到汽車行業(yè)普遍存在的嚴(yán)格安全法規(guī)的影響，對(duì)于芯片制造商來說尤其如此，他們必須在實(shí)現(xiàn)更高性能的同時(shí)，讓產(chǎn)品具有汽車合規(guī)性以及獨(dú)特的高可靠性。如果能做到這一點(diǎn)，采用更高工藝節(jié)點(diǎn)當(dāng)然是整個(gè)行業(yè)的期盼！

對(duì)于中國(guó)廠商，時(shí)間更為緊迫，如余凱所說：“未來三年，是最關(guān)鍵的時(shí)間窗口，如果中國(guó)品牌在芯片和操作系統(tǒng)上不能夠拿到中國(guó)智能汽車市場(chǎng)的前兩名，我認(rèn)為我們就基本上出局了?！边@就是我們要面對(duì)的現(xiàn)實(shí)！