21IC訊 在中文里,“火候”一詞的使用并不局限在廚房,更能用來評價處世的修養(yǎng),以及為人的境界。
而在芯片制造領(lǐng)域,也是如此。
小小的芯片,看似簡單,卻充滿了科技之道。只有真的懂得制造工藝與應(yīng)用原理,了解每一顆芯片生產(chǎn)背后的艱辛,才能看懂制造商從小處用心的美好。
晶圓制造與未來汽車
在強大的半導(dǎo)體技術(shù)推動下,許多曾被認為屬于科技幻想的汽車功能正不斷被開發(fā)出來,例如先進的駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)正在為自動駕駛汽車鋪平道路??梢赃@么說,汽車電子業(yè)務(wù)發(fā)展緩慢、后續(xù)乏力的情況已經(jīng)一去不返了。
總體而言,從現(xiàn)在到2023年,汽車應(yīng)用半導(dǎo)體市場預(yù)計將出現(xiàn)7%的復(fù)合年增長率,市場價值將從350億美元增加到540億美元。在ADAS/自動駕駛/車載信息娛樂系統(tǒng)(IVI)/電動汽車動力總成(EV Powertrain)/安全性等應(yīng)用的推動下,每輛汽車中所包含的半導(dǎo)體芯片價格,將從2017年的375美元增長到2025年的613美元。在此期間,最具代表性的ADAS應(yīng)用領(lǐng)域?qū)㈩A(yù)計會出現(xiàn)CAGR猛增的現(xiàn)象,達到19%。
然而即使這樣,在大多數(shù)人的印象中,汽車電子與晶圓代工廠之間的關(guān)系似乎并不緊密。不過,最近兩則與格芯(Global Foundries)相關(guān)的新聞,正在改變?nèi)藗兊倪@一傳統(tǒng)觀念。
5月23日,格芯宣布22nm FD-SOI(22FDX)技術(shù)平臺通過AEC-Q100(2級)認證,準備投入量產(chǎn)。這意味著,作為AEC-Q100汽車標準的一部分,格芯22FDX技術(shù)的能力已經(jīng)得到驗證,能夠滿足汽車市場嚴格的質(zhì)量和性能要求;另一則消息則來自中國,5月18日,第八屆松山湖中國IC創(chuàng)新高峰論壇上,由中國公司設(shè)計,基于芯原(VeriSilicon)VIP8000架構(gòu)的全球第一顆對標Level-4的基于多傳感器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片,采用GF 22FDX工藝制造,已于今年4月成功流片。
格芯在ADAS與自動駕駛領(lǐng)域的技術(shù)儲備
IP、工藝與服務(wù),一個都不能少
提到格芯的汽車電子業(yè)務(wù),2017年推出的AutoPro服務(wù)包是一個繞不開的話題。這種服務(wù)包提供所有格芯汽車技術(shù)都具備的體驗、質(zhì)量和可靠性,以質(zhì)量系統(tǒng)準備就緒、技術(shù)平臺準備就緒和運行準備就緒三種核心技術(shù)為支柱構(gòu)建,完全滿足汽車行業(yè)嚴格的質(zhì)量和可靠性要求,幫助汽車制造商利用芯片的力量,邁入“智能互聯(lián)”的新時代。
格芯面向汽車的功能
先讓我們花點時間簡單了解一下AutoPro服務(wù)包里所包含的相關(guān)技術(shù):
面向汽車的嵌入式存儲器
格芯130nm至22nm技術(shù)平臺提供了廣泛的嵌入式存儲器解決方案,例如嵌入式磁阻性RAM(eMRAM)和嵌入式閃存(eFlash),這些存儲器解決方案能夠滿足2級到0級汽車市場的要求。
CMOS毫米波雷達
40nm和22FDX CMOS毫米波解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)存儲器、DSP、模擬和RF的片上系統(tǒng)集成,借此優(yōu)化ADAS解決方案的成本和復(fù)雜性,特別適合短距離側(cè)面/尾部以及中距離前視雷達。22FDX全耗盡SOI可以比肩SiGe RF性能,適合長距離雷達,具備CMOS的集成優(yōu)勢,并因CMOS獨特的背柵極偏壓功能實現(xiàn)了超低功耗。
SiGe BiCMOS
SiGe BiCMOS解決方案憑借經(jīng)由SiGe HBT實現(xiàn)的出色VCO相位噪聲、更高的PA輸出功率和效率,為汽車ADAS雷達RFIC提供出色性能,非常適合長距離前視77GHz ADAS雷達。
RF SOI
45RFSOI部分耗盡型式SOI技術(shù)采用以RF為中心的厚金屬層后端,此后端被置于含有大量阱的高電阻率襯底上,幫助實現(xiàn)低損耗和出色的諧波性能。它是面向低延遲、新一代V2V和V2X應(yīng)用的理想解決方案。該技術(shù)提供出色的RF性能,具備先進CMOS的集成優(yōu)勢。
動力解決方案
130nm BCD工藝支持客戶為電動、混合動力和內(nèi)燃機汽車內(nèi)的多個模塊提供單芯片解決方案。符合1級和0級汽車標準的工藝,適用于電池管理、電池監(jiān)測、頭端PMIC。其80V器件具備轉(zhuǎn)變成100V器件的路線圖(適用于48V混合規(guī)格),NVM (eFlash)解決方案則可用于獲取與電池使用時間和健康狀況有關(guān)的實時信息。
Autopro服務(wù)包解決方案的重要性,在于它使得格芯在全球的每一個代工廠,無論是德國德累斯頓、紐約馬耳他,還是新加坡,甚至包括中國成都工廠,也無論他們采用何種制程工藝(新加坡的180nm、130nm、55nm、40nm成熟工藝,或是紐約馬耳他廠的14LPP/12LP/7LP FinFET,或是德累斯頓工廠的22納米FD-SOI技術(shù)),都能夠提供通過車規(guī)認證的多種汽車客戶模塊化平臺。
比起其他市場的客戶,汽車客戶對質(zhì)量和可靠性的要求更高,這無可厚非,因為我們都知道,汽車和卡車在使用周期內(nèi),無論是在何種天氣、道路條件和交通條件下,都必須正常運行,因此“IATF16949認證”的重要性不言而喻。
IATF16949認證是保證整個生產(chǎn)過程處于可控、可追溯狀態(tài)的信心源頭,能向客戶保證格芯在汽車級IC的生產(chǎn)、測試、篩選等環(huán)節(jié)均處于零缺陷狀態(tài),這是汽車客戶非常在意的指標。目前,格芯位于德累斯頓的Fab 1晶圓廠已經(jīng)完成了首次全面的IATF16949/ISO9001核查,這表明工廠的質(zhì)量管理系統(tǒng)符合汽車生產(chǎn)要求,汽車客戶可以從格芯的平臺上面獲取符合車規(guī)的IC產(chǎn)品。
為不同的應(yīng)用選擇正確的工藝
與其它晶圓代工企業(yè)不同,格芯在FD-SOI和FinFET這兩個領(lǐng)域都有布局。我們始終認為,在22FDX的生產(chǎn)工藝中,它的掩膜工藝成本和復(fù)雜度要比14nm FinFET低不少,RF器件所需的基體偏壓(Body Bias)又很難用FinFET工藝來做。因此,考慮到可以在功耗、性能和成本方面提供實時的權(quán)衡,F(xiàn)D-SOI將是打造“具備連接能力的新型嵌入式系統(tǒng)所需的理想技術(shù)”,物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、5G和先進駕駛輔助系統(tǒng)ADAS是最為適于導(dǎo)入FD-SOI技術(shù)的市場領(lǐng)域。而在設(shè)計具有最高處理性能的芯片時,采用像FinFET這樣先進的CMOS技術(shù)則更為適合。
格芯面向汽車SoC市場的產(chǎn)品路線圖
那么,如何為不同的應(yīng)用選擇正確的工藝?
跟客戶進行深入的交流,充分了解他們的產(chǎn)品需求,是格芯一貫堅持的做法。如果有客戶想做高性能處理芯片,格芯就會推薦他們使用FinFET工藝;如果只想做一個雷達收發(fā)器,那么硅鍺工藝就足夠了;如果想做一個高分辨率雷達,22FDX工藝則更加合適。而且,在制定方案的同時,格芯還會根據(jù)不同的工藝給出相應(yīng)的PPA分析報告,方便客戶做出正確的選擇。
以汽車雷達為例,目前77-86GHz的中/長距離汽車雷達的射頻部分通?;诠桄N工藝,數(shù)字部分基于180nm和130nm CMOS工藝,芯片整體處理能力不強。與之相比,格芯22FDX技術(shù)則能夠提供更出色的毫米波(mmWave)性能和數(shù)字密度,使得基于22FDX的雷達傳感器能夠提供更高的分辨率和更低的延遲,且總系統(tǒng)成本非常低。很快我們就會看到有客戶展示基于22FDX技術(shù)所構(gòu)建的雷達成像芯片組,此芯片組能夠檢測300米范圍內(nèi)的物體,且具備分辨率極高的寬視場。
而在77GHz短/中距離雷達模塊的開發(fā)中,有客戶采用的則是格芯成熟的CMOS工藝技術(shù)來開發(fā)。該模塊將微控制器、數(shù)字信號處理器、SRAM和閃存和支持組件集成于電路板上,用于替代更大型的雷達陣列。
當然,雷達只是汽車半導(dǎo)體應(yīng)用中的一種。動力總成控制是另外一種。在近期舉辦的嵌入式世界大會中,Silicon Mobility展示了其公司的現(xiàn)場可編程控制單元(FPCU),用于控制電動和混合汽車的動力總成。該單元采用格芯的55LPx CMOS技術(shù)進行構(gòu)建,能夠?qū)崟r處理和控制傳感器及致動器,在單個半導(dǎo)體(符合安全標準ISO 26262 ASIL-D)中,與標準CPU連接。
由此獲得的功能更強大、更靈活、更安全的架構(gòu),可以提升電動和混合汽車動力總成的控制力和性能。通過在硬件而非軟件中快速實施復(fù)雜的動力總成控制算法,大幅節(jié)省了能源,并延長電池的使用壽命。根據(jù)Silicon Mobility的反饋,F(xiàn)PCU可以將電動和混合汽車的行駛范圍擴大32%。
目前,對空調(diào)、引擎和油路系統(tǒng)進行控制的MCU、短/中/長距離雷達、針對電動/混合電動汽車的電源管理IC、以及用于ADAS/自動駕駛的高性能處理器,占據(jù)了格芯汽車電子業(yè)務(wù)的前幾位。從我們自己的觀察來看,中國汽車客戶更傾向于做視覺和自動駕駛處理芯片,歐洲市場比較大的應(yīng)用來自微控制器、傳感器、攝像頭和激光雷達,美國則以激光雷達和自動駕駛解決方案最具代表性。
中國是一個很有趣的市場,國際市場里有30%的供應(yīng)商都來自中國。但很多中國tier 1的車廠,卻還是從比較大型的車用器件公司采購標準的雷達或者處理器芯片,這是目前的現(xiàn)狀。不過,格芯仍然相當看好中國層出不窮的創(chuàng)新方案,將視頻監(jiān)控領(lǐng)域所涉及的視覺系統(tǒng)經(jīng)驗運用到汽車領(lǐng)域就是其中一例。除了提供包括MIPI接口、Can Bus等在內(nèi)的IP整體解決方案外,通過在中國成立設(shè)計中心,幫助客戶更好的利用格芯平臺,更是我們的優(yōu)先戰(zhàn)略。