智能汽車芯片設(shè)計及制造過程

引 言

汽車產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷前所未有的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，汽車從功能性代步工具逐步演變?yōu)?a href="http://www.wenjunhu.com/v/" target="_blank">智能化移動空間，汽車電子架構(gòu)也由傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)向中央計算平臺架構(gòu)演進(jìn)。智能汽車對芯片的需求量也由傳統(tǒng)汽車的300-500顆激增至現(xiàn)在的2000-3000顆左右，它們應(yīng)用于汽車上的感知、交互、通信、控制、存儲等等不同的場景，可以說，智能汽車的方方面面都離不開車規(guī)級芯片的支持，那這塊承載著十億甚至數(shù)百億的晶體管的芯片，是怎么被設(shè)計制造出來的呢？本文將為你揭秘一款性能優(yōu)秀的智能汽車芯片設(shè)計及制造過程。

一般來說，一顆智能汽車芯片制作完整過程包括：芯片設(shè)計、晶圓制造、芯片封裝、芯片測試等4個主要環(huán)節(jié)。

芯片設(shè)計

芯片設(shè)計既是一門藝術(shù)，也是一項工程壯舉 ，它是設(shè)計創(chuàng)意和仿真驗證過程，代表了人類智慧的最高結(jié)晶，在指甲蓋大小的空間里，集成數(shù)十億甚至上百億的晶體管，如此龐大而精密的工程，從設(shè)計階段開始就需要做好規(guī)劃，畫好“版圖”。這塊的設(shè)計又可分IC定義設(shè)計、系統(tǒng)級設(shè)計、前端設(shè)計和后端設(shè)計4大過程。

IC定義設(shè)計

在芯片設(shè)計之前，產(chǎn)品部門需要確定市場產(chǎn)品定位，工程師需要做好芯片產(chǎn)品的需求分析、完成產(chǎn)品規(guī)格定義，確定性能與功能目標(biāo)即設(shè)計規(guī)格參數(shù)，相信大家都希望設(shè)計出跟別家不一樣的、有賣點的產(chǎn)品，因此如何設(shè)計出具有差異化的芯片是開發(fā)者設(shè)計工作中的重中之重。例如：一顆芯片需要多少TOPS的算力，是否要支持低功耗，功能模塊之間的接口定義，系統(tǒng)需要遵循的什么車規(guī)及信息安全等級，芯片要實現(xiàn)的各種功能、工藝、面積、性能、封裝等。

架構(gòu)設(shè)計

在前期的規(guī)格定義下，我們再來明確架構(gòu)與算法設(shè)計、創(chuàng)建或購買知識產(chǎn)權(quán) (IP) 塊、業(yè)務(wù)模塊、供電等系統(tǒng)級設(shè)計，例如CPU、GPU、NPU、ISP、RAM、總線、接口等。芯片設(shè)計還需要考量綜合要素，從系統(tǒng)交互、功能、成本、功耗、性能、安全等角度出發(fā)，確保芯片最終能實現(xiàn)各方面的平衡。

前端設(shè)計

工程師根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計確定的方案，針對各模塊開展具體的電路設(shè)計，使用專門的硬件描述語言（Verilog或VHDL），對具體的電路實現(xiàn)進(jìn)行RTL（Register Transfer Level）級別的代碼描述。前段設(shè)計包含SOC設(shè)計、IP設(shè)計、仿真驗證、FPGA原型驗證、綜合和形式驗證等流程。確保設(shè)計能夠滿足系統(tǒng)的功能性能等指標(biāo)要求，并將最終設(shè)計的代碼轉(zhuǎn)換為邏輯電路。

圖 電路原理圖

后端設(shè)計

后端設(shè)計是先基于網(wǎng)表，在給定大小的硅片面積內(nèi)，對電路進(jìn)行布局（Floor plan）和繞線(Place and Route)，再對布線的物理版圖進(jìn)行功能和時序上的各種驗證(Design Rule Check、Layout Versus Schematic等)，后端設(shè)計也是一個迭代的流程，驗證不滿足要求則需要重復(fù)之前的步驟，最終生成用于芯片生產(chǎn)的GDS(Geometry Data Standard)版圖。包含CTS（時鐘樹綜合）、P&R（布局布線）、STA（靜態(tài)時序分析）、LVS（一致性驗證）等。

晶圓制作

智能汽車芯片GDS版圖設(shè)計好以后，就要開始制作芯片了，這一步就是我們利用人類智慧的結(jié)晶”點沙成金”的過程。

提純：將普通的沙子/石英經(jīng)過脫氧提純以后的得到含硅量25％的二氧化硅，再經(jīng)由蒸餾和化學(xué)還原等工藝得到純度高達(dá)99.999999999%，即11個9的單晶硅，才符合晶圓制作的標(biāo)準(zhǔn)。

晶棒制造：把多晶硅或者無定型硅在熱場受控的熔爐里進(jìn)行提煉，在里面投入單晶硅晶種，硅會在晶種上不斷附著生長，按照一定的旋轉(zhuǎn)速度、提拉速度等進(jìn)行提拉，硅被拉出來后逐步冷凝后形成一個圓柱狀單晶硅硅棒。

切 片：將晶棒橫向，采用環(huán)狀、其內(nèi)徑邊緣鑲嵌有鉆石顆粒的薄片鋸片切成厚度基本一致的晶圓片，一個個的“硅片“就出現(xiàn)了。

光 刻：把芯片的設(shè)計圖紙雕刻在掩模板上，然后硅片表面涂上光刻膠，把兩者放到***里，***發(fā)射紫外線，通過掩模板將電路圖案投射到光刻膠上，此時被紫外線照射的光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，接下來使用化學(xué)試劑將未被紫外線照射過的光刻膠洗掉，這樣電路圖案被留了下來。

刻蝕，離子注入：在完成圖案轉(zhuǎn)移后，高能離子源將離子注入到硅片表面來提高導(dǎo)電度。離子注入完成后，進(jìn)行薄膜沉積和刻蝕，在這個環(huán)節(jié)中，會使用化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）等技術(shù)，在硅片表面形成一層薄薄的金屬薄膜，通常是銅，用于連接晶體。再涂上一層光刻膠，曝光，顯影，電鍍，清洗，接著不斷重復(fù)以上的步驟，像蓋樓那樣一層層搭建，一顆芯片的內(nèi)部線路復(fù)雜程度堪比一座城市。

芯片封裝

把晶圓上的芯片切割下來，得到獨立的芯片，這個時候其實還不能叫做芯片，是封裝之前的裸芯片或裸片，英文一般叫做DIE，晶?！，F(xiàn)階段芯片無法與外界交換電信號，容易受到外界沖擊而損壞。將Die固定在封裝基板上，與封裝基板的電路連接起來，以實現(xiàn)電路連通。在封裝基板上加蓋一層保護殼，以保護芯片免受外界環(huán)境的影響，一顆芯片就此誕生。

芯片測試

當(dāng)然，一顆芯片在交付給客戶之前，還需要經(jīng)歷嚴(yán)格的測試環(huán)節(jié)， 將制作好的芯片進(jìn)行點收測試，檢驗芯片是否可以正常工作，以確定每片晶圓的可靠度與良率，通常封裝前要先測試，將不良的芯片去除，只封裝好的芯片，封裝后還需要測試，以明確封裝過程是否有問題。這些測試在晶圓生產(chǎn)和封裝階段都會去做，包含功能測試，性能測試，可靠性測試等，確保每一顆芯片都是安全、可靠的芯片。

車規(guī)級芯片的特點及難點

智能駕駛芯片，完成以上的設(shè)計和制作還不夠，作為在智能汽車上搭載的芯片，還需要經(jīng)過車規(guī)級別的嚴(yán)苛可靠認(rèn)證。汽車發(fā)動機起動的那一刻開始就得在酷熱的夏季和嚴(yán)寒的冬夜里工作。由于芯片應(yīng)用于車載場景，所以要保障在極寒、極熱、極干、極潮等極端環(huán)境下也能保持正常運轉(zhuǎn)，舉例說，一般我們手機里面用到的這種消費級芯片，極限工作溫度范圍是-20℃-70℃，所以冬天在我國東北極寒戶外環(huán)境下手機就可能發(fā)出錯誤的信息或干脆關(guān)機，就是因為工作溫度低于芯片能承受的溫度范圍了，這在車規(guī)級系統(tǒng)中是無法容忍。所以汽車工程師要確保從儀表集群，導(dǎo)航屏幕到高級駕駛員輔助系統(tǒng)以及自動駕駛傳感器，芯片等所有零部件都能滿足嚴(yán)苛要求。智能汽車芯片要求在-40到105度的極寒高溫惡劣環(huán)境中正常使用，并且還能經(jīng)受各種物理性沖擊的測試，除了嚴(yán)苛的極端環(huán)境以外，車規(guī)級芯片需要具備以下特點：

物理化學(xué)特性需要穩(wěn)定：一般車輛工作環(huán)境變化較大，特別是環(huán)境比較差的地方，一般需要考慮濕度、粉塵、鹽堿、霉變、高低溫交替、震動、沖擊等因素對控制器的影響。

抗干擾性：由于車輛上面的電子器件，傳感器及各種通信線束，這對車規(guī)級芯片的ESD靜電、EFT群脈沖、RS傳導(dǎo)輻射、EMC、EMI等要求都是非常高。

壽命長：與手機相比，車規(guī)級的芯片一般要求具備較長的工作壽命，一般為15年或50萬公里的設(shè)計壽命。

故障率：車規(guī)級芯片的故障率需要達(dá)到PPM-PPB-0，故障率相比其它產(chǎn)品要求較嚴(yán)格。

供貨周期：目前車規(guī)級芯片，考慮到車型的生命周期及售后服務(wù)等因素，一般都是10年，供貨周期長。

產(chǎn)品一致性：由于車輛是大量批量生產(chǎn)，且影響生命安全，因此在芯片一致性方面，無論是產(chǎn)線認(rèn)證，產(chǎn)線一致性，原材料/生產(chǎn)/封裝溯源等要求都是非常嚴(yán)格。

滿足以上要求外，相對于消費者級別的同類產(chǎn)品而言，我國對汽車系統(tǒng)規(guī)范和測試方法提出了更嚴(yán)格的要求。業(yè)內(nèi)普遍熟知的AEC-Q100是基于應(yīng)力測試來做的集成電路可靠性鑒定，通過AEC-Q100測試，說明該芯片在車載應(yīng)用環(huán)境下需要至少能工作15年以上不損壞。而ISO26262認(rèn)證，則是全面規(guī)范汽車零部件以及芯片功能安全的基本規(guī)則，功能安全強調(diào)的是保障功能正常，不會出現(xiàn)突發(fā)問題，能夠安全執(zhí)行，是能力層面的保障，除了關(guān)注控制隨機硬件失效外，還關(guān)注避免系統(tǒng)性失效的發(fā)生。以上兩個“準(zhǔn)考證”拿到之后，才能算是一顆真正的智能駕駛芯片，才有資格投放市場去接受客戶后續(xù)真正的考驗。

黑芝麻智能團隊，不忘初“芯”，從2016年成立開始，已經(jīng)設(shè)計開發(fā)了華山系列高性能的SoC，其中華山二號A1000系列芯片于2020年6月正式推出，并于2022年實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，A1000系列專為L2-L3級別自動駕駛而設(shè)，已取得AEC-Q100 2級及ISO26262 Grade B認(rèn)證并符合多項車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，能夠覆蓋更多應(yīng)用場景?；贏1000系列芯片，黑芝麻智能提供業(yè)界首批可量產(chǎn)搭載單SoC芯片的高性價比行泊一體方案，為行業(yè)提供高價值和極具成本優(yōu)勢的芯片協(xié)同方案，目前已獲得15+車型定點，搭載華山系列芯片的量產(chǎn)車將陸續(xù)發(fā)布。同時黑芝麻智能通過多年汽車行業(yè)及芯片領(lǐng)域的積累到的經(jīng)驗和技術(shù)，創(chuàng)新性推出業(yè)內(nèi)首個智能汽車跨域計算芯片平臺-武當(dāng)系列C1200智能汽車跨域計算芯片，為中國汽車智能化的下一個創(chuàng)新和超越貢獻(xiàn)“芯”力量。

審核編輯：湯梓紅