ACES變革帶動(dòng)EEA升級(jí)，汽車半導(dǎo)體面臨前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）隨著文遠(yuǎn)知行WeRide GXR和特斯拉Cybercab等一系列Robotaxi（無人駕駛出租車）的發(fā)布，ACES（自動(dòng)駕駛、智能互聯(lián)、電氣化和共享出行）這四大關(guān)鍵趨勢(shì)在汽車行業(yè)已經(jīng)完全顯現(xiàn)。

ACES變革蘊(yùn)含著巨大的市場(chǎng)機(jī)遇，以近期熱門的Robotaxi為例 ，其是ACES變革下的代表作。根據(jù)Frost & Sullivan的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，2025年全球Robotaxi市場(chǎng)規(guī)模約為2.9億美元，2030年達(dá)到666億美元，2035年將一步增長(zhǎng)到3526億美元。

數(shù)據(jù)來源：Frost & Sullivan，電子發(fā)燒友網(wǎng)制圖

當(dāng)然，挑戰(zhàn)總是和機(jī)遇并存，作為ACES變革的核心推動(dòng)力，汽車SoC（片上系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)復(fù)雜性正日益提升，給設(shè)計(jì)人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)。一個(gè)好消息是，作為BMBF資助的VE-VIDES項(xiàng)目的一部分，新思科技和CARIAD正在積極推動(dòng)這場(chǎng)變革，用更高質(zhì)量的EDA工具、IP解決方案，幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)質(zhì)量、功能安全、可靠性和軟件安全方面的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

ACES關(guān)鍵趨勢(shì)下

汽車芯片設(shè)計(jì)的趨勢(shì)、挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)之策

ACES變革讓汽車功能實(shí)現(xiàn)發(fā)生了明顯的變化，傳統(tǒng)分立式系統(tǒng)和軟硬件獨(dú)立開發(fā)的模式已經(jīng)明顯不適應(yīng)當(dāng)下的節(jié)奏，中央集成式EEA（電子電氣架構(gòu)）和軟件定義硬件（也稱：軟件定義汽車）成為ACES功能實(shí)現(xiàn)的主要方式。其中，中央集成式EEA可以分解為中央超算+區(qū)域控制，將車輛的各項(xiàng)控制域進(jìn)一步融合，使得今天的汽車功能實(shí)現(xiàn)越來越像開發(fā)智能手機(jī)，但很顯然打造智能網(wǎng)聯(lián)汽車所面臨的挑戰(zhàn)更大；軟件定義硬件則是指通過軟件來定義和控制汽車的功能，汽車將從傳統(tǒng)的硬件驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖?qū)動(dòng)。

中央集成式EEA和軟件定義硬件讓ACES滲透率快速提升。事實(shí)上，不只是Robotaxi這種完全形態(tài)，當(dāng)前ACES中的自動(dòng)駕駛、智能互聯(lián)已經(jīng)成為汽車的標(biāo)配功能。比如在自動(dòng)駕駛方面，在新思科技、CARIAD、奧迪聯(lián)合發(fā)布的《如何打造值得信賴的汽車半導(dǎo)體產(chǎn)品：要求與最佳實(shí)踐》白皮書（以下簡(jiǎn)稱：白皮書）中提到，到2023年，自動(dòng)駕駛市場(chǎng)將從2019年約20%的車輛配備SAE 1級(jí)（L1）/2級(jí)（L2）駕駛輔助系統(tǒng)，增長(zhǎng)到83%的車輛至少配備L1（包括12%的車輛配備L3/L4級(jí)）自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。到2030年，預(yù)計(jì)大部分收入（約95%）將來自L1以上級(jí)別的車輛。

然而，無論是中央集成式EEA，還是軟件定義硬件，都需要更加強(qiáng)大的芯片作為支撐，因此汽車SoC設(shè)計(jì)的復(fù)雜度在指數(shù)級(jí)攀升。如下圖所示，為了實(shí)現(xiàn)汽車半導(dǎo)體在質(zhì)量、功能安全、軟件安全等方面的性能保障，芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、制程工藝的難度、芯片驗(yàn)證的復(fù)雜度都在指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。具體來看，在長(zhǎng)期任務(wù)剖面與10 FIT方面，已經(jīng)從傳統(tǒng)汽車的8,000小時(shí)變?yōu)?5年（131,400小時(shí)）；在工藝制程方面，過往消費(fèi)級(jí)節(jié)點(diǎn)需要經(jīng)過5到10年的成熟期才能應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，現(xiàn)在作為車規(guī)級(jí)工藝的臺(tái)積公司N3AE只比消費(fèi)級(jí)3nm晚了18個(gè)月，且越來越多的汽車SoC選擇基于28nm及以下工藝來實(shí)現(xiàn)，成本壓力陡增。

汽車SoC設(shè)計(jì)復(fù)雜度指數(shù)級(jí)攀升

同時(shí)，設(shè)計(jì)人員也需要新的方案來提升汽車半導(dǎo)體的魯棒性，以應(yīng)對(duì)ACES變革下更加復(fù)雜的工況。傳統(tǒng)做法是增加汽車半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)裕度，不過隨著工藝精進(jìn)和汽車SoC復(fù)雜度提升，這種做法已難以滿足性能要求，甚至出現(xiàn)不必要的過度設(shè)計(jì)。

雖然汽車SoC設(shè)計(jì)的復(fù)雜度指數(shù)級(jí)提升，軟件代碼的行數(shù)也已經(jīng)達(dá)到了2億行-3億行，不過在實(shí)現(xiàn)ACES的過程中，汽車對(duì)質(zhì)量、可靠性、功能安全和軟件安全的要求從未妥協(xié)，甚至是越來越嚴(yán)苛。比如，在汽車半導(dǎo)體質(zhì)量方面，為了盡可能地降低集成風(fēng)險(xiǎn)并確保供應(yīng)鏈中所有組件的可靠性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)人員不僅要考慮到PPA（性能、功耗、面積）目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，還需滿足更多要求，具體如下表所示。

為應(yīng)對(duì)ACES挑戰(zhàn)而需滿足的半導(dǎo)體開發(fā)要求

當(dāng)然，設(shè)計(jì)人員在面對(duì)這些挑戰(zhàn)時(shí)并非無計(jì)可施，可以在滿足各種標(biāo)準(zhǔn)的前提下，選擇合適的架構(gòu)、EDA工具和IP方案以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，在新思科技等公司發(fā)布的白皮書中也給出了具體的措施。

質(zhì)量方面，為了追求將百萬分比缺陷率（DPPM）降至零的質(zhì)量目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員可以基于制造和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)構(gòu)等信息來確定芯片架構(gòu)，并要按照成熟的接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1149、IEEE 1500和IEEE 1687標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)劃片上和片外結(jié)構(gòu)。在制造過程中，關(guān)鍵是確保不存在“測(cè)試逃逸”，復(fù)雜汽車SoC的測(cè)試已經(jīng)超過傳統(tǒng)制造測(cè)試的范疇，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析、缺陷器件分析，以及增加額外的、必要的測(cè)試環(huán)節(jié)能夠解決這一問題。

功能安全方面，在ISO 26262:2018標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于最佳實(shí)踐已經(jīng)有了詳細(xì)的標(biāo)注，設(shè)計(jì)人員可以參照進(jìn)行開發(fā)和部署。EDA工具也在逐步完成安全性方面的性能指標(biāo)，并形成了如下圖所示的功能安全設(shè)計(jì)的總體視圖。另外，ISO/TR 9839:2023標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)有安全最佳實(shí)踐的基礎(chǔ)上，新增了對(duì)間歇性故障和預(yù)測(cè)性維護(hù)的考慮。

EDA功能安全設(shè)計(jì)總體視圖

可靠性方面，AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)在老化、EM、靜電放電（ESD）、IR壓降分析以及影響SoC生命周期的工藝變化等方面都有嚴(yán)格要求，以確保汽車半導(dǎo)體在指定時(shí)間內(nèi)能夠正常執(zhí)行其預(yù)期功能。在現(xiàn)場(chǎng)階段，通過片上嵌入式傳感器，如路徑裕度監(jiān)測(cè)器（PMM）、PVT傳感器等，可以利用實(shí)時(shí)診斷來幫助提高半導(dǎo)體的魯棒性和可靠性。

軟件安全方面，ISO/SAE 21434:2021標(biāo)準(zhǔn)能夠幫助降低軟件安全風(fēng)險(xiǎn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)密性、完整性和可用性（CIA）有明確的要求。在設(shè)計(jì)階段，也有多種安全I(xiàn)P解決方案能夠幫助汽車半導(dǎo)體保護(hù)敏感數(shù)據(jù)；在現(xiàn)場(chǎng)階段，通過將專用的片上安全傳感器與片上和片外AI分析技術(shù)相集成，可以快速識(shí)別和響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的入侵行為。

積極擁抱ACES變革

新思科技全面賦能高可靠性汽車芯片設(shè)計(jì)

綜上所述，在ACES變革下，汽車半導(dǎo)體設(shè)計(jì)正發(fā)生著巨大的變化，給設(shè)計(jì)人員帶來更大的挑戰(zhàn)。但正如下圖所示，通過借助領(lǐng)先的EDA工具，嵌入半導(dǎo)體的IP，以及遵循各種嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員能夠從容面對(duì)這些挑戰(zhàn)，打造出具有行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的汽車半導(dǎo)體，這也是新思科技的EDA和IP解決方案在ACES變革中所體現(xiàn)的價(jià)值。

汽車半導(dǎo)體面臨的各種故障和應(yīng)對(duì)之策

為響應(yīng)ACES變革推動(dòng)的汽車EEA升級(jí)和SoC迭代，新思科技推出了一系列的解決方案，幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)質(zhì)量、可靠性、功能安全和軟件安全的挑戰(zhàn)，包括通過ISO 26262工具置信水平 (TCL) 1 級(jí)認(rèn)證的EDA工具，汽車級(jí)IP，虛擬模型和虛擬原型設(shè)計(jì)解決方案，以及嵌入片上的監(jiān)測(cè)傳感器等。

通過采用新思科技的EDA解決方案，能夠全面加速汽車半導(dǎo)體設(shè)計(jì)人員在質(zhì)量和ISO 26262功能安全認(rèn)證方面的工作。在這些工具里，內(nèi)置安全機(jī)制，如雙核鎖步和三模冗余，并具有用于器件老化，軟錯(cuò)誤分析和模擬故障仿真的綜合分析和測(cè)試技術(shù)，幫助提升汽車半導(dǎo)體的質(zhì)量和可靠性。

新思科技所提供的驗(yàn)證平臺(tái)是一個(gè)包含眾多安全性攸關(guān)技術(shù)的完整解決方案，包括用于故障分析、可追溯性和FMEA（故障模式和影響分析）等方面的各項(xiàng)技術(shù)。這里特別解釋一下可追溯性，其將原本在設(shè)計(jì)和制造中孤立的數(shù)據(jù)、未獲取到的數(shù)據(jù)串聯(lián)在一起。比如在功能安全的可追溯方面，能夠?qū)Ⅱ?yàn)證測(cè)試、實(shí)施、規(guī)范和要求聯(lián)系在一起，保障芯片功能安全驗(yàn)證和測(cè)試的結(jié)果。

同時(shí)，在新思科技的解決方案里，也提供加速功能安全測(cè)試的工具——TestMAX。這款工具為半導(dǎo)體中的數(shù)字、存儲(chǔ)器和模擬部分提供創(chuàng)新及先進(jìn)的測(cè)試和診斷功能，尤其是面向汽車半導(dǎo)體的測(cè)試自動(dòng)化和功能安全的獨(dú)特功能，設(shè)計(jì)人員還可以選擇高速接口來提升測(cè)試效率。值得強(qiáng)調(diào)的是，在下圖所展示的TestMAX功能框圖里，這些功能全部具有互操作性，加上早期的可測(cè)試性分析和規(guī)劃，TestMAX能夠幫助汽車半導(dǎo)體設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)各種功能安全的測(cè)試難題。

TestMAX的功能框圖

為加速汽車半導(dǎo)體設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，新思科技提供了種類豐富且經(jīng)過硅驗(yàn)證的汽車級(jí)IP產(chǎn)品組合，包括ARC處理器、接口IP、嵌入式存儲(chǔ)器、邏輯庫和安全I(xiàn)P。新思科技車用新思科技 IP是ASIL B和D就緒的IP，專門針對(duì)ISO 26262隨機(jī)硬件故障進(jìn)行開發(fā)和評(píng)估，幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)目標(biāo)ASIL等級(jí)；新思科技 IP提供滿足AEC-Q100設(shè)計(jì)和測(cè)試的IP，以提升汽車半導(dǎo)體的可靠性，且這些IP經(jīng)過了ISO 9001質(zhì)量管理體系認(rèn)證，可用于先進(jìn)制程，讓汽車半導(dǎo)體開發(fā)兼具質(zhì)量和效率。

新思科技 IP在ADAS芯片中的應(yīng)用

如上所述，為了提升芯片和現(xiàn)場(chǎng)階段的可靠性，嵌入半導(dǎo)體的傳感器和監(jiān)測(cè)器IP會(huì)起到關(guān)鍵作用，新思科技在這方面也提供了行業(yè)領(lǐng)先的解決方案，可面向數(shù)據(jù)中心、AI、高性能計(jì)算、汽車和5G消費(fèi)類應(yīng)用的復(fù)雜SoC開發(fā)，實(shí)現(xiàn)這些芯片的硅生命周期管理 (SLM) 。以新思科技IP芯片內(nèi)傳感器和PVT監(jiān)控器IP為例，提供用于測(cè)試和任務(wù)模式操作的標(biāo)準(zhǔn)接口，連續(xù)地評(píng)估和測(cè)量芯片的內(nèi)部狀況，為用戶提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)來了解芯片在整個(gè)生命周期內(nèi)的關(guān)鍵性能、功能、可靠性、安全和安保挑戰(zhàn)。

在軟件安全方面，新思科技為汽車半導(dǎo)體設(shè)計(jì)人員提供汽車驗(yàn)證和軟件開發(fā)解決方案，包括虛擬硬件ECU和Virtualizer開發(fā)套件等。這些方案被廣泛用于新一代信息娛樂系統(tǒng)、ADAS、V2X和無人駕駛技術(shù)的開發(fā)，輻射整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)鏈。其中，Silver虛擬硬件ECU可以在幾分鐘內(nèi)為開發(fā)人員提供軟件反饋，為ECU開發(fā)、測(cè)試和驗(yàn)證提供了一個(gè)早期的、可擴(kuò)展的平臺(tái)，不僅能夠加速ECU的迭代，還可以快速反饋回路提升復(fù)雜控制軟件的質(zhì)量。

當(dāng)前，ACES推動(dòng)的汽車產(chǎn)業(yè)變革仍在進(jìn)行中，新思科技相關(guān)的工具和IP解決方案也會(huì)持續(xù)迭代，讓質(zhì)量、功能安全、可靠性和軟件安全不再是復(fù)雜汽車SoC開發(fā)的挑戰(zhàn)，而是塑造差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的有效手段。

結(jié)語

從傳統(tǒng)汽車到未來的Robotaxi，ACES給汽車功能開發(fā)帶來的改變是如此顯著，也逐漸改變了人們的駕乘方式和出行方式。為了實(shí)現(xiàn)ACES功能，作為系統(tǒng)硬件核心的汽車SoC肩負(fù)重任，需要在質(zhì)量、功能安全、可靠性和軟件安全方面進(jìn)一步提升自己，也需要面臨工藝精進(jìn)和復(fù)雜性提升之后帶來的挑戰(zhàn)。

不過，挑戰(zhàn)背后總是蘊(yùn)藏著巨大的機(jī)遇。多項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前汽車單車芯片使用量已經(jīng)從數(shù)百顆達(dá)到了數(shù)千顆，同時(shí)有越來越多的汽車選擇功能強(qiáng)大的SoC以實(shí)現(xiàn)更高階的智能化。在機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存的歷史性時(shí)刻，新思科技的EDA工具和IP解決方案成為汽車半導(dǎo)體設(shè)計(jì)人員的得力拍檔，讓他們能夠在保證質(zhì)量、安全和可靠性的前提下，大幅提升開發(fā)的效率，贏得市場(chǎng)先機(jī)。