隨著車(chē)輛的網(wǎng)聯(lián)化和智能化的逐步提升,汽車(chē)上芯片的數(shù)量越來(lái)越多。據(jù)網(wǎng)上統(tǒng)計(jì),2021年每輛汽車(chē)的芯片需求已經(jīng)突破1000顆,一些高端新能源汽車(chē)的芯片需求甚至可能接近2000顆。
這么多芯片都有哪些類(lèi)別呢?通常從整車(chē)角度來(lái)說(shuō),會(huì)從應(yīng)用角度進(jìn)行分類(lèi),以芯片所起的不同功能進(jìn)行劃分??梢苑譃?a target="_blank">控制芯片、計(jì)算芯片、傳感芯片、存儲(chǔ)芯片、通信芯片、安全芯片、功率芯片、驅(qū)動(dòng)芯片、電源芯片。
那對(duì)于這些類(lèi)別的芯片,基本技術(shù)要求主要主要是安全要求和性能要求兩大類(lèi)。安全要求又可分為可靠性、功能安全和信息安全三方面。不同類(lèi)別芯片需滿足的安全要求等級(jí)不同,同一類(lèi)芯片應(yīng)用在不同域需滿足的安全要求等級(jí)也不盡相同。性能要求方面,性能指標(biāo)類(lèi)別繁多,對(duì)于同一大類(lèi)芯片,其下的各小類(lèi)芯片關(guān)鍵性能指標(biāo)基本一致,在不同域的應(yīng)用上具有差異性變化。
下面按芯片類(lèi)別來(lái)聊聊各個(gè)的安全需求和性能需求。
01.
控制芯片
控制芯片的主要技術(shù)指標(biāo)是主頻、接口豐富度、內(nèi)存大小、制程,主要應(yīng)用于8 位、16位、32位MCU產(chǎn)品,并逐漸由 8/16 位升級(jí)到32位。與消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)控制芯片相比,車(chē)規(guī)級(jí)要求更高的工作環(huán)境溫度可靠性(-40~125/150 ℃),以及更高的良品率和工作壽命。工藝制程方面,目前主流汽車(chē)控制芯片為 40~55 nm 工藝制程,逐步向40nm 以下(如 22 nm)制程發(fā)展??刂菩酒诓煌瑧?yīng)用域的技術(shù)要求如下所示。
02.
計(jì)算芯片
計(jì)算芯片的主要技術(shù)指標(biāo)是算力、主頻、制程等,應(yīng)用于智能駕駛和智能座艙場(chǎng)景下的安全要求和性能要求差異不大,計(jì)算芯片可靠性要求不高(Grade2),功能安全要求較高。工藝制程方面,相較于其他類(lèi)芯片要求較高,最高要求到7nm,后續(xù)則基本會(huì)跟上消費(fèi)級(jí)芯片制程的步伐。
對(duì)于智能駕駛計(jì)算芯片,CPU算力、GPU算力、NPU 算力等相關(guān)指標(biāo)是最關(guān)鍵的性能指標(biāo),低級(jí)別的L1/L2,需要算力10TOPS;到高級(jí)別的 L3/L4/L5,算力需求將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),L4需要500TOPS到1000TOPS,L5 需要幾千TOPS。此外L5級(jí)別CPU的計(jì)算能力可能到500KDMIPS。由于和駕駛安全性息息相關(guān),智能駕駛計(jì)算芯片功能安全要求為最高等級(jí)(ASIL-D)。
對(duì)于智能座艙計(jì)算芯片,對(duì)圖像視頻顯示質(zhì)量要求和功能可擴(kuò)展性更高,智能座艙計(jì)算芯片關(guān)鍵性能指標(biāo)中包含接口和插槽擴(kuò)展性等特殊指標(biāo),要求其可支持DSI、DP 等顯示接口??煽啃砸蠛椭悄荞{駛計(jì)算芯片一致,而功能安全要求略低(ASIL-B/C)。計(jì)算芯片在不同應(yīng)用域的技術(shù)要求如下所示。
03.
傳感器芯片
智能駕駛感知功能的實(shí)現(xiàn)是靠傳感部件內(nèi)部的芯片和算法實(shí)現(xiàn)。由于車(chē)內(nèi)和車(chē)外感知信息種類(lèi)繁多,催生出多種傳感芯片。
智駕域和座艙域,主要是采用激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波、紅外等收集車(chē)外信息,通過(guò)集成算法實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能,由于與車(chē)內(nèi)人員的人身安全息息相關(guān),在可靠性以外,需要更高的功能安全要求,通常智能座艙要求級(jí)別為ASIL-B,智能駕駛域應(yīng)用中要求是 ASIL-B/C/D。圖像類(lèi)芯片要求制程 40~90 nm,主要性能指標(biāo)為像素?cái)?shù)量,智能駕駛應(yīng)用現(xiàn)階段要求像素為 2MP~8MP,智能座艙為 1MP~5MP;激光雷達(dá)的主要性能指標(biāo)為探測(cè)距離和視場(chǎng)角,補(bǔ)盲激光雷達(dá)視場(chǎng)角為 140°×70°,探測(cè)距離為 10~30m;遠(yuǎn)程探測(cè)激光雷達(dá)視場(chǎng)角為 120°×25°,探測(cè)距離為 30~300米。發(fā)射/接收頻率是毫米波芯片的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一,要求達(dá)到 24 GHz 以上。
傳感芯片在不同應(yīng)用域的技術(shù)要求如下所示。
04.
存儲(chǔ)芯片
車(chē)規(guī)級(jí)存儲(chǔ)芯片與消費(fèi)級(jí)、工業(yè)級(jí)存儲(chǔ)芯片在性能參數(shù)上差異不大,但是在可靠性、安全性方面的要求更高。車(chē)規(guī)級(jí)存儲(chǔ)芯片整體分為 RAM和 ROM兩大類(lèi)。汽車(chē)存儲(chǔ)芯片的主要技術(shù)指標(biāo)是制程、存儲(chǔ)容量、數(shù)據(jù)讀取速率等。
RAM 根據(jù)是否需要定期刷新電路,主要分為 SRAM 和 DRAM 兩類(lèi)。SRAM 讀寫(xiě)快、功耗低、集成度低、容量小,通常作為緩存使用,廣泛應(yīng)用在汽車(chē)的五大域中。SRAM 對(duì)制程要求不高,在座艙和智能駕駛系統(tǒng)制程要求均為 130 nm。DRAM 讀寫(xiě)慢、功耗大、集成度高、容量大,應(yīng)用于有大運(yùn)算要求的計(jì)算系統(tǒng)中,在整車(chē)上主要應(yīng)用于智能駕駛域和智能座艙域。DRAM 存儲(chǔ)容量較高,在座艙系統(tǒng)要求達(dá)到 4 GB 以上,而智能駕駛系統(tǒng)考慮大量處理數(shù)據(jù)則要求到 8 GB 以上。
ROM 根據(jù)存儲(chǔ)容量大小可以進(jìn)一步細(xì)分為 EEPROM、NOR Flash、NANDFlash。EEPROM 以其通用性、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),能滿足車(chē)用各種小規(guī)模高可靠性模組的存儲(chǔ)需求。NAND 的擦除操作簡(jiǎn)便,而 NOR 則要求在進(jìn)行擦除前先要將每一個(gè)存儲(chǔ)單元均寫(xiě)入數(shù)據(jù),然后才能做擦除,因此 NAND 的寫(xiě)入速度相比 NOR 更快。其中,NAND Flash 性能要求最高,其中制程要求 38nm,存儲(chǔ)容量要求相較于其他存儲(chǔ)芯片最高,在智能駕駛系統(tǒng)要求到 25 GB 以上,其讀取數(shù)據(jù)速率也在 100 MHz 以 上 ,而 NOR Flash 性 能 要 求 低 于NAND Flash。EEPROM 在車(chē)端應(yīng)用不多,但其擦寫(xiě)壽命較長(zhǎng),性能穩(wěn)定。
存儲(chǔ)芯片在不同應(yīng)用域的技術(shù)要求如下所示。
05.
通信芯片
汽車(chē)通信芯片通用的主要技術(shù)指標(biāo)是制程、傳輸速率、協(xié)議一致性、接口類(lèi)型等。
安全要求方面,應(yīng)用于智能駕駛系統(tǒng)的通信芯片,可靠性和功能安全要求都較高,而應(yīng)用于車(chē)身系統(tǒng)和座艙系統(tǒng)的通信芯片,功能安全和可靠性要求相對(duì)較低。此外隨著國(guó)內(nèi)相關(guān)法律法規(guī)近年來(lái)對(duì)汽車(chē)信息安全監(jiān)管的加強(qiáng),逐步對(duì)通信芯片產(chǎn)品提出兼容國(guó)密算法、具備硬件防護(hù)等要求。
工藝制程方面,V2X通信芯片對(duì)制程要求最高為 5~12nm;衛(wèi)星定位芯片早期多為 40~55 nm工藝制程,新一代產(chǎn)品制程為14 nm、22 nm 和 28 nm;用于車(chē)內(nèi)通信的 CAN 和 LIN 芯片對(duì)制程要求較低,達(dá)到180nm 制程即可。
關(guān)鍵性能方面,應(yīng)用于智駕系統(tǒng)的通信芯片傳輸速率要求一般高于座艙系統(tǒng)和車(chē)身系統(tǒng)。低速總線通信速率一般不超過(guò) 20 Mbps,包括 CAN、LIN等技術(shù);高速總線通信速率為 100 Mbps~幾個(gè) Gbps,包括以太網(wǎng)、高速串口等。其中高速串口芯片傳輸速率最高,可達(dá)到數(shù)個(gè) Gbps。目前,主流 GNSS 芯片均支持 GPS/Glonass/Galieo/北斗多模和 L1/L5 雙頻制式,主流制程一般在 14~28 nm,定位精度已提升至亞米級(jí)甚至厘米級(jí)。
通信芯片在不同應(yīng)用域的技術(shù)要求如下所示。
06.
安全芯片
安全芯片的關(guān)鍵性能指標(biāo)主要是:兼容的加密算法種類(lèi)、驗(yàn)簽速度、真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的隨機(jī)源數(shù)量。
對(duì)于應(yīng)用于智能駕駛域的安全芯片來(lái)講,安全芯片主要應(yīng)用于OBU 上,這類(lèi)安全芯片對(duì)處理性能(主要是加解密運(yùn)算性能)和支持高吞吐 IO 通道的需求相對(duì)高于其他系統(tǒng)。當(dāng)前汽車(chē)安全芯內(nèi)部高性能對(duì)稱(chēng)運(yùn)算可以達(dá)到 200 Mbps 級(jí)別以上,非對(duì)稱(chēng)運(yùn)算可以超過(guò) 10000 次/秒,基本可以滿足當(dāng)前車(chē)用市場(chǎng)要求。
對(duì)應(yīng)用于動(dòng)力系統(tǒng)中的安全芯片來(lái)講,主要需求來(lái)自于國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)遠(yuǎn)程排放管理車(chē)載終端的要求。動(dòng)力系統(tǒng)中的安全芯片因無(wú)需進(jìn)行大規(guī)模高速運(yùn)算,對(duì)性能的要求不高。
座艙系統(tǒng)和車(chē)身系統(tǒng)中的安全芯片,其運(yùn)算性能并無(wú)特別高要求,更注重其作為安全芯片應(yīng)具備較強(qiáng)的防攻擊能力,以防止入侵者通過(guò)破解的手段入侵車(chē)門(mén)及中控系統(tǒng)。
安全芯片在不同應(yīng)用域的技術(shù)要求如下表所示。
07.
功率芯片
汽車(chē)功率芯片的技術(shù)指標(biāo)主要是制程、耐壓、電流和關(guān)斷損耗等。功率芯片僅應(yīng)用于動(dòng)力系統(tǒng),由于和行駛安全緊密相關(guān),且工作環(huán)境溫度較高,各類(lèi)功率芯片都需要滿足最高可靠性要求和最高功能安全等級(jí)。性能方面,同樣襯底材料(Si基/SiC 基)情況下 IGBT 的耐壓高于MOSFET,而由于 SiC 材料優(yōu)越的耐高壓、耐高溫和低能量損耗等電氣性能,SiC 基功率芯片耐壓高于 Si 基功率芯片。
功率芯片在不同應(yīng)用域的技術(shù)要求如下所示。
08.
功率芯片
汽車(chē)驅(qū)動(dòng)芯片的技術(shù)指標(biāo)主要是制程、驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流和抗負(fù)壓能力等。驅(qū)動(dòng)芯片主要應(yīng)用于動(dòng)力系統(tǒng),由于和行駛安全緊密相關(guān),驅(qū)動(dòng)芯片需要滿足最高功能安全等級(jí),可靠性要求也較高(Grade1)。相比其他類(lèi)芯片,驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)工藝制程要求較低,一般為 130~180 nm 制程。低邊驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流最高。而高邊驅(qū)動(dòng)是用于汽車(chē)電氣控制的核心芯片,電壓幅度變化大,應(yīng)用范圍涉及車(chē)身動(dòng)力、行車(chē)控制、輔助駕駛等。H 橋驅(qū)動(dòng)在轉(zhuǎn)向制動(dòng)控制器上有廣泛應(yīng)用。
驅(qū)動(dòng)芯片在不同應(yīng)用域的技術(shù)要求如下所示。
09.
電源管理芯片
電源管理芯片的主要技術(shù)指標(biāo)包括:電壓輸入范圍、最大可輸出電流、負(fù)載調(diào)整率、電源噪聲、放大系數(shù)、采樣精度、驅(qū)動(dòng)能力(電壓驅(qū)動(dòng)、電流驅(qū)動(dòng)能力)的要求,現(xiàn)階段電源管理芯片的生產(chǎn)制程要求在 90~180 nm 范圍內(nèi)。電源管理芯片多用于動(dòng)力系統(tǒng),在智駕和座艙系統(tǒng)中也有應(yīng)用。電源管理芯片工作環(huán)境溫度較高,和電動(dòng)車(chē)輛安全緊密相關(guān),因此電源管理芯片可靠性要求和功能安全要求均需達(dá)到最高安全等級(jí)。
電源管理芯片在不同應(yīng)用域的技術(shù)要求如下所示。
10.
汽車(chē)芯片技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
汽車(chē)電動(dòng)化和智能網(wǎng)聯(lián)化是影響汽車(chē)芯片發(fā)展變化的兩個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因素,將會(huì)引發(fā)對(duì)現(xiàn)有芯片性能要求和安全要求的變化以及對(duì)新類(lèi)型芯片的需求。
電動(dòng)化方面,除了芯片數(shù)量會(huì)增加,主要差異來(lái)源于新能源汽車(chē)的電池管理系統(tǒng)及高壓動(dòng)力系統(tǒng)。新能源汽車(chē)對(duì)應(yīng)用于動(dòng)力系統(tǒng)的汽車(chē)芯片在高電壓下的性能提出更高要求,對(duì)大功率芯片的需求也明顯上升。此外新能源汽車(chē)對(duì)特定種類(lèi)芯片需求也逐步增加,例如電池管理系統(tǒng) BMS 用芯片以及用于解決高壓耐受、開(kāi)關(guān)噪聲等問(wèn)題的隔離芯片。
智能網(wǎng)聯(lián)化對(duì)于汽車(chē)芯片的影響主要是兩方面,一方面電氣架構(gòu)的集中化,需要配置具有更強(qiáng)大的算力部署、更高的信號(hào)傳輸效率的芯片。
另一方面智能化直接對(duì)某些類(lèi)別芯片的性能和安全性,提出了更高的要求。智能感知方面,各類(lèi)雷達(dá)芯片需求空間提升;且提升了處理速度加快、處理效能增強(qiáng),高分辨率、低延時(shí)、高擴(kuò)展兼容性及較強(qiáng)可配置能力等需求。信息通訊方面,增強(qiáng)了對(duì)于高安全、高可靠、高性能通訊芯片的需求和芯片處理多通道大量數(shù)據(jù)的需求;智能駕駛方面,對(duì)先進(jìn)制程、高算力、高安全等級(jí) SoC 芯片的需求將逐步提升;智能座艙方面,增加了針對(duì)計(jì)算芯片在高算力、高流暢性、小體積、低功耗、可擴(kuò)展性等方面的需求。
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原文標(biāo)題:汽車(chē)上芯片種類(lèi),芯片性能和安全要求,發(fā)展趨勢(shì)梳理
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