當(dāng)下，汽車(chē)芯片成為了業(yè)內(nèi)最熱的話題，無(wú)論是產(chǎn)能，還是芯片技術(shù)、功能，以及商業(yè)模式，都處于前所未有的發(fā)展階段與變化過(guò)程當(dāng)中。而自動(dòng)駕駛的興起，又給這股熱潮添了一把火，使得汽車(chē)核心芯片——處理器——進(jìn)入了一個(gè)各大廠商各施所長(zhǎng)，同時(shí)又隨著應(yīng)用的發(fā)展，不斷推陳出新的發(fā)展階段。
目前來(lái)看，純電動(dòng)汽車(chē)和自動(dòng)駕駛正在加速車(chē)用MCU向區(qū)域和集中控制應(yīng)用發(fā)展，這就對(duì)核心處理器的架構(gòu)整合水平和算力提出了更高的要求，從而帶動(dòng)車(chē)用處理器向SoC轉(zhuǎn)型。特別是隨著自動(dòng)駕駛等級(jí)的提升，例如將來(lái)的L4，車(chē)內(nèi)用到的傳統(tǒng)MCU數(shù)量將會(huì)大幅減少，而具備人工智能算力的SoC將會(huì)大量增加。目前來(lái)看，這種趨勢(shì)已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)落地，如特斯拉將更多的資源投入到自主設(shè)計(jì)研發(fā)自動(dòng)駕駛SoC，而B(niǎo)MW和奧迪等傳統(tǒng)車(chē)企也在自研符合自家需求和特點(diǎn)的自動(dòng)駕駛芯片。
SoC架構(gòu)演進(jìn)
就自動(dòng)駕駛SoC而言，目前業(yè)內(nèi)主要有三大類(lèi)架構(gòu)，分別是：CPU+ASIC+GPU設(shè)計(jì)架構(gòu)，代表企業(yè)是英偉達(dá)和特斯拉；CPU+ASIC架構(gòu)，代表企業(yè)是英特爾旗下的Mobileye和中國(guó)的地平線機(jī)器人；CPU+FPGA架構(gòu)，代表企業(yè)是Alphabet旗下的Waymo和百度的Apollo。總體來(lái)看，在這些廠商中，Mobileye目前在L1和L2級(jí)自動(dòng)駕駛芯片市占率超過(guò)70%，英偉達(dá)鎖定L3級(jí)以上自動(dòng)駕駛SoC，而絕大部分中國(guó)廠商還無(wú)法量產(chǎn)自動(dòng)駕駛單芯片，僅地平線量產(chǎn)少部分芯片切入中國(guó)本土電動(dòng)車(chē)。
下面具體看一下以上提到的三大類(lèi)架構(gòu)，首先看英偉達(dá)和特斯拉。
英偉達(dá)的代表芯片是Xavier，它以GPU為核心，主要有4個(gè)功能塊，分別是CPU，GPU，Deep Learning Accelerator（DLA，深度學(xué)習(xí)加速）和Programmable Vision Accelerator（PVA）。其中，GPU占位面積最大，然后是CPU，輔以?xún)蓚€(gè)ASIC，一個(gè)用于inference的DLA，另一個(gè)用于加速傳統(tǒng)CV的PVA。
特斯拉的代表芯片是FSD，它以NPU（Neural Processing Unit）為計(jì)算核心，另外還有CPU和GPU。其中最重要也是面積最大的就是特斯拉自研的 NPU，主要用于運(yùn)行深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，GPU主要用于運(yùn)行 deep neural network。
在FSD基礎(chǔ)上，特斯拉于前不久的8月推出了新的自研AI訓(xùn)練芯片Dojo D1，它采用7nm制程，具有500億個(gè)晶體管，單片F(xiàn)P32算力可達(dá)22.6 TOPs，BF16算力為362 TOPs。這使得Dojo D1幾乎成為當(dāng)今世界上最快的AI訓(xùn)練芯片。該芯片的推出，也是特斯拉將自動(dòng)駕駛芯片向高整合度的具備AI算力SoC演進(jìn)的一個(gè)重要步驟。
再看一下Mobieye的CPU+ASIC架構(gòu)，代表芯片是EyeQ5，它主要有4個(gè)模塊，分別是CPU，Computer Vision Processors（CVP），Deep Learning Accelerator（DLA），以及Multithreaded Accelerator（MA）。其中CVP 是針對(duì)很多傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法設(shè)計(jì)的ASIC，從成立之處開(kāi)始，Mobileye就以其CV算法而聞名。
第三種架構(gòu)CPU+FPGA，Waymo采用英特爾12核及以上CPU，搭配Altera的Arria系列FPGA，并采用英飛凌的Aurix系列MCU作為CAN/FlexRay網(wǎng)絡(luò)的通信接口。
就發(fā)展眼光來(lái)看，以上提到的三種架構(gòu)中，當(dāng)下，CPU+GPU+ASIC架構(gòu)仍是主流，這是在自動(dòng)駕駛軟硬件技術(shù)和算法還未成熟的環(huán)境下形成的，待自動(dòng)駕駛算法完全成熟后，低功耗、低成本的專(zhuān)用自動(dòng)駕駛AI芯片將逐漸取代高功耗的GPU，CPU+ASIC架構(gòu)將成為主流。
車(chē)用MCU前景如何？
在傳統(tǒng)汽車(chē)中，MCU用量巨大，但隨著純電動(dòng)汽車(chē)和自動(dòng)駕駛的普及，MCU的日子似乎不像以前那么好了。越來(lái)越多的SoC正在取代MCU，不過(guò)，短期內(nèi)，大部分車(chē)用MCU還無(wú)法被取代，因?yàn)槠?chē)是復(fù)雜的系統(tǒng)，例如電動(dòng)車(chē)底盤(pán)車(chē)身和動(dòng)力系統(tǒng)依舊是以MCU為主。
據(jù)中國(guó)臺(tái)灣資策會(huì)產(chǎn)業(yè)情報(bào)研究所（MIC）資深產(chǎn)業(yè)分析師何心宇分析，以特斯拉Model 3的底盤(pán)車(chē)身控制平臺(tái)為例，相較于Model S的分布式架構(gòu)，Model 3底盤(pán)車(chē)身平臺(tái)采用區(qū)域式控制架構(gòu)，MCU數(shù)量減少有限，且MCU可以整合相關(guān)功能。何心宇預(yù)期，電動(dòng)車(chē)底盤(pán)車(chē)身用MCU需求數(shù)量仍會(huì)持穩(wěn)，不過(guò)功能趨于弱化、以制動(dòng)功能為主；電動(dòng)車(chē)和自動(dòng)駕駛趨勢(shì)也不會(huì)明顯改變動(dòng)力系統(tǒng)所需的MCU。
此外，電動(dòng)車(chē)新增的電池管理系統(tǒng)（BMS）、整車(chē)控制器（VCU）和減速箱等，仍需要高階位的車(chē)用控制組件，因此，電動(dòng)車(chē)所需高階位的主控制器價(jià)格反而會(huì)更高，動(dòng)力系統(tǒng)區(qū)域的控制器則將呈現(xiàn)量?jī)r(jià)齊升的態(tài)勢(shì)。
新工藝芯片漸入佳境
隨著純電汽車(chē)的普及，SiC等第三代化合物半導(dǎo)體的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)逐步凸顯出來(lái)。
SiC 是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一，令其成為純電動(dòng)汽車(chē)的理想選擇。與傳統(tǒng)解決方案相比，基于SiC的解決方案使系統(tǒng)效率更高、重量更輕，且結(jié)構(gòu)更緊湊。
在電動(dòng)汽車(chē)中，SiC功率半導(dǎo)體主要用于驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)的逆變器、車(chē)載充電器和快速充電樁。對(duì)于逆變器而言，800V高壓運(yùn)行架構(gòu)下的SiC功率半導(dǎo)體比傳統(tǒng)硅器件的整體系統(tǒng)效率高8%。SiC功率半導(dǎo)體也使得散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，機(jī)電結(jié)構(gòu)的空間更小。對(duì)于車(chē)載充電和快速充電樁，SiC功率半導(dǎo)體與傳統(tǒng)硅器件相比，在充電過(guò)程中減少了能量損失，也減少了所需的電容和電感的數(shù)量。
SiC比硅更薄、更輕、更小巧，市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域偏向1000V以上的中高壓范圍。車(chē)用半導(dǎo)體中，SiC是未來(lái)趨勢(shì)，目前，xEV車(chē)中的主驅(qū)逆變器仍以IGBT+硅FRD為主，考慮到未來(lái)電動(dòng)車(chē)需要更長(zhǎng)的行駛里程、更短的充電時(shí)間和更高的電池容量，SiC基MOSFET將是大勢(shì)所趨。SiC有望提高3%-5%的逆變器效率，從而降低電池成本。
目前來(lái)看，車(chē)用功率半導(dǎo)體器件中，仍以硅基IGBT為主，而SiC基MOSFET代表著未來(lái)，因?yàn)樗阅芨鼜?qiáng)，但目前推廣的最大障礙就是高成本。然而，隨著整車(chē)動(dòng)力電池包越來(lái)越大、電機(jī)最大功率/峰值扭矩越來(lái)越高，SiC基MOSFET的優(yōu)勢(shì)就越顯著。
要想充分發(fā)揮MOSFET的優(yōu)勢(shì)，就需要控制承壓層深度和摻雜濃度等技術(shù)參數(shù)，以獲得更高的工作電壓、最大功率和綜合效率。目前，SiC基MOSFET系統(tǒng)的綜合效率（以逆變器效率計(jì)算）約為98%，在應(yīng)用層面，SiC基MOSFET相比于硅基IGBT具有本征優(yōu)勢(shì)。
SiC 應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)的逆變器、OBC、DC/DC時(shí)，更低的阻抗可帶來(lái)更小的尺寸，更高的工作頻率可以有效降低電感、電容等元器件的尺寸，且更耐高溫，可以減小冷卻系統(tǒng)的尺寸，最終帶來(lái)的是系統(tǒng)級(jí)的體積縮小和成本的降低。
SiC用在車(chē)用逆變器上，能夠大幅度降低逆變器尺寸和重量，做到輕量化與節(jié)能。在相同功率等級(jí)下，全SiC模塊的封裝尺寸顯著小于硅模塊，同時(shí)也可以使開(kāi)關(guān)損耗降低75％（芯片溫度為150° C）。在相同封裝下，全SiC模塊具備更高的電流輸出能力，支持逆變器達(dá)到更高功率。
逆變器已經(jīng)開(kāi)始使用IGBT+SiC SBD的混合方案，預(yù)計(jì)全SiC的逆變器將從2023年開(kāi)始在主流豪華車(chē)品牌中量產(chǎn)。
此外，車(chē)載OBC和DC/DC，已經(jīng)開(kāi)始采用SiC器件，比如PFC電路中二極管切換改為了SiC SBD，或者將OBC的DC/DC原邊電路MOSFET管改為SiC MOSFET。全SiC方案也有望從 2021年開(kāi)始量產(chǎn)。
純電動(dòng)車(chē)的功率控制單元（PCU）是汽車(chē)電驅(qū)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，管理電池中的電能與電機(jī)之間的流向和傳遞速度，傳統(tǒng)PCU使用硅基材料制成，強(qiáng)電流與高壓電穿過(guò)硅制晶體管和二極管的時(shí)的電能損耗是混合動(dòng)力車(chē)最主要的電能損耗來(lái)源，而使用SiC則可大大降低這一過(guò)程中的能量損失。
將傳統(tǒng)PCU配備的硅二極管換成SiC二極管，硅IGBT換成SiC MOSFET，就可以降低10%的總能量損耗，同時(shí)也可以大幅降低器件尺寸，使車(chē)輛更為緊湊。
中國(guó)的機(jī)遇和表現(xiàn)
中國(guó)本土的芯片水平有限，在全球范圍內(nèi)一直處于追趕狀態(tài)。而在全球車(chē)用芯片變革的當(dāng)下，中國(guó)本土企業(yè)迎來(lái)了一波發(fā)展機(jī)遇，并開(kāi)始做出一些成績(jī)。
在汽車(chē)核心控制芯片方面，中國(guó)本土的地平線機(jī)器人和黑芝麻科技很有特色，雖然這些初創(chuàng)企業(yè)與國(guó)際大廠相比還比較弱小，但在中國(guó)國(guó)內(nèi)具有很好的發(fā)展前景。例如，地平線機(jī)器人已經(jīng)與主要的一級(jí)供應(yīng)商和一些OEM合作，包括奧迪。據(jù)說(shuō)其Journey 2汽車(chē)AI處理器已經(jīng)出貨了100,000臺(tái)，并且其具有3級(jí)功能的Journey 3將于2021年第三季度投入量產(chǎn)。該公司還為其未來(lái)的SoC提供了明確的L5路線圖。
在全球功率電子半導(dǎo)體市場(chǎng)中，Nexperia原來(lái)是NXP的一個(gè)分公司，現(xiàn)在已由中國(guó)企業(yè)擁有，占MOSFET市場(chǎng)的13％以上。在汽車(chē)級(jí)MOSFET方面，它在全球排名第二，僅次于英飛凌。另外，華為投資了MOSFET IDM東方半導(dǎo)體，不過(guò)，迄今為止，其市場(chǎng)份額很有限。
目前來(lái)看，Nexperia與TI，NXP，英飛凌，安森美和Rohm等業(yè)內(nèi)知名的國(guó)際大廠有的一拼，其在電動(dòng)汽車(chē)功率半導(dǎo)體方面可以為中國(guó)本土產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)不小的力量。
自動(dòng)駕駛還推動(dòng)了在汽車(chē)領(lǐng)域使用CMOS圖像傳感器（CIS）。自動(dòng)駕駛汽車(chē)通常會(huì)配備激光雷達(dá)和CIS。車(chē)輛上需要越來(lái)越多的傳感器。2021年生產(chǎn)的汽車(chē)可能裝有8個(gè)圖像傳感器，而且這個(gè)數(shù)字還在不斷增加。
中國(guó)領(lǐng)先的圖像傳感器公司Omnivision，其2019年占全球193億美元CMOS傳感器市場(chǎng)的10％。在汽車(chē)CIS方面，Omnivision的表現(xiàn)要好于索尼（10％）。它擁有約22％的市場(chǎng)份額，僅次于美國(guó)公司安森美的36％。
從技術(shù)上講，Omnivision的產(chǎn)品與安森美和索尼的在伯仲之間。這些公司都提供類(lèi)似的8.3MP前視攝像頭CIS用于自動(dòng)駕駛。Omnivision還為歐洲汽車(chē)OEM供貨許多產(chǎn)品。
結(jié)語(yǔ)
在車(chē)用芯片不斷發(fā)展變化的當(dāng)下，無(wú)論是芯片技術(shù)、架構(gòu)，工藝，還是芯片企業(yè)市場(chǎng)地位、格局，都在發(fā)生著變化，另外，不同企業(yè)對(duì)新商業(yè)模式的轉(zhuǎn)變（如有越來(lái)越多的車(chē)廠開(kāi)始自研芯片），也給產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了更多變數(shù)。這也許只是開(kāi)始，未來(lái)車(chē)用芯片市場(chǎng)的變革更值得期待。
