汽车芯片高增长背后的“隐忧”

随着汽车电动化、网联化、智能化、共享化“新四化”的趋势不断加速，半导体在汽车中的占比越来越高。据悉，一辆传统汽车一般需要用到500-600颗的芯片，而一辆新能源汽车所需的芯片更多，达到1000颗以上。到2030年，汽车50%的成本将与芯片相关，而汽车制造商80%的创新将由芯片驱动。
            汽车半导体市场的发展如火如荼，但其也面临了一些挑战。缺芯是一方面；另外，随着汽车产业供应链管理不断下沉，车载芯片的复杂程度和质量要求也越来越高；再者，汽车芯片本身所要求的零缺陷也是一大挑战。
            火热的汽车芯片市场，缺陷问题不容忽视
            首先让我们来看下，一辆汽车会用到哪些芯片呢？
            如果按照芯片通用分类的话，汽车芯片无外乎三大类：
            一是用于信息处理的计算和存储芯片，其中计算芯片主要包括MCU和SoC，智能汽车需求下，自动驾驶SoC和智能座舱SoC是时代发展下的新产物；二是用于电能转换和控制的分立器件，主要包括IGBT、MOSFET以及SiC等功率器件，随着新能源汽车的普及，对分立器件的需求量大幅增加，目前IGBT仍是汽车功率器件中占比较大的一个，不过行业的新趋势正在由Si基向SiC迈进；三是汽车感知和采集信息的芯片，主要是各类传感器和雷达，他们用来充当汽车的眼睛、耳朵，车载芯片有一半的需求来自传感器。
            在汽车芯片高需求的机遇之下，上述各类芯片无一例外的都迎来了巨大的发展机遇。根据Omdia的数据，汽车半导体中的所有类别都以两位数的速度增长，车载半导体市场在2021-2025年将以15.8%的复合年增长率增长。
            

            
            2025 年列出的百分比是 2020 年至 2025 年每个类别的复合年增长率（来源：Omdia）
            不过随着汽车芯片种类和数量应用的增长，也带来了一个隐忧，那就是，任何一个芯片的失效对一台车来说很可能造成致命性损伤。近年来，近50%的汽车召回是因为电子元件有缺陷。强如特斯拉，也频频因如中央处理器可能过热重启、紧急系统存在故障、通讯错误导致的前向碰撞预警或自动紧急制动系统意外启动等各种各样的问题召回车辆。汽车芯片安全问题不容忽视。
            相较于其他电子产品，汽车拥有更明显的特殊性。除了常规的电子器件的基本功能之外，车载芯片与消费类芯片在设计、制造等环节的流程不同，汽车厂商对芯片成品质量的要求更严苛，需要满足各种标准，比如ISO26262规范、AEC-Q100规范等。
            

            
            ISO26262规范
            

            
            汽车电子委员会 (AEC) 发布的零缺陷战略框架（AEC-Q004）
            对汽车芯片“零缺陷”的追逐成为行业的共同目标。汽车行业正在降低芯片缺陷的可接受水平，缺陷率过去的衡量单位为百万分之一 (ppm) ，而现在的衡量单位为十亿分之一(ppb)。据Amkor的分析，如果每辆汽车有大约40个电子系统，而每个系统有大约250个半导体元件，那么元件层面即使1ppm（百万分之一）的缺陷率也会导致汽车整体的缺陷率陡增至10,000ppm (1%)，这个数字对于安全关键型电子器件来说是过高的。
            

            
            图源：Amkor
            为了达到汽车的安全，汽车芯片厂商更难了。
            如何打造一款零缺陷的汽车芯片？
            在自动驾驶汽车中，物理、驱动、传感器、嵌入式软件和SoC是高度相互依赖的，比智能手机芯片的设计要复杂100倍之多。因此，要打造一款零缺陷的汽车芯片需要从芯片源头的设计开始，到后面的制造、封测进行全方位的覆盖才行。
            首先在汽车芯片设计环节，自然离不开对EDA工具的需要，而且自动驾驶安全等级越高，对EDA工具的依赖度就越高。汽车芯片的内在质量或初始质量在很大程度上取决于底层半导体技术和设计规则。
            西门子EDA作为一家国际的EDA厂商，这些年来通过在汽车领域的特定收购，逐渐覆盖了汽车芯片设计、功能验证、制造测试等全阶段，并且具有成熟的数字化管理平台。而且其EDA安全工具完全符合ISO26262的验证，简化了芯片厂商的合规过程。
            

            
            具体到安全方面，汽车安全主要包括功能安全和信息安全两方面。针对功能安全，西门子EDA的Austemper工具能够为客户提供分析、插入、验证全流程的功能安全解决方案。在信息安全方面，西门子EDA的SecureCheck工具，能对芯片内部的网络接口进行监控，对某些密钥和银行账号相关的访问加以控制，SecureCheck基于formal的方案，可以帮助客户做穷举式覆盖，达到100%的芯片验证。
            此外，西门子EDA的Tessent安全解决方案可对汽车芯片的全生命周期进行安全测试，保证汽车电子芯片的整个生命周期功能正确至关重要；另外，Tessent嵌入式解决方案能够以硬件的速度检测、理解并应对网络威胁。Symphony数模混合验证平台能为车载系统的SerDes模块，实现速度、精度、易用性以及纠错功能方面完美平衡。Calibre PERC可对原理图和版图进行各种检查验证，帮助把关半导体器件可靠性设计的新方法。
            芯片设计完之后，对芯片的测试至关重要。过去因芯片测试率不足导致的严重事故不胜枚举，要实现零缺陷，对芯片进行100%测试将是很重要的一点。那么汽车芯片的测试主要包括哪些测试呢？从汽车芯片的前期验证到最终量产，测试主要分为特征化测试(Char Test)、量产测试(Production Test)和AEC-Q测试，其中特征化测试主要测试设备的性能及三温，量产测试主要包括屏幕故障部件以及相关的成本测试，而AEC-Q主要是质量测试，测试芯片生命周期和能力。对汽车零部件进行的测试和检查越全面，则汽车被召回的可能性越低。
            

            
            100%检查对汽车组装过程的影响
            资料来源：Bruker
            零缺陷又可分为致命缺陷和潜在缺陷。致命缺陷会影响芯片的良率，它们在芯片被放入系统之前就被捕获了。特别重要的是对潜在缺陷的识别，一些芯片可能当时测试没问题能正常运行，但是在使用期间的某个时间点发生故障，这也是困扰汽车厂的一个难题。
            要减少或者避免潜在缺陷又是一大工程。减少潜在缺陷是半导体工厂的首要任务，晶圆厂的环境空气、晶圆在其生命周期内的环境以及清洁化学品输送路径中材料的完整性等都将是影响汽车芯片缺陷和可靠性的诱因。再者，对于测试厂商来说，能够更好地检测潜在缺陷的计量工具也将很关键。
            此外，要达到零缺陷，芯片可追溯性是汽车行业新的协作方式。芯片可追溯性对汽车行业的重要性体现在其在推动芯片可追溯性标准方面的核心作用。其好处体现在产量提高、防伪保护等。但芯片可追溯性的实施挑战也很大，主要是IP在硬件供应链上的保护问题。自动驾驶汽车设计只有随着整个供应链的芯片和设备可追溯性行业标准的发展才能蓬勃发展。
            结语
            汽车行业正在经历一场革命，每家汽车芯片相关的厂商都肩负起了汽车安全可靠的责任，因为汽车的可靠性将始于芯片。汽车芯片零缺陷成为产业面对的一大难题，要实现这一目标，汽车芯片从设计端就开始考虑避免缺陷，并且在制造和封测阶段对芯片进行充分的检测。垂直整合的汽车行业正在发生变化，成功将需要整个价值链的协作。