車輪上的計算機(jī)。這就是人們目前對汽車的看法。實(shí)際上，從打開車窗到計算當(dāng)前扭矩需求下的最佳油氣混合物，汽車中發(fā)生的一切都由微控制器監(jiān)控和驅(qū)動。但是，就計算能力進(jìn)入汽車的程度而言，這只是剛剛觸及表面。


自動駕駛汽車L3和robotaxis的崛起

自動駕駛時代即將到來，汽車行業(yè)的計算需求也將隨之進(jìn)入一個新時代。自動駕駛汽車需要大量傳感器來掃描環(huán)境，并為汽車提供模擬人類駕駛所需的數(shù)據(jù)。IDTechEx 的 "2024-2044 年自動駕駛汽車和機(jī)器人軸 "報告發(fā)現(xiàn)，領(lǐng)先的 SAE 4 級機(jī)器人軸擁有多達(dá) 40 個獨(dú)立傳感器。再加上汽車市場即將推出的自動駕駛技術(shù)，這將推動汽車傳感器市場實(shí)現(xiàn) 13% 的 10 年復(fù)合年增長率。然而，如果沒有高性能計算來處理傳感器的數(shù)據(jù)并構(gòu)建環(huán)境的三維渲染圖，為車輛的程序化駕駛策略提供依據(jù)，那么傳感器本身幾乎毫無用處。

高性能計算（HPC）從傳感器陣列中獲取實(shí)時數(shù)據(jù)輸出，并執(zhí)行若干重要流程。它所面臨的兩個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是傳感器融合和物體分類，而對于完成這兩項(xiàng)工作的順序存在一些分歧。有些人認(rèn)為早期融合是最好的，在這種情況下，所有傳感器數(shù)據(jù)都會被整合到場景的三維渲染中，然后由車輛的高性能計算單元運(yùn)行人工智能算法，對檢測到的每個物體進(jìn)行識別和標(biāo)記。另一些人則認(rèn)為，應(yīng)從每個傳感器生成一個物體列表，然后將結(jié)果進(jìn)行融合。這樣做的好處是可以交叉參考每個傳感器的檢測結(jié)果，并檢查是否一致。但這樣做的缺點(diǎn)是在處理來自不同傳感器的目標(biāo)列表之間的差異時面臨挑戰(zhàn)。

無論采用后期融合還是早期融合，HPC 仍將以圖像處理的形式進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理，并運(yùn)行人工智能算法進(jìn)行圖像分類和制定駕駛策略。處理這些任務(wù)的關(guān)鍵部件是圖形處理器（GPU）、計算處理器（CPU）和內(nèi)存。通常情況下，這些都是獨(dú)立的分立組件；然而，自動駕駛汽車對 HPC 的特殊要求導(dǎo)致它們被組合到稱為 SOC 或片上系統(tǒng)的單芯片上。這些芯片將 GPU、CPU、RAM 等集成到一塊硅片上。理想的 SOC 可以接收來自車輛所有自動駕駛傳感器的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行處理，對所有檢測到的物體進(jìn)行識別和分類，并根據(jù)駕駛策略創(chuàng)建一套轉(zhuǎn)向、油門和制動操作。因此，SOC 負(fù)責(zé)整個自動駕駛系統(tǒng)。

要滿足自動駕駛的計算要求，關(guān)鍵在于將所有這些功能集成到一個芯片上。由于物理分隔幾乎為零，芯片的每個部分都能以接近零的延遲、幾乎無噪聲和巨大的帶寬交換數(shù)據(jù)。這與將分立元件分布在印刷電路板上的做法截然不同，更多的接口和更多的數(shù)據(jù)線會帶來噪音和延遲。

Mobileye 和 Nvidia 最近一直在提高計算能力，從幾 TOPS（每秒太赫茲運(yùn)算）到幾十 TOPS，再到現(xiàn)在的幾百 TOPS，目標(biāo)是幾千 TOPS。這些改進(jìn)的主要途徑是臺積電和三星等領(lǐng)先代工廠采用越來越小的節(jié)點(diǎn)尺寸。它們一直在通過其支持的代工廠采用更小的節(jié)點(diǎn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)。


汽車芯片超先進(jìn)制程邁進(jìn)

日本芯片設(shè)計公司Socionext近期宣布，已開始研發(fā)3nm的ADAS（先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)）和自動駕駛定制化SoC，芯片將采用臺積電的最新"N3A"工藝，預(yù)計2026年進(jìn)行量產(chǎn)（委托臺積電生產(chǎn)）。

長期以來，汽車芯片一直被認(rèn)為是“工藝落后者”，但在汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化趨勢的推動下，28nm以下成熟工藝制程的車規(guī)級芯片已經(jīng)跟不上產(chǎn)業(yè)的快速轉(zhuǎn)型。實(shí)際上，汽車芯片正在加速邁向先進(jìn)制程——2019年高通推出7nm工藝驍龍8155車規(guī)級芯片；汽車行業(yè)在2022年開始使用5nm工藝；今年上半年，聯(lián)發(fā)科聲明，將于2024年發(fā)布首款3nm汽車芯片，并在2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

汽車芯片正由過去工藝制程相對落后、量大價低的行業(yè)洼地，搖身一變成為芯片行業(yè)高精尖技術(shù)的應(yīng)用先鋒，芯片企業(yè)爭相搶占的技術(shù)制高點(diǎn)。

據(jù)悉，Socionext還將在最先進(jìn)的2nm芯片的設(shè)計上和臺積電以及Arm進(jìn)行合作，將利用臺積電的2nm制程技術(shù)，計劃2025年上半年開始向客戶出貨樣品，樣品將采用把功能各異的芯片進(jìn)行組合的Chiplet技術(shù)。

值得注意的是，英偉達(dá)和聯(lián)發(fā)科也早在5月29日宣布達(dá)成合作：聯(lián)發(fā)科將開發(fā)集成英偉達(dá) GPU 芯粒（chiplet）的汽車SoC，搭載英偉達(dá)AI和圖形計算IP。該芯粒支持互連技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)芯粒間流暢且高速的互連互通。

隨著汽車“新四化”浪潮的推進(jìn)，汽車電子架構(gòu)從分布式向中央與集成轉(zhuǎn)變，衍生出跨域融合的新計算芯片需求。今天汽車芯片要解決的問題是怎樣在算力擴(kuò)展的需求下，做到高性能低成本，同時還要安全可靠。

Chiplet可以大幅簡化汽車芯片迭代時的設(shè)計工作和車規(guī)流程，同時增加汽車芯片的可靠性，提供更好的靈活性，滿足車載市場碎片化、多元化的需求，具有獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢。

并且，在Chiplet的系統(tǒng)級架構(gòu)設(shè)計下，通過2.5D/3D堆疊等先進(jìn)封裝技術(shù)，使用10nm工藝制造出來的芯片可以達(dá)到7nm芯片的集成度，其研發(fā)投入和一次性生產(chǎn)投入則比7nm芯片的投入要少的多。

國產(chǎn)芯片加速替代

目前，國產(chǎn)汽車的“芯痛”問題不僅在于較低的自主可控率，還包括整車企業(yè)不敢用國產(chǎn)芯、前端芯片設(shè)計企業(yè)不愿進(jìn)入汽車行業(yè)等。

對此，擁有汽車與集成電路兩張王牌的上海無法坐視。市經(jīng)信委主任張英說，上海是汽車產(chǎn)業(yè)重鎮(zhèn)，已布局8家整車企業(yè)、600余家國內(nèi)外核心零部件企業(yè)，今年前10月，僅新能源汽車產(chǎn)量就達(dá)103萬輛，占全國14%；上海集成電路產(chǎn)業(yè)同樣硬核，規(guī)模已超3800億元，約占全國25%。市經(jīng)信委智能制造推進(jìn)處處長韓大東還補(bǔ)充了一組人才數(shù)據(jù)。“上海汽車產(chǎn)業(yè)中高端人才占全國22%，上海集中了全國40%的集成電路人才。這兩大產(chǎn)業(yè)，上海在全國可謂集中度最高、產(chǎn)業(yè)鏈最完整、競爭力最強(qiáng)。因此我們推動汽車與芯片‘車芯聯(lián)動’，培育從芯片研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、封裝測試、驗(yàn)證一直到整車應(yīng)用的完整產(chǎn)業(yè)鏈群，也有信心為行業(yè)蹚出一條有效路徑。”

韓大東介紹，上海集成電路企業(yè)逾1300家，其中芯片企業(yè)約400家。“我們計劃第一步，三年內(nèi)培育100家以上的新能源汽車芯片的研發(fā)設(shè)計企業(yè)、兩家IDM（半導(dǎo)體行業(yè)垂直整合制造）主導(dǎo)企業(yè)。這是我們的重中之重。”

為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，市經(jīng)信委和上海汽車芯片產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟還安排了配套的絕招，包括揭牌上海汽車芯片工程中心，以及上海汽車芯片檢測認(rèn)證公共實(shí)驗(yàn)室。芯片企業(yè)流片費(fèi)用較高，且必須依托晶圓制造廠，但晶圓廠因產(chǎn)能緊張，往往無暇顧及小訂單。上海汽車芯片工程中心可提供小批量試制線，幫助中小車規(guī)級芯片企業(yè)解決晶圓制造問題，計劃形成月產(chǎn)能5000片的制造能力。上海汽車芯片檢測認(rèn)證公共實(shí)驗(yàn)室則致力于為汽車芯片產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)提供相關(guān)的檢測、資質(zhì)認(rèn)可服務(wù)。

據(jù)了解，上海汽車芯片產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟于今年2月由上汽集團(tuán)、聯(lián)合電子、華大半導(dǎo)體、華虹宏力等40多家企業(yè)共同發(fā)起成立。聯(lián)盟成立后，上汽集團(tuán)即拿出49款急需聯(lián)合攻關(guān)的高算力、高規(guī)格汽車芯片，面向聯(lián)盟揭榜掛帥，征求國產(chǎn)化替代可行性。結(jié)果，被聯(lián)盟成員“一口回絕”的極少，大部分芯片都被歸為“可討論”范疇，這極大提振了業(yè)內(nèi)信心。另外，自2021年起，上海市集成電路行業(yè)協(xié)會已連續(xù)三年編制“長三角汽車電子芯片手冊”，謀求區(qū)域抱團(tuán)共進(jìn)。據(jù)協(xié)會高級顧問徐秀法介紹，蘇浙皖滬三省一市參與該手冊征集的企業(yè)數(shù)，已從2021年的48家，增至去年69家，征集到的國產(chǎn)車規(guī)級芯片數(shù)從148種增加到215種。“通過生態(tài)搭建、上下游協(xié)同聯(lián)合攻關(guān)，再加上政策支持，3至5年后，國產(chǎn)化率一定會有顯著突破。”徐秀法說。