汽车大芯片，巨变前夜

下一代汽车电子和电气架构需要复杂的中央计算单元来满足日益增长的功能需求。融合芯片和基于小芯片的设计是潜在的驱动因素。

软件定义车辆(SDV)的下一代电气/电子(E/E)架构正朝着集中化方向发展。麦肯锡分析估计，到2032年，全球生产的所有汽车中将有30%采用带有区域控制器的E/E架构(图1)。对于半导体行业来说，这种转变需要集中式高性能计算单元，这一点很重要。

未来十年，汽车微元件和逻辑半导体市场预计将在2032年增长至600亿美元。据估计，同期整个汽车半导体市场将从600亿美元增长到1400亿美元。其10%的年复合增长率超过了半导体市场的所有其他垂直市场。

集中式高性能计算单元通常为高级驾驶辅助系统(ADAS)或未来自动驾驶(AD)提供功能，以及信息娱乐和车辆运动任务。两种原型——独立的、特定领域的计算单元和跨领域的计算单元——将主导下一代E/E架构(图2)。根据这一性质，OEM和一级供应商可以通过不同的方式实现集中式计算单元，如基于机架的设置、具有多个芯片的印刷电路板(PCB)或用于多个域的集成芯片。

在所有情况下，选择最有效的底层片上系统(SoC)或系统级封装(SiP)非常重要，原因如下:

首先，SoC和SiP实现了自动驾驶汽车所需的基本计算(例如，通过实现识别其他车辆和交通参与者的感知功能)，还提供了前沿的信息娱乐服务，并支持生成式人工智能(gen AI)的用例(例如，用于汽车助手)。

其次，SoC和SiP是成本的主要驱动因素，并极大地影响整体物料清单(BOM)。最后，它们的功耗可能在确保车辆节能运行方面发挥作用，这对于向电池电动汽车(BEV)的过渡尤为重要。

所以汽车主机厂都是高度投入，不断提升计算能力和效率。因此，ADAS/AD和信息娱乐的两个新兴趋势在即将到来的E/E架构概念阶段引起了关注:融合芯片和基于内核的芯片设计。

本文将讨论融合芯片和基于核的芯片的设计作为未来E/E架构中集中式计算的驱动因素，并讨论为什么它们成为首席技术官在做出有关集中式计算的战略决策时的重要因素。

通过融合芯片促进ADAS/AD和信息娱乐领域的集中计算。

融合芯片可能被视为改善SDV的功能和计算集成的合理的下一步。换句话说，融合芯片将信息娱乐和ADAS/AD的功能结合在一个硅片上，形成一个单一的“融合”芯片。

乍一看，这种集成的技术要求似乎是合理的。如今，ADAS/AD和信息娱乐领域都需要最先进的多核* *处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、AI加速器和数字信号处理器，并且这两个领域都被设计为以非常小的节点尺寸(即小于10纳米)来实现，以提高计算能力和能效。同时，这种集成的几个方面揭示了这两个领域之间的差异:

虽然在信息娱乐领域有一些与功能安全相关的应用(例如，支持驾驶舱集群)，但在ADAS/AD领域，对汽车安全完整性等级B (ASIL-B)和ASIL-D功能安全合规性的需求更加明显，因为在该领域必须执行许多实时关键功能(例如，执行器控制任务)。单纯基于安全岛的方法在这里可能是不够的，因为信息娱乐通常采用这种方法。

在ADAS/AD领域，尤为明显的是硬件/软件(HW/SW)要紧密配合设计，从而针对实现传感元件的特定神经网络架构(如卷积神经网络、变换器)优化计算硬件(如AI加速器)。

在过去的两年中，尽管集成芯片的设计面临着许多挑战，但无晶圆厂半导体制造商和新进入者已经将这一理论想法变成了现实。此外，一些一级供应商展示了使用融合芯片的计算单元的设计，并宣传了它们在SDV环境中的优势。

通过使用融合芯片，OEM可以减少物理计算单元的总数，并进一步简化计算逻辑的整体集成和整合。例如，这种方法对于促进整个车辆生命周期的无线(OTA)更新非常重要，这是SDV的一个关键驱动因素。此外，OEM可以简化信息娱乐和ADAS/AD领域的工具链和开发框架，长期来看具有预期的成本优势。

麦肯锡与全球半导体联盟(GSA)合作，调查整个汽车半导体价值链中的利益相关者。受访者表示，便捷的开发模式(如开发环境和工具链)和成本原因(如节省知识产权和封装成本)是他们决定采用结合ADAS/AD和信息娱乐功能的融合芯片的首要因素(分别为28%和57%)。

同时，向融合芯片的过渡也会带来一些挑战。首先，融合芯片需要更高的技术复杂度(比如验证工作)来保证不受干扰，因为信息娱乐和ADAS/AD必须分开，一个域的任何计算需求都不能干扰另一个域。此外，在信息娱乐和ADAS域之间的协调要求方面，组织负担将会增加。

二是满足L3及以上自动驾驶系统的冗余要求。L3系统需要有条件的自动驾驶仪、计算冗余、作动器(制动和转向)和电源。当信息娱乐和ADAS/AD的计算功能结合在一个高度集成的芯片上时，可能没有必要部署第二个芯片，因为在主芯片出现故障的情况下，信息娱乐领域不需要额外的计算能力。在这种情况下，部署第二个芯片可能会产生开销。

额外的挑战是，由于相关的功能安全要求，电磁兼容性(EMC)的一致性要求更加复杂；个体优化的可能性有限，如功能安全要求、特殊加速器等；以及丧失为这两个领域选择最佳供应商的能力和更高的锁定效果。

在调查中，参与者还指出，采用融合SoC面临的三大挑战是确保无干扰(33%)、处理组织原因(25%)和解决ADAS/AD的冗余要求(19%)。计算能力的可扩展性以及物理和制造难度(分别为13%和10%)被认为不太具有挑战性。

考虑到更高级别的自动驾驶的冗余需求，融合芯片可能是一个特别可行的解决方案，适用于L0到L2应用(如自适应巡航控制([ACC])、车道偏离预警([LDW])和自动紧急制动([AEB])的部署场景，但不适用于L3及以上应用(如免提和抢眼场景)，尤其是在2030年之前。此外，融合SoC可以接管两个领域之间的功能，例如驾驶员监控和乘员检测，鉴于欧洲即将出台的NCAP法规，这些功能变得越来越重要。

在信息娱乐方面，fusion芯片非常适合控制多种功能，如驾驶舱集群、* *堆栈和乘客显示、增强现实显示、全景停车、后座娱乐和电子后视镜。迅驰商城

根据最近的公开公告，用于系列车辆的融合芯片预计将在2026-2027年首次部署，主要由高性价比的大众原始设备制造商和技术遗产有限、对技术创新更加开放的颠覆者采用。

基于小芯片的汽车定制芯片设计

广义而言，“小芯片”是指一种先进的封装形式——即一种提升半导体器件性能、功能和集成度的创新技术，超越了传统的封装方式。芯片组架构代表了半导体设计的范式转变，它可以将多个专用芯片模块化并集成到一个封装中。芯片组允许原始设备制造商为每个子组件选择最佳的技术解决方案，这凸显了并非所有组件都需要以尖端的节点尺寸制造。因此，基于芯片组的设计可用于专用ADAS/AD、信息娱乐芯片和融合芯片。

由于灵活性，当整个芯片被设计为支持不同的计算负载时(例如，通过使用专用的CPU芯片)，人们甚至可以考虑使用该芯片。因此，区域控制器也可能构成一个有趣的应用领域，因为它们的计算要求因原型而异(例如，简单的输入/输出聚合器和成熟的计算单元)。

现代芯片的所有功能(如CPU、内存、AI加速器、串行化器和去串行化器)都没有集成在一个硅片上，而是通过使用最合适、经济上可行的技术节点尺寸来实现芯片组的各个组件(图3)。这意味着CPU和加速器子系统可以采用最小的可用节点大小，而其他功能可以在更大的节点大小上实现。为了确保单独制造的组件仍能一起工作，需要一个通用接口标准，如通用芯片组互连标准(UCIe)。如下所述，创建这些标准的许多努力正在进行中。

在汽车领域，专家经常提到基于核心粒子的芯片设计的两个优势:

整个芯片尺寸减小了。使用核心粒子可以避免单片设计方法增加芯片尺寸(面积)。在过去的五年中，复杂芯片的芯片面积不断增加，几乎达到了极紫外光刻的掩模极限，即858平方毫米。对于数据中心使用的GPU来说，这个问题变得尤为突出，因为更大的芯片尺寸允许容纳更多的晶体管，可以增强计算能力和处理能力。请记住，一个工艺的产量受到缺陷密度(每单位面积的缺陷数量)的限制，较大的芯片更有可能包含一个或多个缺陷，因为它们覆盖的面积较大。哪怕是一个缺陷都可能导致芯片无法正常工作。从长远来看，更小的芯片尺寸可以提高产量，降低成本。

虽然这种效应是核心粒子的一个重要优势，但预计汽车芯片在20世纪30年代中期之前不会达到这种尺寸。相反，乐高原则对垂直汽车行业更重要。

乐高原则(或通过标准实现的模块化芯片设计)允许汽车OEM厂商在现有的设计池或库中混合和匹配组件，以满足他们的特定需求。这一原则的好处包括能够重用组件。因为汽车行业的制造量低于其他细分市场(例如汽车年产量接近1亿，而智能手机出货量接近15亿)，定制可重用组件将提高目标芯片设计的成本效率。其他好处包括加快新芯片的上市时间，通过选择真正需要的组件来提高可扩展性，以及为加速器等特殊芯片提供更多供应商选择。

根据调查，汽车半导体价值链中的大多数受访者(61%)表示，通过混合匹配或乐高原理设计最佳芯片的灵活性是行业采用核心颗粒的主要动机。降低总运营成本和增加单个IP组件的产量被视为基于核的设计的重要优势，但影响较小(19%)。

生态系统对Chiplet的成功至关重要。这些生态系统促进了标准化，并创造了一个鼓励在不同垂直行业(如数据中心和汽车)采用小芯片的环境。

UCIe标准是标准化领域最重要的进展之一。自2022年3月发布首个标准(UCIe 1.0)以来，我们成立了汽车工作组，为标准的修订做出了贡献。

除了标准化之外，新兴的生态系统也在促进其采用方面发挥了作用。例如，由独立的纳米电子研发中心Imec发起的汽车颗粒联盟(automotive pellet alliance)聚集了50多位汽车半导体价值链的参与者，就汽车颗粒设计的进展进行讨论和交流。

小芯片技术仍然是一项新技术。OEM必须考虑使用小芯片的挑战，尤其是在考虑系列部署时。

汽车就绪性:为了满足汽车就绪性，芯片设计必须满足所有必要的设备和制造规范(如AEC-Q100和IATF 16949)，并能承受恶劣的环境，包括振动和温度。与汽车制造相比，数据中心的当前用例提供了更稳定的环境和更少的挑战。

互连标准化:如上所述，生态系统参与者应该考虑开发一个通用标准，这样他们就可以组合设计。目前，行业中的大型参与者正在形成不同的联盟和标准。一个全球范围内被广泛接受的标准对于实现乐高原则的概念至关重要。

采用新的开发模式和开放性:为了确保成功采用颗粒，价值链中的所有参与者(知识产权、代工厂、集成设备制造商和包装)都可以寻求新的合作模式。尽管所有与会者都认为这是一个关键因素，但可能很难及时实现。在某种程度上，这是由于知识产权的挑战和有关责任的未决问题，例如确定哪一方将负责芯片的整体可靠运行，每一方都将提供其构建模块。从验证和确认的角度来看，价值链的参与者认为创建混合“存储”颗粒的方法是不现实的。

价值链中的大多数高层领导预测，在未来十年，颗粒将被更广泛地采用。在调查中，48%的行业领导者预测汽车应用的核心粒子将出现在2027年至2030年之间，而38%的行业领导者预测将出现在2030年至2035年之间。只有8%的人预计技术会发展得更快，也就是2025年到2027年之间。考虑到汽车行业的整体增长和发展时间，这种延迟并不奇怪。

此外，预计芯片的过渡将是渐进的。尽管乐高原理很吸引人，但第一批芯片设计很可能是同质的。在这些设计中，知识产权模块将来自同一个供应商，并使用专有或已建立的标准，如外设部件互连快速(PCIe)。下一步很可能使用外部方的积木来设计，这也有助于解决责任问题。真正的异构设计，具有真正的多厂商或多技术节点大小组合，很可能在20世纪30年代中期及以后出现。

基于芯片的设计的重要性是显而易见的，因为当计算需求增加时，它们允许芯片绕过现有的边界，同时保持成本效率。一旦实现了芯片生态系统和标准，利益相关者应该量化当前应用场景的好处和机会。吉娜丽萨5个超大城市

聚变芯片和核心粒子对整个汽车半导体价值链参与者的影响

SDV的崛起和供应链问题促使汽车原始设备制造商更深入地参与半导体价值链。OEM认识到，全面了解半导体技术以实现自动驾驶和信息娱乐领域的最先进功能对于保持竞争力至关重要。

这一趋势影响了汽车半导体领域的所有参与者，尤其是OEM、一级供应商、IDM和无厂参与者。如上所述，采用聚变芯片的决定很可能需要在未来两到四年内做出，实现核心粒子的问题可能会在未来进一步解决。

汽车计算单元市场预计将从2023年的960亿美元增长到2030年的1480亿美元，复合年增长率为6%(图4)。

具体而言，集中化和一体化趋势导致车身和底盘领域增长有限，年增长仅为1%至2%，动力总成单元甚至略有下降。鉴于这些单元的功能将在区域控制器或集中计算单元(如车辆运动计算单元)中实现，这些单元甚至可能会向下。ADAS/AD和信息娱乐单元的年复合增长率分别为22%和6%。前者由越来越多具备L2+及以上功能(如放手、前瞻、有条件自动驾驶)的车辆驱动。

根据麦肯锡的分析，预计2030年区域控制器的市场价值将达到30亿美元，而集中式计算单元(如集成SoC和车辆运动计算单元)的市场价值将达到80亿美元。

一、对原始设备制造商的影响

在决定是否采用融合SoC时，OEM应考虑以下战略领域:

软件专业知识。你在这两个领域是否有足够的专业知识和对软件架构的掌控来满足集成需求？

ADAS/AD .融合SoC上应该支持什么级别的自动驾驶，承载什么功能？

治理。信息娱乐和ADAS/AD团队是如何设置的？协调开发和发布时间表的可行性如何？

采购策略。从同一个供应商采购ADAS/AD和信息娱乐芯片会阻碍任何战略采购决策和供应链灵活性话题吗？

BOM与所有权经济的总成本。在BOM的基础上能节省多少成本？从总拥有成本的角度，并考虑最初几年投资的要求(如新的开发模型和新工具)，商业案例是什么？

有三种可行的方法:第一，OEM可以简单地依靠其IDM和无厂合作伙伴来促进颗粒的发展；其次，OEM可以通过加入标准化组织(如UCIe)积极参与，并确保纳入具体要求；第三，OEM可以自己积极开发颗粒；但是这个选择需要很多资源，包括建立专门的专业团队。

第二，对一级供应商的影响

一级供应商可能会跟随融合SoC的趋势，通过使用融合SoC来创建自己的集中式计算单元设计。他们可以利用这些设计向原始设备制造商展示潜在的技术和商业利益。几家一级供应商正在实施这一战略，为即将到来的2026年至2028年的生产做准备。

一级供应商提供的芯片选择范围和OEM差不多。一级供应商可能希望尽快联系OEM，将他们的芯片要求纳入下一代集中式计算单元的开发路线图中。

第三，对代工厂、IDM和无晶圆厂制造商的影响

虽然融合芯片的影响和崛起很可能对代工厂、IDM和无晶圆厂厂商的影响有限，但核之间的相关性会引出一个更广泛的问题，那就是最终制造出来的芯片的责任和“归属”。除技术主题外，以下战略领域可能最为相关:

生态系统。哪些生态系统和标准是成功的？有哪些值得早期投资和参与的标准？

知识产权的所有权。谁将持有用于制作最终芯片的知识产权“乐高积木”组合？

责任。如果问题只发生在现场，芯片的最终功能由谁来负责？另外，这一方是负责制造芯片和处理互连，还是提供知识产权的一方？

发展。推广多厂商芯片生态系统还需要哪些额外的工具和方法？如何改变基于芯片的系统的设计验证和确认流程？

商业模式。什么是定价和许可方案？谁会得到什么补偿？

未来，半导体将在中央计算单元中扮演越来越重要的角色。因此，OEM正在深入汽车半导体价值链，积极参与元件、功能和规格的选择。对融合芯片和基于芯片的设计技术、其优势和挑战以及潜在考虑因素的深刻理解，将使整个汽车半导体价值链中的利益相关方在下一代软件驱动的汽车中保持灵活性和竞争力。

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