半导体工艺迎变局｜5nm芯片进入汽车有戏否？

汽车缺芯，技术迭代，车规挑战面对汽车缺芯，台积电刚刚表示，虽然其生产能力目前已满，但将“优化”芯片生产，释放产能，如果产能开放，将优先考虑汽车芯片生产。其声明中提到：“我们正在与客户密切合作，并将他们的一些成熟节点转移到更先进的节点，以更好的产能支持他们。”不过，消息来源并未提及是什么节点。

CES 2021上，Ambarella宣布推出CV5 5nm 8K AI视觉处理器SoC，用途包括运动相机、无人机和日益重要的汽车业务。据说它是其内部ISP（图像信号处理）的最强迭代，除了8K60视频录制或四个独立4K视频流等功能，还具有强大AI功能、新的CPU内核，关键在于以三星5LPE（5nm低功耗）节点制造，承诺了非常低的功耗。果真如此，这可是一个绝佳卖点！不过，5LPE还是依赖FinFET晶体管，先进与否，看下面的分析吧。

近年来，随着汽车日益电气化和自动化，越来越多的汽车数据被数字化，迫切需要更先进的电子器件来处理。在汽车这种极端环境中，至今7纳米芯片的使用也是凤毛麟角，5纳米嘛，刚有厂商做出来，还没有量产，而未来会发生什么呢？我们来看看头部半导体厂商的大佬们是怎样看待汽车对芯片可靠性和工艺提出的挑战。

汽车是芯片最大新兴市场

2015年至2018年期间，汽车市场快速增长，随后伴随汽车主机厂退步并重新评估其目标和架构，市场大幅放缓。他们并没有试图在每辆车上都安装一台超级计算机（这在经济上是不现实的），而是将重点放在可扩展的架构上，以处理越来越多的驾驶辅助功能。尽管疫情大流行造成了新车销售的损失，但这项工作仍在进行。

要实现汽车主机厂的愿望，唯一途径是汽车芯片设计的创新，让计算能力再上一个台阶，因此芯片最大的新兴市场之一是汽车。

汽车电子控制单元越来越多

如今，汽车半导体在急剧增长，因为只有通过电子控制系统才能实现更好的燃油效率、安全性、便利性和更严格的排放控制。豪华车采用了更多的电子组件，更智能和高度集成的电子控制单元（ECU）则需要更多的定制专用集成电路（ASIC）。

芯片工艺创新谈何容易

转向先进技术当然令人兴奋，人们相信一辆车能做自己现在能做的事情，但是用所有计算来真正模仿人并不容易。从半导体角度讲，需要芯片有强大的算力。

但是，作为一种成功的经验预测，摩尔定律的走势开始放缓已是不争的事实，可能使之延续下去还要借助于先进IC封装，比如从2D转向3D封装，以提升晶体管的集成密度，同时节省一些加快摩尔定律进程的设计和制造成本。

从芯片工艺来看，追求性能的竞争相当惨烈，主要就是成本的大幅增加，资金投入何止是不菲！在进入10纳米后，芯片代工行业的成本压力越来越大。10纳米芯片的开发成本超过1.7亿美元，7纳米差不多3亿美元，5纳米更是在5亿美元以上。

还有芯片本身的问题。先看5纳米，因为很多原因一直在采用的鳍式场效应晶体管（FinFET）工艺开始失去动力，包括通过细金属丝传输信号、绝缘各种元件的较薄电介质，以及通过长形栅极控制电流泄漏的能力都在下降；甚至制造也成了一个更大的问题，因为对于FinFET，每个新节点的鳍（fin）都更高。

PDF Solutions高级研究员Tomasz Brozek说：“一个问题是，鳍本身必须更坚固，栅极也必须更高。这意味着材料必须进行替代，将金属沉积在沟道内部，触点必须建立在源/漏外延区。因此外延的生长需要更深更高，而触点本身也将围绕着源极和漏极建立，以降低接触电阻，这增加了复杂性。”

这一点对汽车市场尤为重要，因为日益自动化的汽车人工智能（AI）部分需要最先进工艺所具备的特性。但在汽车恶劣环境下使用的芯片中，还从来没有大规模使用过先进节点工艺，落后手机等行业不止一拍两拍。原因在于，在服务器机架中，如果内部温度过高，个别服务器可以将负载转移到其他服务器。同样，如果一部智能手机被放在高温的车里，超过一定温度它就会关机，直到温度降到预设的极限以下才能重启。汽车内的热量会对从内存延迟到电路老化加速等所有方面产生很大影响。

OptimalPlus副总裁兼总经理Doug Elder说：“在5纳米，缺陷和计量数据越来越难以收集。因此，汽车行业采用5纳米的行动将要推迟到解决了这些问题之时。芯片做得如此之小，会影响获取晶圆级数据的能力。一方面，可视性——无论是电的还是光的——都会降低。另一方面，这么小的芯片产生的数据太多了，以至于人们不知道该怎么处理这些数据。在获取这些数据，或者在某些情况下弄清楚如何处理这么多数据方面，问题越来越多。”

5纳米的唯一

2020年6月，恩智浦成为首家采用台积电5纳米工艺技术的汽车芯片公司，为下一代自动驾驶提供高性能安全计算系统级芯片（SoC）平台。据称，台积电有望在2021年秋季向恩智浦的主要客户提供首批样品。

下一代高性能汽车平台功能更多

随着汽车行业大规模并行计算（高性能计算和安全计算并举）创新的需求，汽车主机厂必须在其汽车架构中应对“爆发性软件、极其昂贵的材料清单和更高的安全性”要求。恩智浦N5P（台积电5纳米技术增强版）工艺技术汽车处理平台可以增强其架构产品，与MobileEye、高通、英伟达、瑞萨等竞争。恩智浦的目标是通过提供可以“跨域”使用的统一核心架构来“统一软件基础架构”。

竞争对手Mobileye的EyeQ5采用7纳米工艺，据说EyeQ6可能会升级到5纳米。Mobileye使用了意法半导体较早的制造工艺，而较新的处理器则使用台积电的制造工艺。

在过去一年，台积电和恩智浦与5纳米汽车级生态系统参与者进行了很多合作，在先进工艺节点与IP供应商、工具供应商和其他提供设计支持的供应商进行更多协同设计。

如果明年的样品得以成行并量产，才能说恩智浦是汽车半导体公司中首个采用5纳米工艺技术的公司。在此之前，要使5纳米工艺获得汽车级和功能安全性资格，还有大量的认证工作要做。

恩智浦采用5纳米技术的卖点在于：可以实现高集成度，同时降低功耗。前者很容易理解，后者还难以定论，后面马上分晓。

5纳米集体翻车为哪般？

现实是，实现5纳米大多是吹的，别说车规，就是手机用也还存在问题。为什么？因为10年前困扰台积电和三星的问题又依然故我了。

5纳米是目前EUV（极紫外线）光刻机能实现的最先进芯片工艺，也是智能手机厂商的重要卖点，2020年下半年，苹果A14（“一度达80℃”）、麒麟9000（“发热降频”）、骁龙888（“变身火龙”，810就曾“高烧不退”）等5纳米工艺芯片相继粉墨登场。

汽车芯片千万不能热

不过，公开信息显示，上述芯片无一幸免均被曝实际功耗不低，发热未减，一时间，5纳米芯片集体翻车成为热议话题。

功耗和发热指标不好一直是不断追随甚至想超越摩尔定律的厂商没有解决的难题。主要元凶是芯片内部的晶体管漏电。进入深亚微米制造工艺时代之前，动态功耗一直是芯片设计关注的焦点，但在深亚微米工艺，动态功耗在总功耗中的比例越来越小，静态功耗的比例则越来越大。进入纳米时代，漏电流功耗对整个功耗的影响变得非常显著。研究表明，在90纳米工艺的电路中，静态功耗可以占到总功耗的40%以上。

究其原因，是因为集成电路每一代制造工艺的进步，都是通过缩短CMOS晶体管的沟道长度（微米或纳米）实现的。沟道长度的不断缩短，使电源电压、阈值电压、栅极氧化层厚度等工艺参数也在不断按比例缩小，使短沟道效应（SCE）、栅极隧穿电流、结反偏隧穿电流等漏电流机制越来越显著，表现为芯片漏电流功耗不断上升。更重要的是，漏电流功耗和沟道长度缩小是一个数量级增长的关系，沟道长度越来越短，漏电流功耗增加越来越快。

5纳米之前，之所以台积电、三星和英特尔能抑制漏电流功耗，主要是采用了创新的FinFET，以替代传统的平面式晶体管。

从平面FET、FinFET到未来工艺的变化

在7纳米时，FinFET技术已走基本到尽头，将由环绕栅极晶体管（GAAFET）接替。但由于技术风险和成本压力，头部代工厂在5纳米时代仍不得不使用FinFET。结果可想而知，芯片漏电流功耗暴增几乎抵消了工艺进步的红利。

据透露，英特尔已计划在5纳米（接近台积电3纳米工艺）时切换到GAAFET，台积电则计划在3纳米后再说，三星为了追上台积电，决定在3纳米时就采用GAAFET。不过在GAAFET正式启用之前，芯片发热仍然是一个问题。另外，每一个新节点的数字逻辑都发生了微妙的变化，越来越趋向于类似模拟的行为，迫使芯片工程师开始与信号漂移、噪声和不同应力等问题抗争。

因此，5纳米和已规划的3纳米都增加了新的可靠性挑战，令汽车应用无法承受其重。在3纳米，由于许多原因，这些问题的数量和严重程度还不太清楚。

那么，恩智浦成首家采用5纳米汽车芯片公司又从何而来呢？莫非还有独门绝迹？对此，业界观察人士对于恩智浦的新平台到底是什么样子仍然有点困惑。The Linley Group高级分析师Mike Demler指出，不管工艺节点是什么，这都是一个有趣的消息，他说：“恩智浦的汽车平台非常广泛，5纳米技术并不适用于所有平台。”

巨大的挑战和诱惑

Solutions高级解决方案副总裁Dennis Ciplickas认为：“别说5纳米，像7纳米这样的先进技术都存在一些问题。我们已经看到7纳米芯片中发生的问题——不同类型的变化、生产线可能出现的缺陷以及工艺模块之间的所有交互。测试方式、使用的故障模型、诊断和发现缺陷以及构建理解这些因素的功能安全性是一个巨大的挑战。我们是在朝着自动驾驶的方向前进，我们最终会到达那里。但是，考虑到先进技术的表现方式，要实现这一目标，需要进行的创新是一个巨大的挑战，也是一个巨大的机遇。”

困则思变，即便是芯片行业长期以来的发展趋势，也可能会陷入剧变。先进节点半导体的一些最大消费者也开始自研芯片，其中包括苹果、谷歌、亚马逊、Facebook和阿里巴巴等，都试图通过软硬件协同设计、独特的架构、混合使用加速器和各种类型的处理器和内存来实现数量级的性能改进。

芯片消费大户抢占芯片制高点

最近由主机厂（如特斯拉）驱动的芯片开发已开始证明，高度自动化的驱动平台可以实现优异的性能。不使用市场上现有的芯片，转而采用专门构建的SoC定制的系统需求可以产生巨大的差异。汽车行业已经意识到，对于高度自动化驾驶，主机厂和Tier 1需要在SoC架构的定义中发挥更积极的作用。他们正试图将高性能专用SoC或系统级封装（SiP）全部集成在单个芯片，而不是PCB上满足功能集、每瓦特性能、安全性等要求。

特斯拉自研芯片的全自动驾驶计算机

不过，近日有报道称，特斯拉正在为新型4D全自动驾驶（FSD）开发下一代硬件HW4，而三星电子正在为特斯拉开发5nm芯片。看来自研也有问题。

在此之前，国内一些主机厂已在蠢蠢欲动。蔚来汽车董事长兼CEO李斌在接受采访时表示：“自研自动驾驶芯片并不难，比手机芯片容易。”但已造了芯的地平线创始人兼CEO余凯的话已撂在那里：“到今天为止，全球车企中真正自研芯片的只有特斯拉一家，其他的或许只是声音。就像智能手机，真正自研芯片的很少，绝大部分还是走分工协作的道路，专业分工才能带来效率。虽然也有一些手机厂商尝试过研发芯片，但都不很成功。最后他们都用了高通和联发科的芯片。我认为，专业化的分工可以带来效率，专业的人干专业的事。”

的确，研发自动驾驶芯片要比手机芯片更难，就说满足车规这一条就够研发者喝一壶的。至于车规AI芯片，用余凯的话说“必须是世界级的AI算法公司”才玩得转。简单的芯片或许可以，但也没有自己造的必要，而复杂的芯片更不是一朝一夕能够实现的。

值得一提的是，地平线的车规AI芯片征程3 SoC还是16纳米工艺；而即将推出、预计量产在2022年下半年的征程5并未提及工艺节点；计划当中的征程6将采用车规级7纳米工艺，工程样片的推出时间是2023年。由此可见，国内车规级SoC的节点并不先进。

所有新技术都将极大地增加芯片的复杂性，这可能需要利用最新的工艺节点。虽然高端汽车SoC已经采用7纳米设计，但一些公司已经在准备下一代5纳米先进节点设计。代工厂声称，5纳米提供了大约20%的速度或大约40%的功率降低，是非常适合下一代汽车的处理器。

其影响尚待评估，但成功模式可能会发生重大变化。Xilinx总裁兼首席执行官Victor Peng说：“不可否认的事实是，2021年随着5纳米的投产，剩下的提供高性能产品的半导体厂商将把3纳米产品的开发成本内部化（纳入产品成本）。”

汽车要求非同一般

汽车带来了一系列严格的要求，既有行业驱动的要求（ISO 26262和ASIL A、B、C、D），也有主机厂驱动的要求（18年零缺陷），这对整个行业产生了影响。

Mixel总裁兼首席执行官Ashraf Takla说：“从需求和我们需要做的事情来看，这种变化真的很惊人。就像一个新的生态系统从零开始诞生，每个人都在学习，真的没有专家。每年都有新的要求，我们需要做新的仿真，我们需要遵循更多的规则。”

他说：“对于消费电子产品，缺陷率通常是3西格玛。对于汽车来说是5西格玛或6西格玛。幸运的是，这一切并不是一夜之间发生的。但它将在2021年和未来几年继续存在。”

又想起了摩托罗拉

由于新材料、新晶体管结构的引入以及这些芯片在安全和任务关键型应用中的预期用途，确保芯片在5纳米和3纳米下的可靠性变得越来越困难。

在汽车这样的热、振动和其他物理效应所致应力不能完全预测的应用中，挑战变得更加复杂。动态功率密度的大幅提高，会影响老化模型的更多物理效应，5纳米以下数字电路开始表现得更像模拟电路，会受到一系列模拟问题的影响，这些问题在数字电路设计中从未被重视过。

随着设计的独特性越来越强，这种复杂性变得更大。这些设计中的许多都是异构的，并且包括一些AI/ML/DL版本，这增加了潜在缺陷对芯片功能影响的不确定性。

随着芯片变得越来越密集，在关键应用中的使用越来越多，在可以被替换之前，它们必须持续工作，即使性能不是最佳。这是汽车ISO 26262的基本原则之一，在汽车领域，器件需要正常地进行故障切换，无论是切换到完全冗余的电路还是车辆的另一个器件或模块。

可靠就好

电动汽车和自动驾驶汽车的蓬勃发展正受到汽车行业普遍存在的严格安全法规的影响，对于芯片制造商来说尤其如此，他们必须在实现更高性能的同时，让产品具有汽车合规性以及独特的高可靠性。如果能做到这一点，采用更高工艺节点当然是整个行业的期盼！

对于中国厂商，时间更为紧迫，如余凯所说：“未来三年，是最关键的时间窗口，如果中国品牌在芯片和操作系统上不能够拿到中国智能汽车市场的前两名，我认为我们就基本上出局了。”这就是我们要面对的现实！