汽車芯片高增長背後的“隱憂”_風聞

隨着汽車電動化、網聯化、智能化、共享化“新四化”的趨勢不斷加速，半導體在汽車中的佔比越來越高。據悉，一輛傳統汽車一般需要用到500-600顆的芯片，而一輛新能源汽車所需的芯片更多，達到1000顆以上。到2030年，汽車50%的成本將與芯片相關，而汽車製造商80%的創新將由芯片驅動。

汽車半導體市場的發展如火如荼，但其也面臨了一些挑戰。缺芯是一方面；另外，隨着汽車產業供應鏈管理不斷下沉，車載芯片的複雜程度和質量要求也越來越高；再者，汽車芯片本身所要求的零缺陷也是一大挑戰。

**火熱的汽車芯片市場，**缺陷問題不容忽視

首先讓我們來看下，一輛汽車會用到哪些芯片呢？

如果按照芯片通用分類的話，汽車芯片無外乎三大類：

一是用於信息處理的計算和存儲芯片，其中計算芯片主要包括MCU和SoC，智能汽車需求下，自動駕駛SoC和智能座艙SoC是時代發展下的新產物；二是用於電能轉換和控制的分立器件，主要包括IGBT、MOSFET以及SiC等功率器件，隨着新能源汽車的普及，對分立器件的需求量大幅增加，目前IGBT仍是汽車功率器件中佔比較大的一個，不過行業的新趨勢正在由Si基向SiC邁進；三是汽車感知和採集信息的芯片，主要是各類傳感器和雷達，他們用來充當汽車的眼睛、耳朵，車載芯片有一半的需求來自傳感器。

在汽車芯片高需求的機遇之下，上述各類芯片無一例外的都迎來了巨大的發展機遇。根據Omdia的數據，汽車半導體中的所有類別都以兩位數的速度增長，車載半導體市場在2021-2025年將以15.8%的複合年增長率增長。

2025 年列出的百分比是 2020 年至 2025 年每個類別的複合年增長率（來源：Omdia）

不過隨着汽車芯片種類和數量應用的增長，也帶來了一個隱憂，那就是，任何一個芯片的失效對一台車來説很可能造成致命性損傷。近年來，近50%的汽車召回是因為電子元件有缺陷。強如特斯拉，也頻頻因如中央處理器可能過熱重啓、緊急系統存在故障、通訊錯誤導致的前向碰撞預警或自動緊急制動系統意外啓動等各種各樣的問題召回車輛。汽車芯片安全問題不容忽視。

相較於其他電子產品，汽車擁有更明顯的特殊性。除了常規的電子器件的基本功能之外，車載芯片與消費類芯片在設計、製造等環節的流程不同，汽車廠商對芯片成品質量的要求更嚴苛，需要滿足各種標準，比如ISO26262規範、AEC-Q100規範等。

ISO26262規範

汽車電子委員會 (AEC) 發佈的零缺陷戰略框架（AEC-Q004）

對汽車芯片“零缺陷”的追逐成為行業的共同目標。汽車行業正在降低芯片缺陷的可接受水平，缺陷率過去的衡量單位為百萬分之一 (ppm) ，而現在的衡量單位為十億分之一(ppb)。據Amkor的分析，如果每輛汽車有大約40個電子系統，而每個系統有大約250個半導體元件，那麼元件層面即使1ppm（百萬分之一）的缺陷率也會導致汽車整體的缺陷率陡增至10,000ppm (1%)，這個數字對於安全關鍵型電子器件來説是過高的。

圖源：Amkor

為了達到汽車的安全，汽車芯片廠商更難了。

如何打造一款零缺陷的汽車芯片？

在自動駕駛汽車中，物理、驅動、傳感器、嵌入式軟件和SoC是高度相互依賴的，比智能手機芯片的設計要複雜100倍之多。因此，要打造一款零缺陷的汽車芯片需要從芯片源頭的設計開始，到後面的製造、封測進行全方位的覆蓋才行。

首先在汽車芯片設計環節，自然離不開對EDA工具的需要，而且自動駕駛安全等級越高，對EDA工具的依賴度就越高。汽車芯片的內在質量或初始質量在很大程度上取決於底層半導體技術和設計規則。

西門子EDA作為一家國際的EDA廠商，這些年來通過在汽車領域的特定收購，逐漸覆蓋了汽車芯片設計、功能驗證、製造測試等全階段，並且具有成熟的數字化管理平台。而且其EDA安全工具完全符合ISO26262的驗證，簡化了芯片廠商的合規過程。

具體到安全方面，汽車安全主要包括功能安全和信息安全兩方面。針對功能安全，西門子EDA的Austemper工具能夠為客户提供分析、插入、驗證全流程的功能安全解決方案。在信息安全方面，西門子EDA的SecureCheck工具，能對芯片內部的網絡接口進行監控，對某些密鑰和銀行賬號相關的訪問加以控制，SecureCheck基於formal的方案，可以幫助客户做窮舉式覆蓋，達到100%的芯片驗證。

此外，西門子EDA的Tessent安全解決方案可對汽車芯片的全生命週期進行安全測試，保證汽車電子芯片的整個生命週期功能正確至關重要；另外，Tessent嵌入式解決方案能夠以硬件的速度檢測、理解並應對網絡威脅。Symphony數模混合驗證平台能為車載系統的SerDes模塊，實現速度、精度、易用性以及糾錯功能方面完美平衡。Calibre PERC可對原理圖和版圖進行各種檢查驗證，幫助把關半導體器件可靠性設計的新方法。

芯片設計完之後，對芯片的測試至關重要。過去因芯片測試率不足導致的嚴重事故不勝枚舉，要實現零缺陷，對芯片進行100%測試將是很重要的一點。那麼汽車芯片的測試主要包括哪些測試呢？從汽車芯片的前期驗證到最終量產，測試主要分為特徵化測試(Char Test)、量產測試(Production Test)和AEC-Q測試，其中特徵化測試主要測試設備的性能及三温，量產測試主要包括屏幕故障部件以及相關的成本測試，而AEC-Q主要是質量測試，測試芯片生命週期和能力。對汽車零部件進行的測試和檢查越全面，則汽車被召回的可能性越低。

100%檢查對汽車組裝過程的影響

資料來源：Bruker

零缺陷又可分為致命缺陷和潛在缺陷。致命缺陷會影響芯片的良率，它們在芯片被放入系統之前就被捕獲了。特別重要的是對潛在缺陷的識別，一些芯片可能當時測試沒問題能正常運行，但是在使用期間的某個時間點發生故障，這也是困擾汽車廠的一個難題。

要減少或者避免潛在缺陷又是一大工程。減少潛在缺陷是半導體工廠的首要任務，晶圓廠的環境空氣、晶圓在其生命週期內的環境以及清潔化學品輸送路徑中材料的完整性等都將是影響汽車芯片缺陷和可靠性的誘因。再者，對於測試廠商來説，能夠更好地檢測潛在缺陷的計量工具也將很關鍵。

此外，要達到零缺陷，芯片可追溯性是汽車行業新的協作方式。芯片可追溯性對汽車行業的重要性體現在其在推動芯片可追溯性標準方面的核心作用。其好處體現在產量提高、防偽保護等。但芯片可追溯性的實施挑戰也很大，主要是IP在硬件供應鏈上的保護問題。自動駕駛汽車設計只有隨着整個供應鏈的芯片和設備可追溯性行業標準的發展才能蓬勃發展。

結語

汽車行業正在經歷一場革命，每家汽車芯片相關的廠商都肩負起了汽車安全可靠的責任，因為汽車的可靠性將始於芯片。汽車芯片零缺陷成為產業面對的一大難題，要實現這一目標，汽車芯片從設計端就開始考慮避免缺陷，並且在製造和封測階段對芯片進行充分的檢測。垂直整合的汽車行業正在發生變化，成功將需要整個價值鏈的協作。