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“缺芯”中的智能汽车芯片到底是什么?

作者:时间:2021-10-09来源:汽车工艺师收藏

按照国际通行的半导体产品标准方式划分:可以分为四类:集成电路(微控制器、模拟 IC、逻辑 IC、存储芯片),分立器件,传感器和执行器、光电子器件共四大类。根据 HIS 数据统计,预计 2025 年全球市场规模将达到682 亿美元,其中模拟 IC 约 170 亿美元、分立器件约 110 亿美元、逻辑 IC 约 101亿美元、存储 IC 约 87 亿美元、微控制器约 85 亿美元、光学半导体约 66 亿美元、传感器与执行器约 63 亿美元。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202110/428708.htm

按照半导体在智能汽车上具体的应用领域划分:可分为与智能化相关的计算芯片、存储芯片、传感与执行器芯片、通信芯片,以及与电动化相关的能源供给芯片。同时,随着处理事件复杂性的日益提升,亦存在将几种不同类型的芯片集成在一起,形成系统级芯片(SoC)。通常,SoC 芯片中包含一个或多个处理器、存储器、模拟电路模块、数模混合信号模块以及片上可编程逻辑,从而可以有效地降低电子/信息系统产品的开发成本,缩短开发周期,提高产品的竞争力。


  • 计算及控制芯片:此类芯片以微控制器和逻辑 IC 为主,主要用作计算分析和决策。与人体大脑类似,可分为主控芯片和辅助芯片。其中,主控芯片包含MCU(微处理器)、CPU(中央处理单元)、FPGA(现场可编程门阵列器件)、ASIC(专用芯片)等,辅助芯片则包含主管图形图像处理的 GPU 以及主打人工智能计算的 AI 芯片等。

  • 存储芯片:主要用于数据存储功能,具体包含 DRAM(动态存储器)、SRAM(静态存储器)、FLASH(闪存芯片)等。

  • 传感芯片:主要用于探测、感受外界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾),并将探知的信息转变为电信号或其他所需形式传递给其他设备。具体包含 CIS(CMOS 图像传感器)、MEMS、电流传感器、磁传感器、陀螺仪、VCSEL 芯片和 SPAD 芯片(用于激光雷达)。

  • 通信芯片:主要用于发送、接收以及传输通信信号,具体包括基带芯片、射频芯片、信道芯片、电力线载波通信芯片、卫星导航芯片等。

  • 能源供给芯片:主要用于保证和调节能源传输,以分立器件为主。具体包括电源管理芯片(AC/DC、LED 驱动芯片等)、晶体管(IGBT、MOSFET 等)、二极管、晶闸管等。


从芯片类型上来看,传统用于中央计算的 CPU 已无法满足智能汽车的算力需求,集合 AI 加速器的系统级芯片(SoC)应运而生。在分布式架构时代,ECU 是汽车功能系统的核心,其主控芯片为 CPU,仅用于逻辑控制(是与非、加或减)。随着E/E 架构由分布式向域控制器/中央计算升级的进程加快,域控制器(DCU)正取代ECU 成为智能汽车的标配。在此升级过程中,仅依靠 CPU 的算力与功能早已无法满足汽车智能化所需,将 CPU 与 GPU、FPGA、ASIC 等通用/专用芯片异构融合的SoC 方案被推至台前,成为各大 AI 芯片厂商算力军备竞赛的主赛道。

SoC 中各处理器芯片各司其职,其中 CPU 负责逻辑运算和任务调度;GPU 作为通用加速器,可承担 CNN 等神经网络计算与机器学习任务,将在较长时间内承担主要计算工作;FPGA 作为硬件加速器,具备可编程的优点,在 RNN/LSTM/强化学习等顺序类机器学习中表现优异,在部分成熟算法领域发挥着突出作用;ASIC 可实现性能和功耗最优,作为全定制的方案将在自动驾驶算法中凸显其价值。

从应用场景来看,计算芯片可以划分为智能座舱芯片和自动驾驶芯片、车身控制芯片。


(1)智能座舱芯片


芯片结构:以“CPU+功能模块”的 SoC 异构融合方案为主。以高通智能座舱主控计算芯片 820A 系列为例:高通 820A 芯片采用 14 纳米工艺,从整体性能上来看,可以实现 hypervisor 和 QNX 系统启动时间小于 3 秒,Android 系统启动时间小于 18 秒,倒车影像启动小于 3 秒。进一步拆解后可分为四大模块:(1)CPU,采用主频高达 2.1GHz 的 64 位四核处理器(Qualcomm® Kryo™ CPU),用于对所有硬件资源的调度与管理;(2)GPU,采用高通 Adreno530GPU,可支持多个 4K 超高清触屏显示,实现一芯多屏;(3)DSP,采用Qualcomm® Hexagon™ 680 DSP,能够在不增加 CPU 负载的情况下,支持 8 个摄像头传感器同时输入;(4)LTE 调制解调器模块,确保车辆在行驶过程中获得持续的移动连接性。除此之外,该芯片可搭载高通深度学习软件开发包(SDK)——Qualcomm 骁龙神经处理引擎(NPE),从而可集成基于机器学习的先进驾驶辅助系统。

竞争格局:瑞萨、英伟达、高通、英特尔、三星等厂商凭借优越的芯片性能和供应链在中高端座舱芯片领域脱颖而出。其中,高通、三星、英伟达由于其在手机、消费电子等领域庞大的出货量及技术储备而大幅摊薄新一代架构的研发成本(7nm、5nm 制程的研发费用高昂),因而可率先卡位智能座舱芯片赛道。目前,高通在国内新兴旗舰车型上近乎实现垄断,其座舱产品迭代速度几乎与手机产品同时更新(三星、联发科座舱芯片至少落后手机一代)。根据高通数据显示,其 2021 年汽车芯片在手订单逾 80 亿美元,主控芯片月出货量高达数百万颗。国产厂商方面,华为和地平线分别凭借麒麟 990A 和征程 2 快速出圈,华为与高通类似,拥有强大的研发、万物互联的鸿蒙生态以及不逊于高通的迭代能力,极狐阿尔法 S 是首款搭载麒麟 990A 的车型,单颗芯片可同时驱动12.3 英寸液晶仪表、20.3 春 4K 触控屏以及 8 寸的 HUD,整体算力达到3.5TOPS(高通最新座舱芯片 SA8155P 为 3TOPS)。而地平线也因其开放的开发平台和完备的工具链受到主机厂青睐,其征程 2 座舱芯片已获得长安 UNI-T车型定点。

(2)自动驾驶芯片

芯片结构:以“CPU+GPU+NPU”的 SoC 异构方案为主。以英伟达自动驾驶主控计算芯片 Xavier 系列为例,该 SoC 芯片主要包含控制单元、计算单元、AI 加速单元三大模块:(1)控制单元(CPU):基于 ARM 架构的 8 核 Carmel CPU;(2)计算单元(GPU):基于 NVIDIA Volta 架构,在 20W 功率下单精度浮点性能可达到 1.3TFLOPS,Tensor 核心性能为 20TOPS,当功率提升到 30W时,算力可达到 30TOPS,性能强劲且具有可编程性;(3)ASIC(AI 加速单元):包含深度学习加速器(DLA,Deep Learning Accelerator)和可编程视觉加速器(PVA,Programmable Vision Accelerator)两个 ASIC 芯片,旨在提高CPU 性能(perf/watt)。

竞争格局:按照供应方式可以分为软硬一体式解决方案和开放式解决方案两大阵营。其中,英特尔(Mobileye)和华为是国内外自动驾驶软硬一体式解决方案提供商的代表,即将传感器、芯片、算法绑定销售的全家桶式方案。该方案优势是能够帮助自研能力不足的主机厂快速上车量产,其中 Mobileye 系列芯片截至 2019 年底出货 5400 万,全球 ADAS 市场占有率约为 70%(2019 年),特斯拉早期便在 Autopilot HW1.0 中采用 Mobileye EyeQ3 作为自动驾驶主控芯片。

此外,华为也宣布提供全栈式解决方案,华为 MDC 计算平台采用“统一硬件架构,一套软件平台,系列化产品”,将在极狐阿尔法 S 上率先落地量产。英伟达和地平线是国内外自动驾驶开放式解决方案供应商的代表,二者均拥有完全开放的生态和完备易用的工具链,OEM 厂商可以在芯片、算法中的任意层次购买服务。目前,英伟达自动驾驶解决方案已被众多新势力厂商及自主品牌所采用,包括小鹏、理想、蔚来等新势力品牌,以及上汽智己等自主品牌;地平线在自动驾驶落地方面也在持续推进当中,目前已宣布在理想 ONE 中取代Mobileye 成为新的自动驾驶主控芯片供应商,将搭载两颗征程 3 自动驾驶芯片。我们认为在智能汽车行业发展初期,部分 OEM 厂商会综合考虑成本、开发周期、系统稳定性等因素而选择软硬件一体式解决方案;当行业迈向成熟阶段,头部 OEM 厂商已具备相当程度算法开发能力,将会倾向于选择更为开放的计算平台,在完善的开发工具链之上结合场景自研算法,以满足差异化需求。

(3)车身控制芯片


芯片结构:车身控制芯片对算力要求较低,通常以 8 位或 32 位的 MCU 芯片为主。车身控制域的本质是在传统车身控制器(BCM)的基础上,集成了无钥匙启动系统(PEPS)、纹波防夹、空调控制系统等功能。因而其中的主要芯片仍以车规级 MCU 为主。根据芯片数据吞吐量的不同,车规级 MCU 主要可分为 8 位、16 位以及 32 位三种。其中,8 位工作频率在 16-50MHz 之间,具有简单耐用、低价的优势,主要应用于车窗、车门、雨刮等车身控制领域;32 位MCU 工作频率最高,处理能力、执行效能更好,应用也更广泛,主要应用于动力域、座舱域等。

同时,由于 8 位的 MCU 的效能持续提升,目前已满足为低阶的 16 位 MCU 的应用需求,叠加 32 位 MCU 成本的逐渐降低,双重因素作用下 16 位 MCU 的市场份额正逐步萎缩。根据 HIS 数据预计,2025 年全球车规级 MCU 市场规模将达到 73.5 亿美元,其中 32 位 MCU 占比将达到 76.6%。

竞争格局:外资厂商高度垄断,行业“缺芯”事件背景下国内厂商正加速崛起。根据 HIS 数据统计,外资厂商凭借先发优势已高度垄断全球车规级 MCU 市场,具体包括恩智浦(14%)、英飞凌(11%)、瑞萨电子(10%)等。而在 2020 年末以来,汽车行业“缺芯”事件加剧,进口 MCU 存货紧俏且价格高企。在此背景下,国内车规级 MCU 市场正加速进口替代。目前,国内成熟的车规级MCU 供应商包括比亚迪电子、杰发科技、芯旺微等。



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