在汽車設(shè)計和使用方面的四大轉(zhuǎn)變開始不斷融合，它們分別是電氣化，連接性增強，自動駕駛和汽車共享，從而在整個汽車電子供應鏈中產(chǎn)生連鎖反應。

　　在過去的幾年中，轎車和其他車輛中的電子成分激增，電氣系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的機械和機電系統(tǒng)。這一直是半導體發(fā)展的關(guān)鍵動力，而自動駕駛汽車是這一成就的典型代表。然而這個市場的出現(xiàn)也將導致深刻的技術(shù)和社會變化。

　　從設(shè)計方面來看，這個問題經(jīng)很明顯了。汽車電子產(chǎn)品屬于功能安全領(lǐng)域，而該領(lǐng)域以前僅限于醫(yī)療設(shè)備和軍事/航空航天應用。汽車制造商要求電子產(chǎn)品供應鏈中的每個人都必須遵守相關(guān)標準，這意味著沒有直接考慮安全因素而為汽車部件開發(fā)的芯片現(xiàn)在必須符合最嚴格的規(guī)定。

　　OneSpin Solutions解決方案架構(gòu)師David Landoll表示：“ISO 26262標準為功能驗證和系統(tǒng)故障的消除，以及處理操作設(shè)備中的隨機故障影響設(shè)置了一個高標準。一些EDA供應商將會為了符合此標準而爭取獲得外部認證。這使得他們的客戶——半導體供應商更容易達到功能安全合規(guī)要求，從而使子系統(tǒng)和車輛制造商也能夠做到這一點。“

　　Cadence公司 IP業(yè)務開發(fā)總監(jiān)Thomas Wong表示，SoC設(shè)計人員通常針對基于當前使用模式和任務的可靠性指標設(shè)定10年的使用期限，“看看當今的使用模式，我們開車上班、停車，然后在下午6點開車回家。因此，你開車行駛約20英里去上班，停車8小時，然后開車20英里回家。采用設(shè)計約束來反映汽車行業(yè)不斷變化的任務并不是什么新鮮事。對于警察巡邏車或出租車，他們的使用模式與一般人使用汽車的方式有很大不同。對于警車和出租車來說，他們將會有重型輪胎、加強型懸架、更好的制動器、更大的電池、不同的傳動比、更強大的變速箱和更強勁的啟動器等等。在這些類型的車輛上加裝更堅固的機械和液壓系統(tǒng)，主要是為了延長車輛的使用壽命。隨著電動車和自動駕駛呈上升趨勢，不僅僅是機械系統(tǒng)必須變得更加強健可靠?，F(xiàn)在也必須確保真正意義上的“汽車大腦”--所有的半導體芯片和SoC能根據(jù)新的使用模式和任務完成使命。

　　Wong表示：“加上自動駕駛和汽車共享的組合，您可能希望通過自動駕駛，將您的汽車送回家，以便其他人在家時可以使用它。然后在下午5點時，你控制你的自動駕駛汽車去辦公室接你回家。隨著電氣化的普及，每英里的成本在下降，所以你很可能會看到這種情況成為現(xiàn)實——你的汽車不再只行駛兩個20英里，而是行駛4個20英里，即每天行駛80英里?！?/p>

　　還有一種情況可能是共享汽車，Wong說：“這可能是一種無人駕駛的汽車服務，當你在辦公室的時候，你的車正在為你賺錢。因此，您的汽車每天使用10小時。這樣，車輛的磨損加劇，更重要的是，這又將會對車內(nèi)各種系統(tǒng)中使用的半導體產(chǎn)生多么復雜的影響呢？，以上這些情況又將如何影響半導體設(shè)計和可靠性評估呢？“

　　隨著這些新的駕駛場景出現(xiàn)，必須更多地關(guān)注過去未曾考慮過的使用案例。這使得芯片代工廠必須開發(fā)更強大的工藝和設(shè)計規(guī)則，以承受這種更高的使用水平。而這繼而又要求具有更穩(wěn)健的晶體管設(shè)計、用于金屬化的材料，更好的老化模型，以及更嚴格的可靠性設(shè)計（DfR）和制造設(shè)計（DfM）指導，Wong說，“設(shè)計人員可能需要與代工廠密切合作以了解故障機制。需要開發(fā)廣泛的可靠性模型以實現(xiàn)EM / IR分析，且必須考慮提高SoC的可靠性和穩(wěn)健性，例如適應更大的通孔覆蓋率和實現(xiàn)冗余通孔的方法。“

　　然后，為了確定是否需要更新此規(guī)范來反映汽車共享和自動駕駛汽車引起的強化使用模式必須重新審查AEC-Q100規(guī)定的要求?！拔覀円呀?jīng)看到這些趨勢的影響。半導體代工廠已經(jīng)部署了合格的汽車半導體工藝，創(chuàng)建了可靠性和生產(chǎn)設(shè)計規(guī)則。芯片公司已經(jīng)投資培訓他們的工程師熟悉功能安全。ISO 26262和ASIL準備就緒將會是新的必備流行語。汽車原始制造商和設(shè)計公司正在學習如何構(gòu)建更強大的實現(xiàn)3,4和5級自動駕駛車輛所必需的SoC，其中包括冗余、鎖定步驟，主動安全功能，功能安全驗證，ASIL-READY IP模塊等，為了跟上朝著無人駕駛世界快速發(fā)展的趨勢，更先進的EM/IR工具和故障注入工具正在部署。

　　需要更高的帶寬

　　除了這些轉(zhuǎn)變之外，還有一個朝著更多的連接轉(zhuǎn)變。雖然人們最初的注意力主要集中在車輛與車輛之間以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信，但是人們越來越關(guān)注在這些車輛內(nèi)部傳輸大量數(shù)據(jù)。汽車相機、雷達和LiDAR將產(chǎn)生流式視頻數(shù)據(jù)，目前尚不確定這些所有的數(shù)據(jù)將在哪里進行篩選和處理，但可以肯定的是，自動駕駛汽車必須能夠快速傳輸大量數(shù)據(jù)以避免事故發(fā)生。

　　Marvell公司汽車以太網(wǎng)產(chǎn)品營銷高級總監(jiān)Tim Lau 說：“汽車行業(yè)很清楚，汽車中的傳統(tǒng)網(wǎng)絡解決方案真正地受到了帶寬和安全性挑戰(zhàn)，從2020年到2025年，相關(guān)架構(gòu)會更新一代。這就是為什么整個汽車行業(yè)真正開始關(guān)注其他技術(shù)，并且更具體地認識到汽車以太網(wǎng)是汽車中高帶寬網(wǎng)絡連接的最佳解決方案。”

　　繼而，這又在汽車行業(yè)內(nèi)引起了重大變革。它影響到原始制造商和一級供應商所尋求的目標，以及他們?nèi)绾闻c下一代ECU供應鏈中的其他公司進行合作，Lau說。

　　處理性能要求改變

　　“所有數(shù)據(jù)也對汽車系統(tǒng)的加工要求產(chǎn)生重大影響。隨著越來越多的決定是由車輛而不是駕駛員來完成 - 這正成為一些乘坐共享出租車的要求 - 那么在車輛的計算平臺中就需要更強的智能化和處理性能，” Arm公司汽車解決方案和平臺總監(jiān)Robert Day說： “在某些情況下，這將需要更集中的車載電腦以采集大量的傳感器信息，并做詳細的認知和決策處理，從而驅(qū)動相應的功能采取行動。”

　　因此，這要求其性能有很大的提高，但仍然需要在當今汽車的嚴格的功率、空間和熱量要求范圍之內(nèi)。“其他設(shè)計推動感知功能更類似于傳感器，中央計算引擎根據(jù)智能傳感器節(jié)點提供的信息做出決定，”Day說?！霸谶@兩種情況下，都需要提高計算性能然而又不能影響車輛的可用功率，從而需要提供更高性能的多核CPU，還會在汽車SoC加入GPU、視覺處理器和機器學習處理器等附加加速引擎。所有這些計算功能還需要更高級別的安全性，因為決策和行動必須與駕駛員啟動的功能保持相同或更高的安全級別。

　　圖1：自動駕駛車輛所需的計算功能。來源：Arm

　　雖然ISO 26262標準被廣泛地討論，但是在半導體IP設(shè)計中也必須加入其他監(jiān)管或安全考慮。

　　“除了將于今年晚些時候?qū)⒁l(fā)布的ISO 26262第二次修訂以及所有其他已建立的功能安全標準，如IEC 61508、IEC 61511、EN 5012X系列、DO-254等之外，新的監(jiān)管框架正浮出水面，被稱為SOTIF（Safety Of The Intended Function，預期功能的安全性），將被ISO命名為PAS 21448發(fā)布。該標準是為了囊括具有復雜感應和算法的系統(tǒng)驗證，其性能限制可能會導致在沒有故障的情況下出現(xiàn)安全危險。雖然這個新規(guī)范定義的大部分行動都處于車輛和系統(tǒng)級別，但這些將直接影響SoC和IP的要求，從而直接影響直接分配到這些要素上的性能要求的獲取 “Day指出。

　　先進工藝節(jié)點扮演重要角色

　　正在走向自動連接和電動汽車共享的汽車生態(tài)系統(tǒng)對半導體設(shè)計過程會產(chǎn)生額外的影響。

　　“我們看到公司計劃在7nm（當今最先進的finFET節(jié)點）上進行流片，并且他們計劃在該技術(shù)上開發(fā)汽車芯片，”Synopsys公司DesignWare模擬和MSIP解決方案營銷高級主管Navraj Nandra說，“這非常令人驚訝，因為人們通常會認為汽車非常穩(wěn)定，使用的技術(shù)開發(fā)周期和認證周期非常長。但整個供應鏈已經(jīng)完全更新，因為像Nvidia這樣的公司正在向汽車行業(yè)提供芯片組。但他們不是來自傳統(tǒng)的汽車供應鏈，所以他們不會受到傳統(tǒng)供應商不得不遵循的巨大開銷的影響。對他們來說，他們需要在短時間內(nèi)獲得最新、最好的消費市場?！?/p>

　　“因此從IP角度看，汽車正在推動下一代技術(shù)節(jié)點發(fā)展，“Nandra說，“同樣，汽車芯片的軟件和數(shù)字實現(xiàn)的數(shù)量也有了驚人的增長。這意味著對于數(shù)字和軟件部分，您仍然必須滿足所有功能安全要求。人們常在半導體芯片層面談論故障安全，現(xiàn)在它與您的軟件有關(guān)，這是一個非常有趣的話題。您如何使你的SoC上的軟件驅(qū)動某些IP功能塊安全地滿足ISO26262的要求？“

　　可靠性和安全性要求

　　高級汽車應用具有超出許多其他客戶在可靠性或可測試性需求方面的額外要求，ARM研究員Rob Aitken指出，“對于可靠性，它分為幾類，如軟錯誤免疫力，以及隨著時間推移的表現(xiàn)如何，其中可能包括電路如何老化。這些要求往往不如其他一些領(lǐng)域要求嚴格。例如，在汽車設(shè)計中，預期使用壽命為10年或20年，則需要確保內(nèi)存具有足夠的剩余性能，因為隨著時間的推移和設(shè)備性能的下降，它仍然需要工作?！?/p>

　　安全要求越來越多，這既是一個研究課題，也是許多設(shè)計和加密存儲器的實際應用需求?！耙蕾囉谶@些應用的同時，你不希望有人能夠竊取數(shù)據(jù)，”Aitken說，“從SRAM的角度來看，這并不總是很重要，因為有人打算偷走你的SRAM數(shù)據(jù)的可能性很低。這很難做到。但對于像DRAM這樣的產(chǎn)品，有些人實際上’凍結(jié)‘了DRAM芯片，他們將其從服務器上取下并在閑暇時進行解密。在這些情況下，如果DRAM的內(nèi)容被加密，你會得到無用的信息。但如果它們是純文本的，你會得到各種有趣的東西?！?/p>

　　不過，并非所有這些都必須從頭開始。包括網(wǎng)絡和企業(yè)服務器在內(nèi)的細分市場具有與汽車相同的可靠性要求。

　　Rambus產(chǎn)品管理高級總監(jiān)Frank Ferro表示：“基于這些網(wǎng)絡質(zhì)量需求，網(wǎng)絡中的設(shè)備芯片必須運行10年，要求壽命很長?！拔覀円呀?jīng)開發(fā)了具有非常寬的溫度范圍的IP，并且進行了廣泛的測試，因此，進入汽車市場是一個簡單的步驟。這些要求非常相似，并且在某些情況下，汽車要求可能不那么嚴格，這取決于某些網(wǎng)絡市場的認證類型?！?/p>

　　在汽車領(lǐng)域的普遍機會正在推動供應商以其他方式重新思考技術(shù)，以及如何在這里應用，例如數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析。汽車為多學科的工程團隊帶來了一些最復雜的系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)，因此，必須在這里取得成功。

　　“現(xiàn)在的挑戰(zhàn)不僅僅是汽車，你不僅需要驗證一個設(shè)計是否正常工作，還必須反過來模擬設(shè)計的不當，以便在可能發(fā)生的情況下可以對設(shè)計進行修改彌補錯誤，“ Siemens旗下的Mentor產(chǎn)品營銷經(jīng)理Mark Olen說，“我們數(shù)學家說這是一個N平方問題，當我們試圖在（設(shè)計要求的）sigma水平上解決這個問題時，我會非常好奇。每個人都意識到100％實現(xiàn)是不切實際的，但你又能做到99.9999％嗎？這涉及到數(shù)百萬的經(jīng)濟開銷。但是，討論一個自我駕駛的高速汽車中的整個網(wǎng)絡又將會怎樣？“

　　此外，在通向完全自動駕駛車輛的道路上，通過算法解決其中一些問題的唯一方法是使用神經(jīng)網(wǎng)絡或非確定性算法，ArterisIP營銷副總裁Kurt Shuler說，“但是，這與功能安全相結(jié)合，所以必須有界限，因為F = MA，車上有很多M，而且有時也有很多A。這有實時限制，它包括可追溯性問題。很多人都說用軟件會變得更好，但問題就變成了：你改變了軟件，改變了系統(tǒng)?，F(xiàn)在，你必須讓這輛車開始行駛，并獲得認證，才能獨自穿越賽道。行業(yè)是否會這樣做？不，我們需要做很多事情才能真正實現(xiàn)?！?/p>

　　這種思維轉(zhuǎn)變包括確定讓系統(tǒng)執(zhí)行實際計算的最佳方式。

　　Austemper設(shè)計系統(tǒng)公司產(chǎn)品和業(yè)務發(fā)展副總裁Srikanth Rengarajan表示：“自動駕駛行業(yè)的出現(xiàn)在許多方面預示著回歸過去，同時又在其他方面進行徹底改變。例如，沒有偏差的方差或容差的正確計算一直是假定的必要條件DSP和類似的任務主要是進行輔助工作。在汽車中，ADAS芯片組的大部分處理本質(zhì)上是啟發(fā)式的。占優(yōu)勢的神經(jīng)算法是基于隨機性和容忍性以及假設(shè)的偏差。對于芯片設(shè)計師來說，這將重點從絕對正確轉(zhuǎn)變?yōu)榻朴嬎?。通過系統(tǒng)級交叉檢查，多通道計算和模塊化冗余可以提高總體精度，為芯片設(shè)計人員提供更大的回旋余地。“

　　沒有哪個地方比功能安全部分更加明顯，在那里不正確的操作是可以容忍的，只要它受到概率限制或者可以在故障容錯區(qū)間內(nèi)檢測到。Rengarajan說，這種方法正在通過ISO26262和相關(guān)標準進入該行業(yè)。

　　供應鏈中斷

　　鑒于連接的電動自動汽車共享模型中的移動件數(shù)量，除了解決技術(shù)難題外，還可能存在業(yè)務分支。

　　“自動化系統(tǒng)的創(chuàng)新步伐正在大幅增加，這極大地改變了汽車行業(yè)新芯片的交付時間，”Arm的Day表示。“這種變化可能被看作是對供應鏈的破壞，并可能導致市場上出現(xiàn)新生力量。引入自動駕駛車輛中的軟件量增長也意味著Arm需要理解和支持這個新的生態(tài)系統(tǒng)，確保這些巨大的軟件棧針對Arm架構(gòu)進行了優(yōu)化，并且可以看到，Arm研發(fā)的新功能可以提高系統(tǒng)的性能和效率?！?/p>

　　雖然有些人認為這個行業(yè)已經(jīng)在興起，但Helic市場營銷副總裁Magdy Abadir指出，“汽車一直是人們擔心可靠性和安全性的領(lǐng)域，從歷史上看，更多的是關(guān)于采用新技術(shù)的更高質(zhì)量標準、更高可靠性標準，更多風險規(guī)避和保守措施。這是因為擔心發(fā)生一些最終可能會損害一個人的生命，又或者責任過高，擔保過于昂貴的災難?！?/p>

　　隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，嚴格的標準、要求和規(guī)格將會落實到位，在電動共享汽車就緒的時候，半導體和系統(tǒng)設(shè)計人員就已經(jīng)解決了許多問題。但至少在可預見的未來，大的轉(zhuǎn)變將帶來其他挑戰(zhàn)，并且其影響將是重大而廣泛的。