为什么小芯片在汽车领域如此重要

汽车市场的电气化程度不断提高，竞争日趋激烈，迫使企业加快设计和生产进度。

面对极短的市场窗口期和不断变化的需求，一些最大、最知名的汽车制造商正努力保持竞争力。与过去汽车制造商通常以五到七年为一个设计周期不同，如今汽车上的最新技术很可能在几年内就会被认为过时。如果他们跟不上，就会有一大批新创公司生产廉价汽车，能够像软件更新一样快速更新或更换功能。

但是，软件在速度、安全性和可靠性方面都有局限性，能够定制硬件是许多汽车制造商目前正在努力的方向。这正是芯片的优势所在，现在的重点是如何在大型生态系统中建立足够的互操作性，使其成为一个即插即用的市场。实现汽车芯片互操作性的关键因素包括标准化、互连技术、通信协议、电源和热管理、安全性、测试和生态系统协作。

与电路板级的非汽车应用类似，许多设计工作都集中在芯片到芯片的方法上，这也推动了许多新颖的设计考虑和权衡。在芯片级，由于设计性能要求的提高，各种处理器、芯片、内存和 I/O 之间的互连变得越来越复杂，从而引发了大量的标准需求。为了达到不同的目的，人们提出了不同的互连和接口类型，而用于专用功能（如处理器、存储器和 I/O）的新兴芯片技术正在改变芯片设计的方法。

西门子 EDA 虚拟和混合系统副总裁 David Fritz 说：「汽车原始设备制造商已经意识到，要控制自己的命运，就必须控制自己的 SoC。」此外，他们认为需要采用最新的工艺节点，而在这种节点上，一个光罩组的成本将高达 1 亿美元。他们负担不起。他们也无法获得人才。综上所述，原始设备制造商意识到，要想掌握自己的命运，他们需要一种技术，这种技术由其他公司开发，但可以根据需要进行组合，从而生产出独特的差异化产品，他们相信这种产品至少在未来几年内不会过时。这样，它才具有经济可行性。唯一符合要求的就是芯片。

芯片组可针对特定功能进行优化，从而帮助汽车制造商利用已在多种汽车设计中得到验证的技术来满足可靠性、安全性和安保要求。此外，它们还能缩短产品上市时间，并最终降低不同特性和功能的成本。

过去十年来，对芯片的需求一直呈上升趋势。根据 Allied Market Research 的预测，全球汽车芯片需求将从 2021 年的 498 亿美元增长到 2031 年的 1213 亿美元。这一增长将吸引更多的汽车芯片创新和投资，而芯片有望成为一大受益者。

但小芯片市场的成熟还需要一段时间，并且可能会分阶段推出。最初，供应商将提供不同规格的专有模组。然后，合作伙伴将共同努力提供小芯片以相互支持，就像一些供应商已经发生的那样。最后阶段将是普遍可互操作的小芯片，由 UCIe 或其他互连方案支持。

进入最后阶段将是最困难的，并且需要进行重大改变。为了确保互操作性，汽车生态系统和供应链中足够多的部分必须聚集在一起，包括硬件和软件开发商、代工厂、OSAT 以及材料和设备供应商。

势头正在增强

好的一面是，并非所有这些都是从零开始。在电路板层面，模块和子系统一直都使用板载芯片到芯片接口，今后也将继续使用。各种芯片和 IP 提供商，包括 Cadence、Diode、Microchip、NXP、Renesas、Rambus、Infineon、Arm 和 Synopsys，都提供现成的接口芯片或 IP 来创建接口芯片。

Cadence 设计 IP 高级产品营销组总监 Arif Khan 表示：「在必要性的推动下，Chiplet 已经出现了。不断增长的处理器和 SoC 尺寸正在达到标线极限和规模不经济。工艺技术进步带来的增量收益低于每个晶体管和设计成本的上升。封装技术（2.5D/3D）和芯片间接口标准化（例如 UCIe）的进步将促进小芯片的开发。」

目前使用的几乎所有芯片都是由英特尔、AMD 和 Marvell 等大型芯片制造商自行开发的，因为他们可以严格控制这些芯片的特性和行为。但目前各个层面都在努力向更多的参与者开放这一市场。到那时，小公司就可以开始利用那些备受瞩目的开拓者迄今为止所取得的成就，并围绕这些发展进行创新。

Arteris 战略营销高级总监 Guillaume Boillet 说：「我们中的许多人都相信，拥有现成的、可互操作的芯片组合这一梦想很可能需要数年才能成为现实。这也提高了 FPGA 和 eFPGA 的吸引力，它们可以为现场硬件提供一定程度的定制和更新。」

Flex Logix 首席执行官 Geoff Tate 说：「Chiplets 是一个真实存在的东西。现在，一家公司生产两个或更多芯片组，比生产几乎没有良品率的近微粒尺寸芯片要经济得多。芯片标准化似乎还很遥远。即使是 UCIe 也还不是一个固定的标准。并非所有人都同意 UCIe、裸芯片测试、集成封装不工作时问题归谁等。我们确实有一些客户使用或正在评估 eFPGA 接口，而这些接口的标准（如 UCIe）还在不断变化中。他们可以现在实施芯片，以后再使用 eFPGA 来适应标准的变化」。

还有一些来自其他方面的支持，比如设备扩展成本的上升，以及在芯片中集成更多功能的需要等。但是，这些努力也为汽车芯片铺平了道路，而且业界也为实现这一切提供了强有力的支持。例如，在 SEMI、ASME 和三个 IEEE 协会的赞助下，新的异构集成路线图（HIR）研究了各种微电子设计、材料和封装问题，为半导体行业制定了路线图。他们目前关注的重点包括 2.5D、3D-IC、晶圆级封装、集成光子学、微机电系统（MEMS）和传感器，以及系统级封装（SiP）、航空航天、汽车等。

在最近举行的 2023 年异构集成全球峰会上，来自 AMD、应用材料公司、日月光、Lam Research、联发科、美光、Onto Innovation、台积电等公司的代表对芯片组表示了大力支持。另一个支持芯片的组织是芯片设计交换（CDX）工作组，它是开放域专用架构（ODSA）和开放计算项目基金会（OCP）的一部分。芯片设计交换（CDX）章程侧重于芯片和芯片集成的各种特性，包括 2.5D 堆叠和 3D 集成电路（3D-IC）的电气、机械和热设计交换标准。其代表包括 Ansys、Applied Materials、Arm、Ayar Labs、Broadcom、Cadence、Intel、Macom、Marvell、Microsemi、NXP、Siemens EDA、Synopsys 等。

西门子的弗里茨指出：「汽车公司对每个芯片在功能方面的要求仍处于动荡状态。」这就是我们所需要的。这些公司可以去做这样的工作，然后你可以把它们放在一起。这样，互操作性就不是什么大问题了。原始设备制造商可能会说，'我必须处理所有的可能性'，从而使事情变得过于复杂。另一种选择是，他们可以说：'这就像高速 PCIe。如果我想从一个接口通信到另一个接口，我已经知道怎么做了。我已经有了运行操作系统的驱动程序。这样就能解决很多问题，我相信最终会是这样的」。

标准接口可实现 SoC 定制

目前还不完全清楚标准处理器（目前大多数芯片组都使用标准处理器）与为汽车应用开发的芯片组之间会有多少重叠。但随着这项技术进入新的市场，其基础技术和发展肯定会相互促进。

Synopsys 公司 IP 加速解决方案部高级产品经理 David Ridgeway 指出：「无论是人工智能加速器还是 ADAS 汽车应用，客户都需要标准的接口 IP 块。」围绕客户的 IP 定制要求提供经过全面验证的 IP 子系统，以支持客户 SoC 中使用的子系统组件，这一点非常重要。当我说定制化时，你可能没有意识到在过去的 10 到 20 年中，IP 在物理层和控制器方面的定制化程度有多高。例如，PCI Express 已从 PCIe 第 3 代发展到第 4 代、第 5 代，再到现在的第 6 代。控制器可配置为支持较小链路宽度的多种分岔模式，包括一个 x16、两个 x8 或四个 x4。我们的子系统 IP 团队与客户合作，确保满足所有定制要求。对于人工智能应用而言，信号和电源完整性对于满足其性能要求极为重要。我们几乎所有的客户都在寻求突破，以实现尽可能高的内存带宽速度，从而使他们的 TPU 每秒能够处理更多的事务。只要是云计算或人工智能应用，客户都希望获得最快的响应速度。

图 1：包括处理器、数字、PHY 和验证的 IP 模块可帮助开发人员实现整个 SoC。来源：新思科技

优化 PPA 的最终目标是提高效率，这使得小芯片在汽车应用中特别有吸引力。当 UCIe 成熟时，预计整体性能将呈指数级提升。例如，UCIe 在标准封装中可以提供 28 至 224 GB/s/mm 的带宽，在高级封装中可以提供 165 至 1317 GB/s/mm 的带宽。这意味着性能提高了 20 至 100 倍。将延迟从 20 纳秒降低到 2 纳秒代表着 10 倍的改进。另一个优点是功率效率提高了约 10 倍，分别为 0.5 pJ/b（标准封装）和 0.25 pJ/b（高级封装）。关键是尽可能缩短接口距离。

结论

实现芯片到芯片接口标准化的想法正在迅速流行，但实现这一目标需要时间、努力，以及很少相互交流的公司之间的大量合作。制造一辆汽车需要一个汽车制造商。而使用芯片制造汽车则需要包括开发商、代工厂、OSAT、材料和设备供应商在内的整个生态系统共同努力。

汽车原始设备制造商是系统组装和寻找创新方法降低成本的专家。但是，他们能否快速、有效地建立并利用可互操作芯片的生态系统来缩短设计周期、提高定制化程度，并适应这样一个世界，即当最先进的技术完全设计完成、经过测试并提供给消费者时，它可能已经过时。

商业 Chiplet 生态系统可能还需要十年的时间

半导体工程与 Arteris 解决方案和业务开发副总裁 Frank Schirrmeister 和 Paul Karazuba，Expedera 营销副总裁；Stephen Slater，是德科技 EDA 产品管理/集成经理；Kevin Rinebold，西门子 EDA 高级封装解决方案客户技术经理；Mayank Bhatnagar，Cadence 硅解决方案部产品营销总监；以及 Synopsys 高性能计算 IP 解决方案产品管理副总裁 Mick Posner，坐下来讨论建立商业小芯片生态系统的挑战。以下是该讨论的摘录。

SE：如今，Chiplet 的各个方面都有很多讨论和活动。您对商业 Chiplet 生态系统目前的状况有何看法？

Schirrmeister：如今，人们对开放式小芯片生态系统很感兴趣，但我们距离真正的开放性可能还很远。小芯片的专有版本仍然活跃并正在蓬勃发展。我们在设计中看到了它们。我们的供应商都支持这些目标，使其成为现实，就像 UCIe 支持者一样，但要实现完全开放的生态系统还需要一些时间。我们可能至少需要三到五年才能达到 PCI Express 类型的交换环境。

Bhatnagar：商业小芯片生态系统还处于非常早期的阶段。许多公司正在提供小芯片，正在设计它们，并且正在运输产品，但它们仍然是单一供应商产品，同一家公司正在设计所有部件。我希望随着 UCIe 标准的进步以及更多的标准化，我们最终能够为小芯片提供类似市场的环境。

Karazuba： AMD 等组织非常了解同质小芯片的商业化。但对于异构 chiplet（即来自多个供应商的 chiplet）的商业化，仍然存在很多问题。

Slater：我们参加了很多董事会讨论，并参加了台积电 OIP 等行业活动，目前有很多令人兴奋的事情。我看到很多中小型客户开始考虑他们的小芯片应该是什么的开发计划。我确实认为那些最先取得成功的将是那些处于像台积电这样的单一代工生态系统中的公司。今天，如果您要选择 IP，您可以通过多种方式来选择哪个 IP，查看之前已流片的内容以及它的成功程度，以便您可以管理风险和成本当你把东西放在一起时。未来我们会看到，现在你有选择了。您是购买 IP，还是购买 chiplet？至关重要的是，它们都来自同一个晶圆厂，并以相同的方式组装在一起。UCIe 标准封装与先进封装等技术考虑因素、高速仿真分析工具集等技术因素将变得更加重要。

Rinebold：我从事这方面工作已经有大约 30 年了，所以我可以追溯到多芯片模块等最早的时代。当我们谈论生态系统时，今天有很多例子，我们看到 HBM 和逻辑在中介层级别相结合。如果您相信 HBM 是一个小芯片，那么这就是有效的，而这是一个完全不同的论点。有些人认为 HBM 属于这一类。真正的乐高积木、小芯片的组合和匹配的想法仍然是主流市场的渴望，但也有一些业务障碍需要解决。同样，一些单一供应商解决方案也有例外，它们或多或少是同质集成，或者是完全垂直集成类型的环境，其中单一供应商将自己的小芯片集成到一些非常令人印象深刻的封装中。

Posner ：「抱负」是我们用来形容开放生态系统的词。我会有点沮丧地说我相信这是 5 到 10 年后的事情。是否可以？绝对地。但我们目前看到的最大问题是对于其真正含义存在巨大的知识差距。随着科技公司更多地了解这意味着什么，我们会发现采用速度将会有所加快。但在我们所说的「专属」范围内——单个公司或微型生态系统内——我们看到多芯片系统正在兴起。

SE：是否有可能从技术角度定义我们今天拥有的各个部分，使商业小芯片生态系统成为现实？

Rinebold：令人鼓舞的是标准的制定。我们已经提到了一些芯片间协议的 UCIe。JEDEC 等组织宣布将其 JEP30 PartModel 格式扩展到 Chiplet 生态系统中，以纳入 Chiplet 风格的数据。大部分工作已纳入开放计算下的 CDX 工作组。这令人鼓舞。早些时候有一些关于开放市场的评论。我同意我们可能还需要 3 到 10 年才能实现这一目标。底层框架和基础设施已经存在，但在看到任何类型的广泛采用之前，必须解决许多许可和分发问题。

Posner ：基础设施是可用的。用于创建、打包、分析、模拟、制造的 EDA 工具——这些工具都在那里。围绕它的知识产权，无论是 UCIe 还是一些更传统的芯片间接口，都在那里。尚未建立实现互操作性的完整方法和流程。圈养内的一切都是可能的，但更广泛的生态系统、市场将需要芯片互操作性、模拟、封装等等。这是我们认为缺失但仍在建设的领域。

Schirrmeister：我们知道需要什么吗？我们或许可以很好地定义它。如果愿景是一个开放的生态系统，在小芯片上有 IP，您可以像乐高积木一样将其拼凑在一起，那么 IP 行业会告诉我们需要什么，然后在它们之上存在一些差距。我听到来自硬编码 IP 世界的人们谈论相当于小芯片的 PDK，但今天的 IP 生态系统和 IP 可交付成果告诉我们，它还不能像乐高积木一样工作。我们每年都在进步。当您将其分解为小芯片和协议时，我们需要认真思考额外的挑战是什么。然后，您需要处理重大的系统性问题，例如如何处理小芯片之间的一致性？在芯片上完成它已经足够具有挑战性了。现在，您可能必须与您甚至不拥有的其他合作伙伴打交道。这不是开放生态系统中的圈养环境。这使得它非常具有挑战性，并且它创造了至少 5 到 10 年的工作保障。

Bhatnagar：在技术方面，进展顺利的是采用。我们可以看到像英特尔这样的大公司，当然还有像我们和新思科技这样的 IP 提供商。每个人都在努力实现小芯片集成的标准化，而且效果非常好。EDA 工具也即将推出来支持这一点。但我们离市场还很远，因为还有很多问题没有解决，比如许可和其他一些需要更多时间的事情。

Slater：标准机构和网络团体让很多人兴奋不已，我们也迎来了众多客户。我在想，这是否只适用于非常高端的计算？从我在此类论坛上看到的公司来看，甚至有汽车或航空航天/国防领域的公司正在规划未来 10 年或更长时间的未来。以汽车为例，这家公司正在考虑创建用于内部消费的小芯片，因此可能会重新组织他们如何看待创建其产品的许多不同变体或演变，试图将其作为更模块化的小芯片类型的块来实现。「如果我们将微处理器作为其中的一部分，我们是否会将其作为小芯片对外出售，以供其他客户集成到更大的设计中？」对我来说，顿悟的时刻是看到它的应用范围有多么广泛。

我确实认为标准工作进展非常快，而且效果非常好。例如，在 Keysight EDA，我们刚刚发布了小芯片 PHY 设计器。它是对 UCIe 高速数字链路的模拟，只有通过发布标准才能实现，因此 EDA 公司可以查看它并了解他们需要用它做什么。EDA 工具已经准备好处理此类事情。也许最后一点是，为了共享 IP，为了确保其可用，数据库和流程管理将变得更加重要。您需要跟踪哪个芯片是在哪个流程中制造的，并能够在公司内部将其提供给该芯片的其他潜在用户。

SE：从商业角度来看，目前已经有了哪些进展，哪些还需要解决？

Karazuba：从商业角度来看，严格来说异构小芯片，我认为没有任何东西真正到位。让我通过问「谁负责保修？」来限定这一点。谁负责测试？过失谁负责？谁负责供应链？对于同质小芯片或单片硅，这是可以理解的，因为这就是该行业自诞生以来一直开展业务的方式。但是，当您谈论来自多个供应商、具有多个 IP（可能还有不同的接口）、在多个晶圆厂制造、然后由第三方构建、由第三方组装、由第四方测试、然后发货的小芯片时，出现问题时会发生什么？你把矛头指向谁？你去找谁谈话？如果某个特定的小芯片未按预期运行，则不一定是该小芯片有问题。它可能是另一个小芯片或集线器上的接口，无论它是什么。我们即将实现这一目标，但目前尚不清楚谁将为此类事情负责。是多芯片模块制造商，还是购买者。我担心会回到 Wintel 问题，即芯片制造商指向操作系统制造商，操作系统制造商指向硬件制造商，操作系统制造商指向芯片制造商。对商业方面的理解是小芯片被采用的真正障碍。诚然，技术比商业困难得多，但我毫不怀疑工程师会比业务人员更快地实现这一目标。

Bhatnagar：从商业角度来看，真正重要的是标准化。Chiplet 的内部很好，但它如何影响周围的其他 Chiplet 很重要。我们希望能够制作一些东西并出售它的许多副本。但如果没有标准化，那么我们要么是在赌博，只追求一种东西并假设每个人都转向它，要么我们为同一件事制作多个版本，这会增加额外的成本。为了真正证明任何小芯片或任何类型的小芯片 IP 的业务案例的合理性，标准化对于系统的电气互连、封装和所有其他方面至关重要。