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汽車半導體技術革新:SiC、Chiplet、RISC-V的協(xié)同作用

北京中科同志科技股份有限公司 ? 2024-10-28 10:18 ? 次閱讀
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隨著電動汽車和智能汽車技術的迅猛發(fā)展,汽車半導體市場正經(jīng)歷前所未有的變革。在這場變革中,碳化硅(SiC)、Chiplet、RISC-V三大技術成為了推動汽車半導體發(fā)展的關鍵動力。本文將深入探討這三種技術如何為汽車半導體行業(yè)帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。

SiC:電動汽車的“綠色心臟”

碳化硅(SiC)作為一種寬帶隙材料,具有獨特的物理特性優(yōu)勢,如高擊穿電壓、低功率損耗和優(yōu)秀的熱管理性能。這些特性使SiC成為電動汽車動力系統(tǒng)等高壓應用的理想選擇。隨著全球電動汽車需求的持續(xù)增長,SiC功率器件在汽車領域的應用不斷增加,特別是在逆變器、車載充電器(OBC)、直流轉(zhuǎn)換器DC-DC)以及充電樁等領域。

SiC的應用使得電動汽車產(chǎn)品更輕巧、高效,有助于提高電動汽車的續(xù)航里程。例如,采用SiC MOSFET的電動汽車能夠行駛更遠的距離,并能夠更快地充電,這使得電動汽車在擁擠和人口密集的城市地區(qū)成為內(nèi)燃機車輛的有效替代選擇。此外,SiC制造能力的增長也促進了其廣泛采用,隨著越來越多的制造商投資SiC生產(chǎn)設施并開發(fā)更好的制造技術,SiC基產(chǎn)品的可用性有所增加。

根據(jù)IDC的預測,到2027年,汽車半導體整體規(guī)模將超過792億美金。其中,SiC功率器件市場預計將從2023年的31億美元增長到2029年的108億美元,復合年增長率達23.1%。電動汽車占據(jù)了大部分市場份額,特別是逆變器領域,其占比超過了80%。

SiC的廣泛應用不僅提升了電動汽車的性能和效率,還推動了功率半導體市場的快速增長。預計到2030年,全球?qū)⑸a(chǎn)3900萬輛電池電動汽車,相當于2022年至2030年的復合年增長率為22%。這反過來又推動了功率半導體市場,預計到2030年,該市場將使用約50%的硅器件、35%的SiC器件和12%的氮化鎵器件。

Chiplet:重塑汽車芯片的未來

隨著汽車電子電氣架構(gòu)的演進,汽車芯片面臨著更高的算力需求和通信速度要求。傳統(tǒng)的單一芯片設計已經(jīng)難以滿足這些需求,而Chiplet技術則提供了一種新的解決方案。Chiplet技術是一種將多個小型半導體芯片(Chiplets)聚合在一起,形成一個更復雜的芯片系統(tǒng)的創(chuàng)新架構(gòu)。這種方法能夠在性能與成本之間取得更好的平衡,相應提升生產(chǎn)效率和性能。

Chiplet將多個功能模塊集成在同一封裝中,可以靈活選擇不同的制造工藝和材料,以滿足特定應用的需求。這種方法不僅能縮短開發(fā)周期,還能降低研發(fā)成本。在汽車領域,Chiplet技術被視為一種有效應對方案,能夠幫助行業(yè)突破摩爾定律的限制。根據(jù)IDC的預測,2024年可能是Chiplet應用于汽車領域的元年,到2030年,約30%的中央域控制器芯片將采用Chiplet技術。

Chiplet架構(gòu)的靈活性不僅體現(xiàn)在硬件設計上,還體現(xiàn)在系統(tǒng)級架構(gòu)的優(yōu)化上。例如,Chiplet技術能夠?qū)崿F(xiàn)高安全功能與娛樂交互功能的子系統(tǒng)隔離,分別集成于不同Die中。此外,在Chiplet的系統(tǒng)級架構(gòu)設計下,通過2.5D/3D堆疊等先進封裝技術,使用10nm工藝制造出來的芯片可以達到7nm芯片的集成度,同時研發(fā)投入和一次性生產(chǎn)投入則比7nm芯片的投入要少的多。

在車載中央計算單元(如自動駕駛汽車的域控制器)的設計中,Chiplet技術的引入將針對不同計算任務(如圖像處理、人工智能推理、數(shù)據(jù)通信等)定制專用芯粒,然后通過高速互連技術進行組合,從而實現(xiàn)更高的系統(tǒng)集成度、更低的能耗和更強的計算能力。這意味著,戈登·摩爾于半個多世紀前的洞察,不僅為半導體行業(yè)的發(fā)展路徑設定了導向,且為當今Chiplet技術在車載計算領域的革新性應用提供了堅實的理論基礎。

RISC-V:汽車產(chǎn)業(yè)的開源新機遇

RISC-V是一種基于精簡指令集(RISC)原則的開源指令集架構(gòu)(ISA),它允許開發(fā)者自由地進行創(chuàng)新和定制,以滿足特定需求。在汽車領域,RISC-V架構(gòu)因其低功耗、低成本和靈活性而備受關注。隨著全球汽車銷量放緩,汽車半導體市場面臨一定的挑戰(zhàn),但RISC-V等新技術仍為行業(yè)帶來了新的機遇。

RISC-V的應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面:首先,RISC-V的精簡指令集設計使得處理器更加高效,能夠更快地處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行任務。這對于需要實時響應的車輛控制系統(tǒng)尤為重要,如自動駕駛、車輛動態(tài)穩(wěn)定控制等。通過采用RISC-V技術,汽車制造商可以設計出性能更優(yōu)、能耗更低的處理器,從而提升整體車輛性能。

其次,RISC-V的開源特性使得安全研究人員可以更容易地對其進行審查和改進,從而提高系統(tǒng)的安全性。此外,RISC-V的模塊化設計允許開發(fā)者針對特定的安全需求進行定制,如加密算法、安全啟動等,進一步增強車輛的安全性。

第三,RISC-V的開源模式大大降低了傳統(tǒng)專有指令集架構(gòu)所需的授權(quán)費用。汽車制造商可以自由地使用和修改RISC-V架構(gòu),無需擔心高昂的授權(quán)費用,這有助于降低整車成本,提高市場競爭力。

最后,RISC-V的開放性和靈活性為汽車產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新提供了廣闊的空間。開發(fā)者可以根據(jù)具體需求定制指令集,開發(fā)出更適合汽車應用的處理器。這種靈活性不僅有助于推動現(xiàn)有技術的進步,還可能催生出全新的應用場景,如更智能的車載系統(tǒng)、更高效的能源管理等。

在汽車領域,RISC-V的應用正在不斷推進。國家新能源汽車技術創(chuàng)新中心、北京開源芯片研究院和中科海芯三方聯(lián)合成立了RISC-V車規(guī)級的聯(lián)合實驗室,旨在推動國內(nèi)RISC-V車規(guī)芯片技術的快速發(fā)展。北京開源芯片研究院負責提供有競爭力的、穩(wěn)定性的、自主開發(fā)的IP核,中科海芯負責把這些IP核產(chǎn)品化,國家新能源汽車技術創(chuàng)新中心則利用其在生態(tài)領域的積累,提供從芯片設計到開發(fā)到制造到應用的規(guī)范化流程和工具。

此外,國際上也有多家芯片巨頭投身布局RISC-V。例如,英特爾在2022年發(fā)布了EyeQ Ultra系統(tǒng)的芯片,其中包含了12核RISC-V芯片。歐洲四家半導體公司博世英飛凌、北歐半導體和恩智浦與美國高通公司在德國慕尼黑聯(lián)合成立了一家新的RISC-V公司Quintauris,共同推動RISC-V在汽車領域的應用。

結(jié)語

SiC、Chiplet、RISC-V三大技術正成為汽車半導體發(fā)展的三大動力。SiC以其獨特的物理特性,為電動汽車的續(xù)航和性能提供了有力支持;Chiplet技術通過模塊化設計,降低了芯片設計的復雜性和研發(fā)成本,提升了汽車芯片的算力和通信速度;RISC-V架構(gòu)則以其開源性和靈活性,為汽車產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新提供了廣闊空間。

隨著這些技術的不斷成熟和應用,汽車半導體市場將迎來更加繁榮的發(fā)展。未來,我們將看到更多基于這些技術的創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案,為電動汽車和智能汽車的發(fā)展注入新的活力。同時,這些技術也將推動汽車半導體產(chǎn)業(yè)向更高效、更環(huán)保、更智能的方向發(fā)展,為全球汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

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