掌控芯片制造的“火候”，看懂小處用心的美好

　　在中文里，“火候”一詞的使用并不局限在廚房，更能用來(lái)評價(jià)處世的修養，以及為人的境界。

　　而在芯片制造領(lǐng)域，也是如此。

　　小小的芯片，看似簡(jiǎn)單，卻充滿(mǎn)了科技之道。只有真的懂得制造工藝與應用原理，了解每一顆芯片生產(chǎn)背后的艱辛，才能看懂制造商從小處用心的美好。

　　晶圓制造與未來(lái)汽車(chē)

　　在強大的半導體技術(shù)推動(dòng)下，許多曾被認為屬于科技幻想的汽車(chē)功能正不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，例如先進(jìn)的駕駛輔助系統(ADAS)正在為自動(dòng)駕駛汽車(chē)鋪平道路?？梢赃@么說(shuō)，汽車(chē)電子業(yè)務(wù)發(fā)展緩慢、后續乏力的情況已經(jīng)一去不返了。

　　總體而言，從現在到2023年，汽車(chē)應用半導體市場(chǎng)預計將出現7%的復合年增長(cháng)率，市場(chǎng)價(jià)值將從350億美元增加到540億美元。在A(yíng)DAS/自動(dòng)駕駛/車(chē)載信息娛樂(lè )系統(IVI)/電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成(EV Powertrain)/安全性等應用的推動(dòng)下，每輛汽車(chē)中所包含的半導體芯片價(jià)格，將從2017年的375美元增長(cháng)到2025年的613美元。在此期間，最具代表性的ADAS應用領(lǐng)域將預計會(huì )出現CAGR猛增的現象，達到19%。

　　然而即使這樣，在大多數人的印象中，汽車(chē)電子與晶圓代工廠(chǎng)之間的關(guān)系似乎并不緊密。不過(guò)，最近兩則與格芯(Global Foundries)相關(guān)的新聞，正在改變人們的這一傳統觀(guān)念。

　　5月23日，格芯宣布22nm FD-SOI(22FDX)技術(shù)平臺通過(guò)AEC-Q100(2級)認證，準備投入量產(chǎn)。這意味著(zhù)，作為AEC-Q100汽車(chē)標準的一部分，格芯22FDX技術(shù)的能力已經(jīng)得到驗證，能夠滿(mǎn)足汽車(chē)市場(chǎng)嚴格的質(zhì)量和性能要求;另一則消息則來(lái)自中國，5月18日，第八屆松山湖中國IC創(chuàng )新高峰論壇上，由中國公司設計，基于芯原(VeriSilicon)VIP8000架構的全球第一顆對標Level-4的基于多傳感器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )芯片，采用GF 22FDX工藝制造，已于今年4月成功流片。

　　格芯在A(yíng)DAS與自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的技術(shù)儲備

　　IP、工藝與服務(wù)，一個(gè)都不能少

　　提到格芯的汽車(chē)電子業(yè)務(wù)，2017年推出的AutoPro服務(wù)包是一個(gè)繞不開(kāi)的話(huà)題。這種服務(wù)包提供所有格芯汽車(chē)技術(shù)都具備的體驗、質(zhì)量和可靠性，以質(zhì)量系統準備就緒、技術(shù)平臺準備就緒和運行準備就緒三種核心技術(shù)為支柱構建，完全滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)嚴格的質(zhì)量和可靠性要求，幫助汽車(chē)制造商利用芯片的力量，邁入“智能互聯(lián)”的新時(shí)代。

　　格芯面向汽車(chē)的功能

　　先讓我們花點(diǎn)時(shí)間簡(jiǎn)單了解一下AutoPro服務(wù)包里所包含的相關(guān)技術(shù)：

　　面向汽車(chē)的嵌入式存儲器

　　格芯130nm至22nm技術(shù)平臺提供了廣泛的嵌入式存儲器解決方案，例如嵌入式磁阻性RAM(eMRAM)和嵌入式閃存(eFlash)，這些存儲器解決方案能夠滿(mǎn)足2級到0級汽車(chē)市場(chǎng)的要求。

　　CMOS毫米波雷達

　　40nm和22FDX CMOS毫米波解決方案能夠實(shí)現存儲器、DSP、模擬和RF的片上系統集成，借此優(yōu)化ADAS解決方案的成本和復雜性，特別適合短距離側面/尾部以及中距離前視雷達。22FDX全耗盡SOI可以比肩SiGe RF性能，適合長(cháng)距離雷達，具備CMOS的集成優(yōu)勢，并因CMOS獨特的背柵極偏壓功能實(shí)現了超低功耗。

　　SiGe BiCMOS

　　SiGe BiCMOS解決方案憑借經(jīng)由SiGe HBT實(shí)現的出色VCO相位噪聲、更高的PA輸出功率和效率，為汽車(chē)ADAS雷達RFIC提供出色性能，非常適合長(cháng)距離前視77GHz ADAS雷達。

　　RF SOI

　　45RFSOI部分耗盡型式SOI技術(shù)采用以RF為中心的厚金屬層后端，此后端被置于含有大量阱的高電阻率襯底上，幫助實(shí)現低損耗和出色的諧波性能。它是面向低延遲、新一代V2V和V2X應用的理想解決方案。該技術(shù)提供出色的RF性能，具備先進(jìn)CMOS的集成優(yōu)勢。

　　動(dòng)力解決方案

　　130nm BCD工藝支持客戶(hù)為電動(dòng)、混合動(dòng)力和內燃機汽車(chē)內的多個(gè)模塊提供單芯片解決方案。符合1級和0級汽車(chē)標準的工藝，適用于電池管理、電池監測、頭端PMIC。其80V器件具備轉變成100V器件的路線(xiàn)圖(適用于48V混合規格)，NVM (eFlash)解決方案則可用于獲取與電池使用時(shí)間和健康狀況有關(guān)的實(shí)時(shí)信息。

　　Autopro服務(wù)包解決方案的重要性，在于它使得格芯在全球的每一個(gè)代工廠(chǎng)，無(wú)論是德國德累斯頓、紐約馬耳他，還是新加坡，甚至包括中國成都工廠(chǎng)，也無(wú)論他們采用何種制程工藝(新加坡的180nm、130nm、55nm、40nm成熟工藝，或是紐約馬耳他廠(chǎng)的14LPP/12LP/7LP FinFET，或是德累斯頓工廠(chǎng)的22納米FD-SOI技術(shù))，都能夠提供通過(guò)車(chē)規認證的多種汽車(chē)客戶(hù)模塊化平臺。

　　比起其他市場(chǎng)的客戶(hù)，汽車(chē)客戶(hù)對質(zhì)量和可靠性的要求更高，這無(wú)可厚非，因為我們都知道，汽車(chē)和卡車(chē)在使用周期內，無(wú)論是在何種天氣、道路條件和交通條件下，都必須正常運行，因此“IATF16949認證”的重要性不言而喻。

　　IATF16949認證是保證整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程處于可控、可追溯狀態(tài)的信心源頭，能向客戶(hù)保證格芯在汽車(chē)級IC的生產(chǎn)、測試、篩選等環(huán)節均處于零缺陷狀態(tài)，這是汽車(chē)客戶(hù)非常在意的指標。目前，格芯位于德累斯頓的Fab 1晶圓廠(chǎng)已經(jīng)完成了首次全面的IATF16949/ISO9001核查，這表明工廠(chǎng)的質(zhì)量管理系統符合汽車(chē)生產(chǎn)要求，汽車(chē)客戶(hù)可以從格芯的平臺上面獲取符合車(chē)規的IC產(chǎn)品。

　　為不同的應用選擇正確的工藝

　　與其它晶圓代工企業(yè)不同，格芯在FD-SOI和FinFET這兩個(gè)領(lǐng)域都有布局。我們始終認為，在22FDX的生產(chǎn)工藝中，它的掩膜工藝成本和復雜度要比14nm FinFET低不少，RF器件所需的基體偏壓(Body Bias)又很難用FinFET工藝來(lái)做。因此，考慮到可以在功耗、性能和成本方面提供實(shí)時(shí)的權衡，FD-SOI將是打造“具備連接能力的新型嵌入式系統所需的理想技術(shù)”，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、5G和先進(jìn)駕駛輔助系統ADAS是最為適于導入FD-SOI技術(shù)的市場(chǎng)領(lǐng)域。而在設計具有最高處理性能的芯片時(shí)，采用像FinFET這樣先進(jìn)的CMOS技術(shù)則更為適合。

　　格芯面向汽車(chē)SoC市場(chǎng)的產(chǎn)品路線(xiàn)圖

　　那么，如何為不同的應用選擇正確的工藝?

　　跟客戶(hù)進(jìn)行深入的交流，充分了解他們的產(chǎn)品需求，是格芯一貫堅持的做法。如果有客戶(hù)想做高性能處理芯片，格芯就會(huì )推薦他們使用FinFET工藝;如果只想做一個(gè)雷達收發(fā)器，那么硅鍺工藝就足夠了;如果想做一個(gè)高分辨率雷達，22FDX工藝則更加合適。而且，在制定方案的同時(shí)，格芯還會(huì )根據不同的工藝給出相應的PPA分析報告，方便客戶(hù)做出正確的選擇。

　　以汽車(chē)雷達為例，目前77-86GHz的中/長(cháng)距離汽車(chē)雷達的射頻部分通?；诠桄N工藝，數字部分基于180nm和130nm CMOS工藝，芯片整體處理能力不強。與之相比，格芯22FDX技術(shù)則能夠提供更出色的毫米波(mmWave)性能和數字密度，使得基于22FDX的雷達傳感器能夠提供更高的分辨率和更低的延遲，且總系統成本非常低。很快我們就會(huì )看到有客戶(hù)展示基于22FDX技術(shù)所構建的雷達成像芯片組，此芯片組能夠檢測300米范圍內的物體，且具備分辨率極高的寬視場(chǎng)。

　　而在77GHz短/中距離雷達模塊的開(kāi)發(fā)中，有客戶(hù)采用的則是格芯成熟的CMOS工藝技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)。該模塊將微控制器、數字信號處理器、SRAM和閃存和支持組件集成于電路板上，用于替代更大型的雷達陣列。

　　當然，雷達只是汽車(chē)半導體應用中的一種。動(dòng)力總成控制是另外一種。在近期舉辦的嵌入式世界大會(huì )中，Silicon Mobility展示了其公司的現場(chǎng)可編程控制單元(FPCU)，用于控制電動(dòng)和混合汽車(chē)的動(dòng)力總成。該單元采用格芯的55LPx CMOS技術(shù)進(jìn)行構建，能夠實(shí)時(shí)處理和控制傳感器及致動(dòng)器，在單個(gè)半導體(符合安全標準ISO 26262 ASIL-D)中，與標準CPU連接。

　　由此獲得的功能更強大、更靈活、更安全的架構，可以提升電動(dòng)和混合汽車(chē)動(dòng)力總成的控制力和性能。通過(guò)在硬件而非軟件中快速實(shí)施復雜的動(dòng)力總成控制算法，大幅節省了能源，并延長(cháng)電池的使用壽命。根據Silicon Mobility的反饋，FPCU可以將電動(dòng)和混合汽車(chē)的行駛范圍擴大32%。

　　目前，對空調、引擎和油路系統進(jìn)行控制的MCU、短/中/長(cháng)距離雷達、針對電動(dòng)/混合電動(dòng)汽車(chē)的電源管理IC、以及用于A(yíng)DAS/自動(dòng)駕駛的高性能處理器，占據了格芯汽車(chē)電子業(yè)務(wù)的前幾位。從我們自己的觀(guān)察來(lái)看，中國汽車(chē)客戶(hù)更傾向于做視覺(jué)和自動(dòng)駕駛處理芯片，歐洲市場(chǎng)比較大的應用來(lái)自微控制器、傳感器、攝像頭和激光雷達，美國則以激光雷達和自動(dòng)駕駛解決方案最具代表性。

　　中國是一個(gè)很有趣的市場(chǎng)，國際市場(chǎng)里有30%的供應商都來(lái)自中國。但很多中國tier 1的車(chē)廠(chǎng)，卻還是從比較大型的車(chē)用器件公司采購標準的雷達或者處理器芯片，這是目前的現狀。不過(guò)，格芯仍然相當看好中國層出不窮的創(chuàng )新方案，將視頻監控領(lǐng)域所涉及的視覺(jué)系統經(jīng)驗運用到汽車(chē)領(lǐng)域就是其中一例。除了提供包括MIPI接口、Can Bus等在內的IP整體解決方案外，通過(guò)在中國成立設計中心，幫助客戶(hù)更好的利用格芯平臺，更是我們的優(yōu)先戰略。