掌控晶元製造的「火候」，看懂小處用心的美好

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汽車晶元

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在中文裡，「火候」一詞的使用並不局限在廚房，更能用來評價處世的修養，以及為人的境界。

而在晶元製造領域，也是如此。

小小的晶元，看似簡單，卻充滿了科技之道。只有真的懂得製造工藝與應用原理，了解每一顆晶元生產背後的艱辛，才能看懂製造商從小處用心的美好。

晶圓製造與未來汽車

在強大的半導體技術推動下，許多曾被認為屬於科技幻想的汽車功能正不斷被開發出來，例如先進的駕駛輔助系統(ADAS)正在為自動駕駛汽車鋪平道路。可以這麼說，汽車電子業務發展緩慢、後續乏力的情況已經一去不返了。

總體而言，從現在到2023年，汽車應用半導體市場預計將出現7%的複合年增長率，市場價值將從350億美元增加到540億美元。在ADAS/自動駕駛/車載信息娛樂系統(IVI)/電動汽車動力總成(EV Powertrain)/安全性等應用的推動下，每輛汽車中所包含的半導體晶元價格，將從2017年的375美元增長到2025年的613美元。在此期間，最具代表性的ADAS應用領域將預計會出現CAGR猛增的現象，達到19%。

然而即使這樣，在大多數人的印象中，汽車電子與晶圓代工廠之間的關係似乎並不緊密。不過，最近兩則與格芯相關的新聞，正在改變人們的這一傳統觀念。

5月23日，格芯宣布22nm FD-SOI(22FDX)技術平台通過AEC-Q100(2級)認證，準備投入量產。這意味著，作為AEC-Q100汽車標準的一部分，格芯22FDX技術的能力已經得到驗證，能夠滿足汽車市場嚴格的質量和性能要求；另一則消息則來自中國，5月18日，第八屆松山湖中國IC創新高峰論壇上，由中國公司設計，基於芯原(VeriSilicon)VIP8000架構的全球第一顆對標Level-4的基於多感測器的神經網路晶元，採用GF 22FDX工藝製造，已於今年4月成功流片。

格芯在ADAS與自動駕駛領域的技術儲備

IP、工藝與服務，一個都不能少

提到格芯的汽車電子業務，2017年推出的AutoPro服務包是一個繞不開的話題。這種服務包提供所有格芯汽車技術都具備的體驗、質量和可靠性，以質量系統準備就緒、技術平台準備就緒和運行準備就緒三種核心技術為支柱構建，完全滿足汽車行業嚴格的質量和可靠性要求，幫助汽車製造商利用晶元的力量，邁入「智能互聯」的新時代。

格芯面向汽車的功能

先讓我們花點時間簡單了解一下AutoPro服務包里所包含的相關技術：

+面向汽車的嵌入式存儲器

格芯130nm至22nm技術平台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)和嵌入式快閃記憶體(eFlash)，這些存儲器解決方案能夠滿足2級到0級汽車市場的要求。

+CMOS毫米波雷達

40nm和22FDX CMOS毫米波解決方案能夠實現存儲器、DSP、模擬和RF的片上系統集成，藉此優化ADAS解決方案的成本和複雜性，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，適合長距離雷達，具備CMOS的集成優勢，並因CMOS獨特的背柵極偏壓功能實現了超低功耗。

+SiGe BiCMOS

SiGe BiCMOS解決方案憑藉經由SiGe HBT實現的出色VCO相位雜訊、更高的PA輸出功率和效率，為汽車ADAS雷達RFIC提供出色性能，非常適合長距離前視77GHz ADAS雷達。

+RF SOI

45RFSOI部分耗盡型式SOI技術採用以RF為中心的厚金屬層後端，此後端被置於含有大量阱的高電阻率襯底上，幫助實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。該技術提供出色的RF性能，具備先進CMOS的集成優勢。

+動力解決方案

130nm BCD工藝支持客戶為電動、混合動力和內燃機汽車內的多個模塊提供單晶元解決方案。符合1級和0級汽車標準的工藝，適用於電池管理、電池監測、頭端PMIC。其80V器件具備轉變成100V器件的路線圖(適用於48V混合規格)，NVM (eFlash)解決方案則可用於獲取與電池使用時間和健康狀況有關的實時信息。

Autopro服務包解決方案的重要性，在於它使得格芯在全球的每一個代工廠，無論是德國德累斯頓、紐約馬爾他，還是新加坡，甚至包括中國成都工廠，也無論他們採用何種製程工藝(新加坡的180nm、130nm、55nm、40nm成熟工藝，或是紐約馬爾他廠的14LPP/12LP/7LP FinFET，或是德累斯頓工廠的22納米FD-SOI技術)，都能夠提供通過車規認證的多種汽車客戶模塊化平台。

比起其他市場的客戶，汽車客戶對質量和可靠性的要求更高，這無可厚非，因為我們都知道，汽車和卡車在使用周期內，無論是在何種天氣、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認證是保證整個生產過程處於可控、可追溯狀態的信心源頭，能向客戶保證格芯在汽車級IC的生產、測試、篩選等環節均處於零缺陷狀態，這是汽車客戶非常在意的指標。目前，格芯位於德累斯頓的Fab 1晶圓廠已經完成了首次全面的IATF16949/ISO9001核查，這表明工廠的質量管理系統符合汽車生產要求，汽車客戶可以從格芯的平台上面獲取符合車規的IC產品。

為不同的應用選擇正確的工藝

與其它晶圓代工企業不同，格芯在FD-SOI和FinFET這兩個領域都有布局。我們始終認為，在22FDX的生產工藝中，它的掩膜工藝成本和複雜度要比14nm FinFET低不少，RF器件所需的基體偏壓(Body Bias)又很難用FinFET工藝來做。因此，考慮到可以在功耗、性能和成本方面提供實時的權衡，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」，物聯網(IoT)、5G和先進駕駛輔助系統ADAS是最為適於導入FD-SOI技術的市場領域。而在設計具有最高處理性能的晶元時，採用像FinFET這樣先進的CMOS技術則更為適合。

格芯面向汽車SoC市場的產品路線圖

那麼，如何為不同的應用選擇正確的工藝？

跟客戶進行深入的交流，充分了解他們的產品需求，是格芯一貫堅持的做法。如果有客戶想做高性能處理晶元，格芯就會推薦他們使用FinFET工藝；如果只想做一個雷達收發器，那麼硅鍺工藝就足夠了；如果想做一個高解析度雷達，22FDX工藝則更加合適。而且，在制定方案的同時，格芯還會根據不同的工藝給出相應的PPA分析報告，方便客戶做出正確的選擇。

以汽車雷達為例，目前77-86GHz的中/長距離汽車雷達的射頻部分通常基於硅鍺工藝，數字部分基於180nm和130nm CMOS工藝，晶元整體處理能力不強。與之相比，格芯22FDX技術則能夠提供更出色的毫米波(mmWave)性能和數字密度，使得基於22FDX的雷達感測器能夠提供更高的解析度和更低的延遲，且總系統成本非常低。很快我們就會看到有客戶展示基於22FDX技術所構建的雷達成像晶元組，此晶元組能夠檢測300米範圍內的物體，且具備解析度極高的寬視場。

而在77GHz短/中距離雷達模塊的開發中，有客戶採用的則是格芯成熟的CMOS工藝技術來開發。該模塊將微控制器、數字信號處理器、SRAM和快閃記憶體和支持組件集成於電路板上，用於替代更大型的雷達陣列。

當然，雷達只是汽車半導體應用中的一種。動力總成控制是另外一種。在近期舉辦的嵌入式世界大會中，Silicon Mobility展示了其公司的現場可編程式控制制單元(FPCU)，用於控制電動和混合汽車的動力總成。該單元採用格芯的55LPx CMOS技術進行構建，能夠實時處理和控制感測器及致動器，在單個半導體(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，可以提升電動和混合汽車動力總成的控制力和性能。通過在硬體而非軟體中快速實施複雜的動力總成控制演算法，大幅節省了能源，並延長電池的使用壽命。根據Silicon Mobility的反饋，FPCU可以將電動和混合汽車的行駛範圍擴大32%。

目前，對空調、引擎和油路系統進行控制的MCU、短/中/長距離雷達、針對電動/混合電動汽車的電源管理IC、以及用於ADAS/自動駕駛的高性能處理器，佔據了格芯汽車電子業務的前幾位。從我們自己的觀察來看，中國汽車客戶更傾向於做視覺和自動駕駛處理晶元，歐洲市場比較大的應用來自微控制器、感測器、攝像頭和激光雷達，美國則以激光雷達和自動駕駛解決方案最具代表性。

中國是一個很有趣的市場，國際市場里有30%的供應商都來自中國。但很多中國tier 1的車廠，卻還是從比較大型的車用器件公司採購標準的雷達或者處理器晶元，這是目前的現狀。不過，格芯仍然相當看好中國層出不窮的創新方案，將視頻監控領域所涉及的視覺系統經驗運用到汽車領域就是其中一例。除了提供包括MIPI介面、Can Bus等在內的IP整體解決方案外，通過在中國成立設計中心，幫助客戶更好的利用格芯平台，更是我們的優先戰略。

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