ACES变革带动EEA升级，汽车半导体面临前所未有的机遇和挑战
电子发烧友网报道（文/吴子鹏）随着文远知行WeRide GXR和特斯拉Cybercab等一系列Robotaxi（无人驾驶出租车）的发布，ACES（自动驾驶、智能互联、电气化和共享出行）这四大关键趋势在汽车行业已经完全显现。
ACES变革蕴含着巨大的市场机遇，以近期热门的Robotaxi为例 ，其是ACES变革下的代表作。根据Frost & Sullivan的预测数据，2025年全球Robotaxi市场规模约为2.9亿美元，2030年达到666亿美元，2035年将一步增长到3526亿美元。
数据来源：Frost & Sullivan，德赢Vwin官网 网制图
当然，挑战总是和机遇并存，作为ACES变革的核心推动力，汽车SoC（片上系统）的设计复杂性正日益提升，给设计人员带来了巨大的挑战。一个好消息是，作为BMBF资助的VE-VIDES项目的一部分，新思科技和CARIAD正在积极推动这场变革，用更高质量的EDA工具、IP解决方案，帮助设计人员应对质量、功能安全、可靠性和软件安全方面的设计挑战。
ACES关键趋势下
汽车芯片设计的趋势、挑战和应对之策
ACES变革让汽车功能实现发生了明显的变化，传统分立式系统和软硬件独立开发的模式已经明显不适应当下的节奏，中央集成式EEA（电子电气架构）和软件定义硬件（也称：软件定义汽车）成为ACES功能实现的主要方式。其中，中央集成式EEA可以分解为中央超算+区域控制，将车辆的各项控制域进一步融合，使得今天的汽车功能实现越来越像开发智能手机，但很显然打造智能网联汽车所面临的挑战更大；软件定义硬件则是指通过软件来定义和控制汽车的功能，汽车将从传统的硬件驱动转变为软件驱动。
中央集成式EEA和软件定义硬件让ACES渗透率快速提升。事实上，不只是Robotaxi这种完全形态，当前ACES中的自动驾驶、智能互联已经成为汽车的标配功能。比如在自动驾驶方面，在新思科技、CARIAD、奥迪联合发布的《如何打造值得信赖的汽车半导体产品：要求与最佳实践》白皮书（以下简称：白皮书）中提到，到2023年，自动驾驶市场将从2019年约20%的车辆配备SAE 1级（L1）/2级（L2）驾驶辅助系统，增长到83%的车辆至少配备L1（包括12%的车辆配备L3/L4级）自动驾驶系统。到2030年，预计大部分收入（约95%）将来自L1以上级别的车辆。
然而，无论是中央集成式EEA，还是软件定义硬件，都需要更加强大的芯片作为支撑，因此汽车SoC设计的复杂度在指数级攀升。如下图所示，为了实现汽车半导体在质量、功能安全、软件安全等方面的性能保障，芯片设计的复杂度、制程工艺的难度、芯片验证的复杂度都在指数级增长。具体来看，在长期任务剖面与10 FIT方面，已经从传统汽车的8,000小时变为15年（131,400小时）；在工艺制程方面，过往消费级节点需要经过5到10年的成熟期才能应用于汽车领域，现在作为车规级工艺的台积公司N3AE只比消费级3nm晚了18个月，且越来越多的汽车SoC选择基于28nm及以下工艺来实现，成本压力陡增。
汽车SoC设计复杂度指数级攀升
同时，设计人员也需要新的方案来提升汽车半导体的鲁棒性，以应对ACES变革下更加复杂的工况。传统做法是增加汽车半导体的设计裕度，不过随着工艺精进和汽车SoC复杂度提升，这种做法已难以满足性能要求，甚至出现不必要的过度设计。
虽然汽车SoC设计的复杂度指数级提升，软件代码的行数也已经达到了2亿行-3亿行，不过在实现ACES的过程中，汽车对质量、可靠性、功能安全和软件安全的要求从未妥协，甚至是越来越严苛。比如，在汽车半导体质量方面，为了尽可能地降低集成风险并确保供应链中所有组件的可靠性和稳定性，设计人员不仅要考虑到PPA（性能、功耗、面积）目标实现，还需满足更多要求，具体如下表所示。
为应对ACES挑战而需满足的半导体开发要求
当然，设计人员在面对这些挑战时并非无计可施，可以在满足各种标准的前提下，选择合适的架构、EDA工具和IP方案以应对挑战，在新思科技等公司发布的白皮书中也给出了具体的措施。
质量方面，为了追求将百万分比缺陷率（DPPM）降至零的质量目标，设计人员可以基于制造和现场测试结构等信息来确定芯片架构，并要按照成熟的接口标准IEEE 1149、IEEE 1500和IEEE 1687标准来规划片上和片外结构。在制造过程中，关键是确保不存在“测试逃逸”，复杂汽车SoC的测试已经超过传统制造测试的范畴，现场数据分析、缺陷器件分析，以及增加额外的、必要的测试环节能够解决这一问题。
功能安全方面，在ISO 26262:2018标准中对于最佳实践已经有了详细的标注，设计人员可以参照进行开发和部署。EDA工具也在逐步完成安全性方面的性能指标，并形成了如下图所示的功能安全设计的总体视图。另外，ISO/TR 9839:2023标准在现有安全最佳实践的基础上，新增了对间歇性故障和预测性维护的考虑。
EDA功能安全设计总体视图
可靠性方面，AEC-Q100标准在老化、EM、静电放电（ESD）、IR压降分析以及影响SoC生命周期的工艺变化等方面都有严格要求，以确保汽车半导体在指定时间内能够正常执行其预期功能。在现场阶段，通过片上嵌入式传感器，如路径裕度监测器（PMM）、PVT传感器等，可以利用实时诊断来帮助提高半导体的鲁棒性和可靠性。
软件安全方面，ISO/SAE 21434:2021标准能够帮助降低软件安全风险，该标准对机密性、完整性和可用性（CIA）有明确的要求。在设计阶段，也有多种安全IP解决方案能够帮助汽车半导体保护敏感数据；在现场阶段，通过将专用的片上安全传感器与片上和片外AI分析技术相集成，可以快速识别和响应现场的入侵行为。
积极拥抱ACES变革
新思科技全面赋能高可靠性汽车芯片设计
综上所述，在ACES变革下，汽车半导体设计正发生着巨大的变化，给设计人员带来更大的挑战。但正如下图所示，通过借助领先的EDA工具，嵌入半导体的IP，以及遵循各种严格的标准，设计人员能够从容面对这些挑战，打造出具有行业竞争力的汽车半导体，这也是新思科技的EDA和IP解决方案在ACES变革中所体现的价值。
汽车半导体面临的各种故障和应对之策
为响应ACES变革推动的汽车EEA升级和SoC迭代，新思科技推出了一系列的解决方案，帮助设计人员应对质量、可靠性、功能安全和软件安全的挑战，包括通过ISO 26262工具置信水平 (TCL) 1 级认证的EDA工具，汽车级IP，虚拟模型和虚拟原型设计解决方案，以及嵌入片上的监测传感器等。
通过采用新思科技的EDA解决方案，能够全面加速汽车半导体设计人员在质量和ISO 26262功能安全认证方面的工作。在这些工具里，内置安全机制，如双核锁步和三模冗余，并具有用于器件老化，软错误分析和vwin 故障仿真的综合分析和测试技术，帮助提升汽车半导体的质量和可靠性。
新思科技所提供的验证平台是一个包含众多安全性攸关技术的完整解决方案，包括用于故障分析、可追溯性和FMEA（故障模式和影响分析）等方面的各项技术。这里特别解释一下可追溯性，其将原本在设计和制造中孤立的数据、未获取到的数据串联在一起。比如在功能安全的可追溯方面，能够将验证测试、实施、规范和要求联系在一起，保障芯片功能安全验证和测试的结果。
同时，在新思科技的解决方案里，也提供加速功能安全测试的工具——TestMAX。这款工具为半导体中的数字、存储器和模拟部分提供创新及先进的测试和诊断功能，尤其是面向汽车半导体的测试自动化和功能安全的独特功能，设计人员还可以选择高速接口来提升测试效率。值得强调的是，在下图所展示的TestMAX功能框图里，这些功能全部具有互操作性，加上早期的可测试性分析和规划，TestMAX能够帮助汽车半导体设计人员应对各种功能安全的测试难题。
TestMAX的功能框图
为加速汽车半导体设计人员的设计质量和效率，新思科技提供了种类丰富且经过硅验证的汽车级IP产品组合，包括ARC处理器、接口IP、嵌入式存储器、逻辑库和安全IP。新思科技车用新思科技 IP是ASIL B和D就绪的IP，专门针对ISO 26262随机硬件故障进行开发和评估，帮助设计人员实现目标ASIL等级；新思科技 IP提供满足AEC-Q100设计和测试的IP，以提升汽车半导体的可靠性，且这些IP经过了ISO 9001质量管理体系认证，可用于先进制程，让汽车半导体开发兼具质量和效率。
新思科技 IP在ADAS芯片中的应用
如上所述，为了提升芯片和现场阶段的可靠性，嵌入半导体的传感器和监测器IP会起到关键作用，新思科技在这方面也提供了行业领先的解决方案，可面向数据中心、AI、高性能计算、汽车和5G消费类应用的复杂SoC开发，实现这些芯片的硅生命周期管理 (SLM) 。以新思科技IP芯片内传感器和PVT监控器IP为例，提供用于测试和任务模式操作的标准接口，连续地评估和测量芯片的内部状况，为用户提供有价值的数据来了解芯片在整个生命周期内的关键性能、功能、可靠性、安全和安保挑战。
在软件安全方面，新思科技为汽车半导体设计人员提供汽车验证和软件开发解决方案，包括虚拟硬件ECU和Virtualizer开发套件等。这些方案被广泛用于新一代信息娱乐系统、ADAS、V2X和无人驾驶技术的开发，辐射整个汽车产业链。其中，Silver虚拟硬件ECU可以在几分钟内为开发人员提供软件反馈，为ECU开发、测试和验证提供了一个早期的、可扩展的平台，不仅能够加速ECU的迭代，还可以快速反馈回路提升复杂控制软件的质量。
当前，ACES推动的汽车产业变革仍在进行中，新思科技相关的工具和IP解决方案也会持续迭代，让质量、功能安全、可靠性和软件安全不再是复杂汽车SoC开发的挑战，而是塑造差异化竞争优势的有效手段。
结语
从传统汽车到未来的Robotaxi，ACES给汽车功能开发带来的改变是如此显著，也逐渐改变了人们的驾乘方式和出行方式。为了实现ACES功能，作为系统硬件核心的汽车SoC肩负重任，需要在质量、功能安全、可靠性和软件安全方面进一步提升自己，也需要面临工艺精进和复杂性提升之后带来的挑战。
不过，挑战背后总是蕴藏着巨大的机遇。多项统计数据显示，目前汽车单车芯片使用量已经从数百颗达到了数千颗，同时有越来越多的汽车选择功能强大的SoC以实现更高阶的智能化。在机遇和挑战并存的历史性时刻，新思科技的EDA工具和IP解决方案成为汽车半导体设计人员的得力拍档，让他们能够在保证质量、安全和可靠性的前提下，大幅提升开发的效率，赢得市场先机。
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