引 言

汽車產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷前所未有的產(chǎn)業(yè)轉型，汽車從功能性代步工具逐步演變?yōu)?a href="http://www.1cnz.cn/v/" target="_blank">智能化移動空間，汽車電子架構也由傳統(tǒng)的分布式架構向中央計算平臺架構演進。智能汽車對芯片的需求量也由傳統(tǒng)汽車的300-500顆激增至現(xiàn)在的2000-3000顆左右，它們應用于汽車上的感知、交互、通信、控制、存儲等等不同的場景，可以說，智能汽車的方方面面都離不開車規(guī)級芯片的支持，那這塊承載著十億甚至數(shù)百億的晶體管的芯片，是怎么被設計制造出來的呢？本文將為你揭秘一款性能優(yōu)秀的智能汽車芯片設計及制造過程。

一般來說，一顆智能汽車芯片制作完整過程包括：芯片設計、晶圓制造、芯片封裝、芯片測試等4個主要環(huán)節(jié)。

芯片設計

芯片設計既是一門藝術，也是一項工程壯舉 ，它是設計創(chuàng)意和仿真驗證過程，代表了人類智慧的最高結晶，在指甲蓋大小的空間里，集成數(shù)十億甚至上百億的晶體管，如此龐大而精密的工程，從設計階段開始就需要做好規(guī)劃，畫好“版圖”。這塊的設計又可分IC定義設計、系統(tǒng)級設計、前端設計和后端設計4大過程。

IC定義設計

在芯片設計之前，產(chǎn)品部門需要確定市場產(chǎn)品定位，工程師需要做好芯片產(chǎn)品的需求分析、完成產(chǎn)品規(guī)格定義，確定性能與功能目標即設計規(guī)格參數(shù)，相信大家都希望設計出跟別家不一樣的、有賣點的產(chǎn)品，因此如何設計出具有差異化的芯片是開發(fā)者設計工作中的重中之重。例如：一顆芯片需要多少TOPS的算力，是否要支持低功耗，功能模塊之間的接口定義，系統(tǒng)需要遵循的什么車規(guī)及信息安全等級，芯片要實現(xiàn)的各種功能、工藝、面積、性能、封裝等。

架構設計

在前期的規(guī)格定義下，我們再來明確架構與算法設計、創(chuàng)建或購買知識產(chǎn)權 (IP) 塊、業(yè)務模塊、供電等系統(tǒng)級設計，例如CPU、GPU、NPU、ISP、RAM、總線、接口等。芯片設計還需要考量綜合要素，從系統(tǒng)交互、功能、成本、功耗、性能、安全等角度出發(fā)，確保芯片最終能實現(xiàn)各方面的平衡。

前端設計

工程師根據(jù)系統(tǒng)設計確定的方案，針對各模塊開展具體的電路設計，使用專門的硬件描述語言（Verilog或VHDL），對具體的電路實現(xiàn)進行RTL（Register Transfer Level）級別的代碼描述。前段設計包含SOC設計、IP設計、仿真驗證、FPGA原型驗證、綜合和形式驗證等流程。確保設計能夠滿足系統(tǒng)的功能性能等指標要求，并將最終設計的代碼轉換為邏輯電路。

圖 電路原理圖

后端設計

后端設計是先基于網(wǎng)表，在給定大小的硅片面積內，對電路進行布局（Floor plan）和繞線(Place and Route)，再對布線的物理版圖進行功能和時序上的各種驗證(Design Rule Check、Layout Versus Schematic等)，后端設計也是一個迭代的流程，驗證不滿足要求則需要重復之前的步驟，最終生成用于芯片生產(chǎn)的GDS(Geometry Data Standard)版圖。包含CTS（時鐘樹綜合）、P&R（布局布線）、STA（靜態(tài)時序分析）、LVS（一致性驗證）等。

晶圓制作

智能汽車芯片GDS版圖設計好以后，就要開始制作芯片了，這一步就是我們利用人類智慧的結晶”點沙成金”的過程。

提純：將普通的沙子/石英經(jīng)過脫氧提純以后的得到含硅量25％的二氧化硅，再經(jīng)由蒸餾和化學還原等工藝得到純度高達99.999999999%，即11個9的單晶硅，才符合晶圓制作的標準。

晶棒制造：把多晶硅或者無定型硅在熱場受控的熔爐里進行提煉，在里面投入單晶硅晶種，硅會在晶種上不斷附著生長，按照一定的旋轉速度、提拉速度等進行提拉，硅被拉出來后逐步冷凝后形成一個圓柱狀單晶硅硅棒。

切 片：將晶棒橫向，采用環(huán)狀、其內徑邊緣鑲嵌有鉆石顆粒的薄片鋸片切成厚度基本一致的晶圓片，一個個的“硅片“就出現(xiàn)了。

光 刻：把芯片的設計圖紙雕刻在掩模板上，然后硅片表面涂上光刻膠，把兩者放到***里，***發(fā)射紫外線，通過掩模板將電路圖案投射到光刻膠上，此時被紫外線照射的光刻膠發(fā)生化學反應，接下來使用化學試劑將未被紫外線照射過的光刻膠洗掉，這樣電路圖案被留了下來。

刻蝕，離子注入：在完成圖案轉移后，高能離子源將離子注入到硅片表面來提高導電度。離子注入完成后，進行薄膜沉積和刻蝕，在這個環(huán)節(jié)中，會使用化學氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）等技術，在硅片表面形成一層薄薄的金屬薄膜，通常是銅，用于連接晶體。再涂上一層光刻膠，曝光，顯影，電鍍，清洗，接著不斷重復以上的步驟，像蓋樓那樣一層層搭建，一顆芯片的內部線路復雜程度堪比一座城市。

芯片封裝

把晶圓上的芯片切割下來，得到獨立的芯片，這個時候其實還不能叫做芯片，是封裝之前的裸芯片或裸片，英文一般叫做DIE，晶粒。現(xiàn)階段芯片無法與外界交換電信號，容易受到外界沖擊而損壞。將Die固定在封裝基板上，與封裝基板的電路連接起來，以實現(xiàn)電路連通。在封裝基板上加蓋一層保護殼，以保護芯片免受外界環(huán)境的影響，一顆芯片就此誕生。

芯片測試

當然，一顆芯片在交付給客戶之前，還需要經(jīng)歷嚴格的測試環(huán)節(jié)， 將制作好的芯片進行點收測試，檢驗芯片是否可以正常工作，以確定每片晶圓的可靠度與良率，通常封裝前要先測試，將不良的芯片去除，只封裝好的芯片，封裝后還需要測試，以明確封裝過程是否有問題。這些測試在晶圓生產(chǎn)和封裝階段都會去做，包含功能測試，性能測試，可靠性測試等，確保每一顆芯片都是安全、可靠的芯片。

車規(guī)級芯片的特點及難點

智能駕駛芯片，完成以上的設計和制作還不夠，作為在智能汽車上搭載的芯片，還需要經(jīng)過車規(guī)級別的嚴苛可靠認證。汽車發(fā)動機起動的那一刻開始就得在酷熱的夏季和嚴寒的冬夜里工作。由于芯片應用于車載場景，所以要保障在極寒、極熱、極干、極潮等極端環(huán)境下也能保持正常運轉，舉例說，一般我們手機里面用到的這種消費級芯片，極限工作溫度范圍是-20℃-70℃，所以冬天在我國東北極寒戶外環(huán)境下手機就可能發(fā)出錯誤的信息或干脆關機，就是因為工作溫度低于芯片能承受的溫度范圍了，這在車規(guī)級系統(tǒng)中是無法容忍。所以汽車工程師要確保從儀表集群，導航屏幕到高級駕駛員輔助系統(tǒng)以及自動駕駛傳感器，芯片等所有零部件都能滿足嚴苛要求。智能汽車芯片要求在-40到105度的極寒高溫惡劣環(huán)境中正常使用，并且還能經(jīng)受各種物理性沖擊的測試，除了嚴苛的極端環(huán)境以外，車規(guī)級芯片需要具備以下特點：

物理化學特性需要穩(wěn)定：一般車輛工作環(huán)境變化較大，特別是環(huán)境比較差的地方，一般需要考慮濕度、粉塵、鹽堿、霉變、高低溫交替、震動、沖擊等因素對控制器的影響。

抗干擾性：由于車輛上面的電子器件，傳感器及各種通信線束，這對車規(guī)級芯片的ESD靜電、EFT群脈沖、RS傳導輻射、EMC、EMI等要求都是非常高。

壽命長：與手機相比，車規(guī)級的芯片一般要求具備較長的工作壽命，一般為15年或50萬公里的設計壽命。

故障率：車規(guī)級芯片的故障率需要達到PPM-PPB-0，故障率相比其它產(chǎn)品要求較嚴格。

供貨周期：目前車規(guī)級芯片，考慮到車型的生命周期及售后服務等因素，一般都是10年，供貨周期長。

產(chǎn)品一致性：由于車輛是大量批量生產(chǎn)，且影響生命安全，因此在芯片一致性方面，無論是產(chǎn)線認證，產(chǎn)線一致性，原材料/生產(chǎn)/封裝溯源等要求都是非常嚴格。

滿足以上要求外，相對于消費者級別的同類產(chǎn)品而言，我國對汽車系統(tǒng)規(guī)范和測試方法提出了更嚴格的要求。業(yè)內普遍熟知的AEC-Q100是基于應力測試來做的集成電路可靠性鑒定，通過AEC-Q100測試，說明該芯片在車載應用環(huán)境下需要至少能工作15年以上不損壞。而ISO26262認證，則是全面規(guī)范汽車零部件以及芯片功能安全的基本規(guī)則，功能安全強調的是保障功能正常，不會出現(xiàn)突發(fā)問題，能夠安全執(zhí)行，是能力層面的保障，除了關注控制隨機硬件失效外，還關注避免系統(tǒng)性失效的發(fā)生。以上兩個“準考證”拿到之后，才能算是一顆真正的智能駕駛芯片，才有資格投放市場去接受客戶后續(xù)真正的考驗。

黑芝麻智能團隊，不忘初“芯”，從2016年成立開始，已經(jīng)設計開發(fā)了華山系列高性能的SoC，其中華山二號A1000系列芯片于2020年6月正式推出，并于2022年實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，A1000系列專為L2-L3級別自動駕駛而設，已取得AEC-Q100 2級及ISO26262 Grade B認證并符合多項車規(guī)標準，能夠覆蓋更多應用場景。基于A1000系列芯片，黑芝麻智能提供業(yè)界首批可量產(chǎn)搭載單SoC芯片的高性價比行泊一體方案，為行業(yè)提供高價值和極具成本優(yōu)勢的芯片協(xié)同方案，目前已獲得15+車型定點，搭載華山系列芯片的量產(chǎn)車將陸續(xù)發(fā)布。同時黑芝麻智能通過多年汽車行業(yè)及芯片領域的積累到的經(jīng)驗和技術，創(chuàng)新性推出業(yè)內首個智能汽車跨域計算芯片平臺-武當系列C1200智能汽車跨域計算芯片，為中國汽車智能化的下一個創(chuàng)新和超越貢獻“芯”力量。

審核編輯：湯梓紅