2020年注定是不平凡的一年,疫情讓整個半導體經歷了頗有磨難的半年,但半導體廠商們還是在艱難中尋求突擊的機會。在汽車行業,國產汽車智能芯片的自主研發之路亦在滾滾向前,上半年汽車芯片行業發生了兩件大事:一是北汽產投與芯片IP供應商Imagination成立合資公司「核芯達」;二是5月28日,芯馳科技重磅發布了其9系列汽車芯片。而這兩大汽車行業動作的背后都離不開汽車芯片核心IP廠商Imagination的身影。在汽車智能化浪潮興起的今天,半導體IP廠商將如何加速本土汽車芯片廠商的智能化征程?
 
本文通過分析汽車行業結構的劇變,以及汽車智能化發展的新要求,闡述未來核心半導體IP將如何解決汽車核心芯片目前所面臨的的挑戰,推動汽車行業智能化發展。

主機廠和芯片廠的協同效應將加速汽車智能化進程


過去,國內主機廠(OEM)都嚴重依賴國際一線的一級供應商(Tier1)提供軟硬件整體方案。隨著智能化的發展,新興技術的引入和商業化應用場景的變化將會造成汽車行業整個產業結構的劇變。這就對OEM廠商在未來提出了更高的要求,即在核心技術上能夠穿透Tier1掌握核心技術產品的局面;同時具有自頂向下的系統定義、分解和開發的能力。目前最好的方式就是直接與核心技術供應商建立緊密的合作關系。


作為智能汽車的大腦,汽車核心處理器毫無疑問是主機廠戰略布局與合作的核心,從近些年的投資并購案中就能看到汽車核心處理器對整車電子架構的重要性:

傳統主機廠一般通過戰略投資及合作的方式,與芯片廠商直接合作。

  • 寶馬在2018年投資了英國人工智能芯片硬件設計初創公司Graphcore。


  • 奧迪與三星電子達成合作協議,從2018年開始,三星電子向奧迪供應無人駕駛所需的Exynos處理器。


  • 上汽集團先后宣布與Mobileye、英飛凌、華為、英偉達、高通等國際芯片巨頭開啟戰略合作,并投資AI芯片技術公司地平線(Horizon Robotics)。


  • 2019年7月,吉利投資的ECARX(億咖通科技)公布了新款E系列芯片并向全球展示吉利博越PRO車型。


造車新勢力在與傳統主機廠競爭中,將芯片視為核心競爭力。

  • 特斯拉:早在2016年就著手組建芯片研發團隊,并于三年后推出自研芯片FSD。馬斯克曾說,自研芯片是一家成立時間較短的公司能夠在短時間內構建競爭優勢的武器,從而可與傳統汽車制造商在自動駕駛時代展開競爭。


  • 零跑:2018年亞洲消費電子展(CES Asia 2018)上,零跑汽車宣布與大華股份聯手研發的首款國產AI自動駕駛芯片“凌芯01”已進入集成驗證階段。


另外,國際芯片大廠也主動尋求與主機廠合作。

  • 英偉達:早在2018年就宣布與多達320家合作伙伴在自動駕駛領域進行合作,其中包括梅賽德斯-奔馳、沃爾沃、豐田、奧迪等車廠。
  • Mobileye在傳統優勢領域繼續搶單,在過去的一年里,Mobileye已經從16家主機廠和5家一級供應商那里獲得了20個新項目訂單,覆蓋78款車型。

汽車核心處理器設計面臨四個方面的關鍵挑戰:計算能力、低功耗、可靠性、和安全性。在中國汽車電子領域,NXP、英飛凌、瑞薩、TI和ST等跨國芯片公司占據了絕大部分市場份額。中國的芯片公司在這個領域仍僅僅局限于后裝市場,目前還沒有符合ISO26262功能安全要求和AEC-Q100汽車電子質量和可靠性規范的汽車核心處理器產品。

半導體IP是解決以上四個挑戰的關鍵環節。在全球半導體產業的金字塔上,IP處于價值鏈的最頂端,IP產品直接決定了SoC的性能、功耗、可靠性、安全性甚至產品迭代周期。比如 PowerVR汽車解決方案基于軟硬件IP提供了一個完整的產品包,包括五大基本元素:硬件IP、軟件、工具、文檔和長期的技術支持,可以幫助開發人員設計出滿足系統級ISO 26262標準中定義的汽車安全完整性級別(ASIL)要求的SoC。


一些市場信息也印證了汽車智能化對半導體IP的迅猛需求,據Markets and Markets預測,到2024年,半導體IP市場將從2017年的47億美元增長到65億美元,期間的復合年增長率(CAGR)為4.8%。報告指出,在預測期內,處理器IP市場將占據最大的市場份額,其中汽車半導體IP市場將以最高復合年增長率增長。按照地區分類,亞太地區有望繼續領導半導體IP市場,并且有望成為增長最快的地區。

可以預見,在汽車制造商和芯片公司的協同效應下,OEM是高級別智能汽車的主導者,芯片廠商作為Tier1.5與OEM的合作會愈發緊密,而核心半導體IP廠商將成為汽車智能計算技術的驅動力量。


半導體核心IP如何推動智能化快速發展?


“軟件定義汽車”(Software Defined Vehicle,SDV)是汽車行業智能化發展重要趨勢。軟件帶動著汽車技術的革新,引領著汽車產品差異化發展潮流,正逐漸成為汽車信息化、智能化發展的基礎和核心。《軟件和信息技術服務業發展規劃(2016-2020年)》提出,以數據驅動的“軟件定義”正在成為融合應用的顯著特征,通過軟件定義硬件、軟件定義存儲、軟件定義網絡、軟件定義系統等,帶來更多的新產品、新服務和模式創新,催生新的業態和經濟增長點。


? 軟件定義汽車 – 計算平臺的標準化


汽車電子整合的趨勢愈發明顯,目前中/低階車款所含的ECU約有30個,高階車款則可能高達100個。未來會通過“超級計算機”來代替眾多的ECU,但也會對系統軟硬件的設計提出更高的挑戰,尤其是以人工智能為核心的軟件技術的快速發展會使系統級功能安全的復雜度更高。軟硬件標準化、模塊間解耦成為未來計算平臺架構的發展趨勢。

圖表來源:博世

  • 軟件平臺化:基于AutoSAR、Hypervisor等分層軟件架構,可使系統廠商的分發成本降低。軟件廠商會持續推動架構的演進、算法創新和用戶體驗升級,并通過無線方式(OTA)更新軟件。

  • 硬件標準化:形成通用化平臺,芯片廠商提供通用的標準接口減少軟件適配難度。另外,一旦硬件上車,要充分挖掘硬件潛力,支持軟件功能升級,這就要求芯片廠商提供強大的工具鏈,不但支持靈活的量化手段,更能對神經網絡在計算核上細粒度的拆分和任務調度進行支持。


作為傳統IP廠商,Imagination不但提供完全標準化的接口,更是積極參與標準化組織工作。近日宣稱已為其汽車圖形處理器(GPU)開發全新的OpenGL? SC(Safety-Critical,安全關鍵)2.0驅動程序,使整車廠(OEM)和一級供應商(Tier 1)在數字儀表盤、刻度盤、儀表集群、駕駛艙域控制器、環視顯示器和先進駕駛輔助系統(ADAS)等汽車應用中,GPU可以在新增的保護層下運行。 


Khronos? Group的OpenGL、OpenGL ES和OpenGL SC工作組主席Piers Daniell說道:“OpenGL SC工作組很高興Imagination Technologies正在開發安全關鍵型OpenGL SC 2.0驅動程序。通過OpenGL SC 2.0 API,Khronos進一步提高了安全關鍵環境中的計算機圖形質量和性能。改進的圖形增強了我們用來解決復雜問題的人機界面,同時保證了我們的安全。Imagination正在將這項至關重要的技術帶給比以往任何時候都更需要安全關鍵可視化功能的市場?!?/span>

此外,Imagination的PowerVR NNA(AI神經網絡加速器)IP基本支持所有主流神經網絡,包括卷積神經網絡(CNN)、循環神經網絡(RNN)和SSD物體檢測框架;對神經網絡框架也有很好的支持,包括Caffe,TensorFlow和ONNX。尤其在工具鏈方面,PowerVR NDK工具可充分賦能應用開發者,使其能夠了解神經網絡運行的瓶頸,進而通過量化、網絡層級別的拆分等手段深入優化、最大化硬件性能。


軟件定義汽車 – 軟硬協同設計


對于智能駕艙乃至自動駕駛等汽車智能應用來說,都是一個復雜的系統工程,由算法、軟件、架構、硬件等多個環節組成。在行業落地初期,為了解決芯片性能/功耗的問題,出現了由場景驅動、軟硬協同的設計方法。這樣做的好處是可以最大程度發揮芯片在特定場景下的能力,即 MAC的有效利用率。但軟件定義硬件,不是對硬件架構的破壞性創新,而是同樣需要保證硬件的標準化,否則軟件架構升級將面臨較大風險。

基于IP級別的定制化,是當前軟件定義硬件趨勢下成本和風險最低的落地途徑。PowerVR NNA系列IP不但可以支持客戶定義RAM的大小,進行網絡層之間數據位寬的動態配置,通過新的Operator等最大程度滿足系統定制要求,還具有很好的擴展性。


短從IP到量產上車的產品周期



從一般的產品流程看,復雜芯片從設計到生產,最后實現整車集成,至少需要6-8年的時間,期間需要經過芯片設計、芯片流片、系統級設計驗證(DV)、系統級產品驗證(PV)、工程樣本EP, 直至量產階段。而一旦選定芯片供應商,車廠則需要保證至少10年左右的穩定供貨期。汽車和芯片行業的特點,決定了汽車芯片產業格局具有封閉性和穩定性。對于半導體公司來說,量產上車是汽車芯片最重要的里程碑,也是檢驗芯片企業產品化能力的試金石。只有量產上車才有后續的升級和服務的可能。

即使產業鏈升級,更多的Tier2、Tier3直接參與到與OEM的合作,也并沒有縮短芯片的上車周期。結果是量產車型的處理器架構通常是6年前的舊架構,而軟件算法的發展日新月異,造成了軟件升級和用戶體驗升級的困難。例如,高通在CES 2019上發布了第3代驍龍汽車數字座艙平臺,而這套方案的基礎芯片是2016年發布的高通驍龍820A平臺,而且這套方案預計的最快上市時間是2020年。


一款芯片從IP購買、前端設計、后端設計到流片等費用合計起來非常高昂,對汽車這種大部件、低數量的行業來說,其實并不劃算。只有靠供應鏈的垂直整合打通從半導體IP到整車電子架構的技術通路,才能加快技術迭代,提高自主掌控權,持續維持產品的競爭力。

試想如果主機廠和芯片廠商、IP廠商一起在IP/芯片演進的過程中就可以明確未來量產車型需求,準確定義芯片能力,把控量產周期,那就能真正銜接好從IP到量產上車的每一個階段。


PowerVR IP在國內汽車市場的機遇


在過去的10年間,雙A(ARM+Android)驅動了智能手機行業的快速發展。半導體IP巨頭ARM通過IP授權和生態建設,成就了高通、MTK和三星等半導體巨頭的快速崛起。今天,智能汽車作為最大的智能硬件設備,吸收和借鑒了很多智能手機技術,比如智能操作系統、FOTA、實時導航、語音交互等。可以預見,電動化、智能化、網聯化和共享化將會給汽車這個萬億級產業帶來巨大的沖擊和變革,整個產業鏈和生態系統都將進行重構。


同樣地,作為IP廠商Imagination今年與北汽牽手開拓了整車企業與核心IP廠商合作的新模式,有望打造車規級芯片高地,加速車載芯片的國產替代進程。合資公司將專注于面向自動駕駛的應用處理器和面向智能駕艙的語音交互芯片研發,借助Imagination公司世界領先的汽車IP、北汽集團的整車制造生態優勢,以及管理團隊的豐富行業經驗,打通從IP到芯片再到整車的全產業鏈布局。

正如北汽方面表示:“Imagination與北汽產投的合作對中國汽車行業而言是個利好消息。它使中國OEM擁有創建自主可控且行業領先的SoC的自由度和靈活性。合資產生的股權紐帶關系,也為新技術在中國汽車行業實現產業落地提供了便利條件,有利于消除對進口技術的依賴,進而有助于國內OEM在與全球對手的競爭中獲得領先優勢?!?/span>

“同樣的,此次合作對中國半導體行業尤其是汽車芯片廠商也是個利好消息,只有核心IP產品的演進與汽車行業應用緊密結合,才能讓Imagination的汽車IP更加貼近中國汽車產業智能化需求,我們的芯片廠商客戶才能設計出更符合中國市場的SoC,最終幫助本土SoC廠商解決上車難的問題?!?Imagination公司中國區總裁劉國軍評論這次合作。回顧過去ARM+Android在手機時代的作用,期待Imagination聯合國內主機廠一起在汽車智能化過程中,以人工智能技術為牽引在汽車產業鏈的兩端發揮雙輪驅動作用,幫助本土汽車芯片廠商快速崛起。



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