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，更能用來評價(jià)處世的修養(yǎng)，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，看似簡單，卻充滿了科技之道。只有真的懂得制造工藝與應(yīng)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。

　　晶圓制造與未來汽車

　　在強(qiáng)大的半導(dǎo)體技術(shù)推動下，許多曾被認(rèn)為屬于科技幻想的汽車功能正不斷被開發(fā)出來，例如先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)正在為自動駕駛汽車鋪平道路。可以這么說，汽車電子業(yè)務(wù)發(fā)展緩慢、后續(xù)乏力的情況已經(jīng)一去不返了。

　　總體而言，從現(xiàn)在到2023年，汽車應(yīng)用半導(dǎo)體市場預(yù)計(jì)將出現(xiàn)7%的復(fù)合年增長率，市場價(jià)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(tǒng)(IVI)/電動汽車動力總成(EV Powertrain)/安全性等應(yīng)用的推動下，每輛汽車中所包含的半導(dǎo)體芯片價(jià)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(yīng)用領(lǐng)域?qū)㈩A(yù)計(jì)會出現(xiàn)CAGR猛增的現(xiàn)象，達(dá)到19%。

　　然而即使這樣，在大多數(shù)人的印象中，汽車電子與晶圓代工廠之間的關(guān)系似乎并不緊密。不過，最近兩則與格芯(Global Foundries)相關(guān)的新聞，正在改變?nèi)藗兊倪@一傳統(tǒng)觀念。

　　5月23日，格芯宣布22nm FD-SOI(22FDX)技術(shù)平臺通過AEC-Q100(2級)認(rèn)證，準(zhǔn)備投入量產(chǎn)。這意味著，作為AEC-Q100汽車標(biāo)準(zhǔn)的一部分，格芯22FDX技術(shù)的能力已經(jīng)得到驗(yàn)證，能夠滿足汽車市場嚴(yán)格的質(zhì)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(chuàng)新高峰論壇上，由中國公司設(shè)計(jì)，基于芯原(VeriSilicon)VIP8000架構(gòu)的全球第一顆對標(biāo)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ADAS與自動駕駛領(lǐng)域的技術(shù)儲備

　　IP、工藝與服務(wù)，一個(gè)都不能少

　　提到格芯的汽車電子業(yè)務(wù)，2017年推出的AutoPro服務(wù)包是一個(gè)繞不開的話題。這種服務(wù)包提供所有格芯汽車技術(shù)都具備的體驗(yàn)、質(zhì)量和可靠性，以質(zhì)量系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒、技術(shù)平臺準(zhǔn)備就緒和運(yùn)行準(zhǔn)備就緒三種核心技術(shù)為支柱構(gòu)建，完全滿足汽車行業(yè)嚴(yán)格的質(zhì)量和可靠性要求，幫助汽車制造商利用芯片的力量，邁入“智能互聯(lián)”的新時(shí)代。

　　格芯面向汽車的功能

　　先讓我們花點(diǎn)時(shí)間簡單了解一下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足2級到0級汽車市場的要求。

　　CMOS毫米波雷達(dá)

　　40nm和22FDX CMOS毫米波解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)存儲器、DSP、模擬和RF的片上系統(tǒng)集成，借此優(yōu)化ADAS解決方案的成本和復(fù)雜性，特別適合短距離側(cè)面/尾部以及中距離前視雷達(dá)。22FDX全耗盡SOI可以比肩SiGe RF性能，適合長距離雷達(dá)，具備CMOS的集成優(yōu)勢，并因CMOS獨(dú)特的背柵極偏壓功能實(shí)現(xiàn)了超低功耗。

　　SiGe BiCMOS

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

　　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(xiàn)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(yīng)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。

　　動力解決方案

　　130nm BCD工藝支持客戶為電動、混合動力和內(nèi)燃機(jī)汽車內(nèi)的多個(gè)模塊提供單芯片解決方案。符合1級和0級汽車標(biāo)準(zhǔn)的工藝，適用于電池管理、電池監(jiān)測、頭端PMIC。其80V器件具備轉(zhuǎn)變成100V器件的路線圖(適用于48V混合規(guī)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，無論是德國德累斯頓、紐約馬耳他，還是新加坡，甚至包括中國成都工廠，也無論他們采用何種制程工藝(新加坡的180nm、130nm、55nm、40nm成熟工藝，或是紐約馬耳他廠的14LPP/12LP/7LP FinFET，或是德累斯頓工廠的22納米FD-SOI技術(shù))，都能夠提供通過車規(guī)認(rèn)證的多種汽車客戶模塊化平臺。

　　比起其他市場的客戶，汽車客戶對質(zhì)量和可靠性的要求更高，這無可厚非，因?yàn)槲覀兌贾溃嚭涂ㄜ囋谑褂弥芷趦?nèi)，無論是在何種天氣、道路條件和交通條件下，都必須正常運(yùn)行，因此“IATF16949認(rèn)證”的重要性不言而喻。

　　IATF16949認(rèn)證是保證整個(gè)生產(chǎn)過程處于可控、可追溯狀態(tài)的信心源頭，能向客戶保證格芯在汽車級IC的生產(chǎn)、測試、篩選等環(huán)節(jié)均處于零缺陷狀態(tài)，這是汽車客戶非常在意的指標(biāo)。目前，格芯位于德累斯頓的Fab 1晶圓廠已經(jīng)完成了首次全面的IATF16949/ISO9001核查，這表明工廠的質(zhì)量管理系統(tǒng)符合汽車生產(chǎn)要求，汽車客戶可以從格芯的平臺上面獲取符合車規(guī)的IC產(chǎn)品。

　　為不同的應(yīng)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(rèn)為，在22FDX的生產(chǎn)工藝中，它的掩膜工藝成本和復(fù)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(shí)時(shí)的權(quán)衡，F(xiàn)D-SOI將是打造“具備連接能力的新型嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)ADAS是最為適于導(dǎo)入FD-SOI技術(shù)的市場領(lǐng)域。而在設(shè)計(jì)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SoC市場的產(chǎn)品路線圖

　　那么，如何為不同的應(yīng)用選擇正確的工藝?

　　跟客戶進(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(jiān)持的做法。如果有客戶想做高性能處理芯片，格芯就會推薦他們使用FinFET工藝;如果只想做一個(gè)雷達(dá)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(dá)，22FDX工藝則更加合適。而且，在制定方案的同時(shí)，格芯還會根據(jù)不同的工藝給出相應(yīng)的PPA分析報(bào)告，方便客戶做出正確的選擇。

　　以汽車?yán)走_(dá)為例，目前77-86GHz的中/長距離汽車?yán)走_(dá)的射頻部分通常基于硅鍺工藝，數(shù)字部分基于180nm和130nm CMOS工藝，芯片整體處理能力不強(qiáng)。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(shù)字密度，使得基于22FDX的雷達(dá)傳感器能夠提供更高的分辨率和更低的延遲，且總系統(tǒng)成本非常低。很快我們就會看到有客戶展示基于22FDX技術(shù)所構(gòu)建的雷達(dá)成像芯片組，此芯片組能夠檢測300米范圍內(nèi)的物體，且具備分辨率極高的寬視場。

　　而在77GHz短/中距離雷達(dá)模塊的開發(fā)中，有客戶采用的則是格芯成熟的CMOS工藝技術(shù)來開發(fā)。該模塊將微控制器、數(shù)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(dá)陣列。

　　當(dāng)然，雷達(dá)只是汽車半導(dǎo)體應(yīng)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(xiàn)場可編程控制單元(FPCU)，用于控制電動和混合汽車的動力總成。該單元采用格芯的55LPx CMOS技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，能夠?qū)崟r(shí)處理和控制傳感器及致動器，在單個(gè)半導(dǎo)體(符合安全標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262 ASIL-D)中，與標(biāo)準(zhǔn)CPU連接。

　　由此獲得的功能更強(qiáng)大、更靈活、更安全的架構(gòu)，可以提升電動和混合汽車動力總成的控制力和性能。通過在硬件而非軟件中快速實(shí)施復(fù)雜的動力總成控制算法，大幅節(jié)省了能源，并延長電池的使用壽命。根據(jù)Silicon Mobility的反饋，F(xiàn)PCU可以將電動和混合汽車的行駛范圍擴(kuò)大32%。

　　目前，對空調(diào)、引擎和油路系統(tǒng)進(jìn)行控制的MCU、短/中/長距離雷達(dá)、針對電動/混合電動汽車的電源管理IC、以及用于ADAS/自動駕駛的高性能處理器，占據(jù)了格芯汽車電子業(yè)務(wù)的前幾位。從我們自己的觀察來看，中國汽車客戶更傾向于做視覺和自動駕駛處理芯片，歐洲市場比較大的應(yīng)用來自微控制器、傳感器、攝像頭和激光雷達(dá)，美國則以激光雷達(dá)和自動駕駛解決方案最具代表性。

　　中國是一個(gè)很有趣的市場，國際市場里有30%的供應(yīng)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采購標(biāo)準(zhǔn)的雷達(dá)或者處理器芯片，這是目前的現(xiàn)狀。不過，格芯仍然相當(dāng)看好中國層出不窮的創(chuàng)新方案，將視頻監(jiān)控領(lǐng)域所涉及的視覺系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用到汽車領(lǐng)域就是其中一例。除了提供包括MIPI接口、Can Bus等在內(nèi)的IP整體解決方案外，通過在中國成立設(shè)計(jì)中心，幫助客戶更好的利用格芯平臺，更是我們的優(yōu)先戰(zhàn)略。