特斯拉狂奔背后的半導(dǎo)體

來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

作者：龔佳佳 

2021年對(duì)特斯拉來(lái)說(shuō)，注定是不平凡的一年。雖然經(jīng)歷了4月份的“車(chē)頂維權(quán)”事件，但這絲毫不影響其市值的飆升。10月份，在赫茲環(huán)球(Hertz Global) 宣布將購(gòu)買(mǎi)10萬(wàn)輛特斯拉電動(dòng)汽車(chē)之后（該消息后來(lái)遭到否認(rèn)），特斯拉的市值首次突破1萬(wàn)億美元，超過(guò)了通用、福特、豐田、大眾、寶馬等11家汽車(chē)制造商的總和。
不僅如此，在全年銷(xiāo)量方面，作為“話題王”的特斯拉也沒(méi)有讓“吃瓜群眾”失望，不僅以全年銷(xiāo)量增長(zhǎng)完美收官，更是創(chuàng)造了交付了93.6萬(wàn)輛汽車(chē)，銷(xiāo)量大幅增長(zhǎng)87%的新紀(jì)錄。僅第四季度，特斯拉就交付了超過(guò)30.8萬(wàn)輛汽車(chē)，比去年同期增長(zhǎng)了71%，用實(shí)力碾壓了此前華爾街分析師所作出的四季度交付量約為26.6萬(wàn)輛，全年約為85.5萬(wàn)輛的預(yù)測(cè)。
同樣是純電動(dòng)汽車(chē)，為何特斯拉如此優(yōu)秀？
01最強(qiáng)自動(dòng)駕駛芯片
首先要說(shuō)的當(dāng)然就是特斯拉FSD系統(tǒng)中最重要的FSD芯片，可以說(shuō)，芯片研發(fā)是特斯拉實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵。特斯拉獨(dú)有的自動(dòng)駕駛技術(shù)路線使得市面上的芯片很難滿足他的需求。
早前在2014年的時(shí)候，特斯拉還是使用的Mobileye 新一代輔助駕駛芯片EyeQ3，但自從2016年特斯拉Model S撞卡車(chē)事件發(fā)生后，特斯拉與Mobileye分道揚(yáng)鑣，并轉(zhuǎn)向了英偉達(dá)Drive PX 2的懷抱。但即便是號(hào)稱(chēng)超級(jí)車(chē)載電腦的Drive PX 2也沒(méi)能成為馬斯克眼中的“完美自駕芯片”，依然存在著高成本、高功耗，算力還無(wú)法完全滿足需求這三個(gè)問(wèn)題。想要實(shí)現(xiàn)馬斯克理想中的FSD，自研芯片可以說(shuō)是必然趨勢(shì)，因此特斯拉也成為了第一個(gè)專(zhuān)門(mén)為自動(dòng)駕駛開(kāi)發(fā)芯片的OEM。
FSD芯片全稱(chēng)為full self-driving芯片，該芯片的設(shè)計(jì)和規(guī)劃始于2016年，也就是說(shuō)當(dāng)還在與英偉達(dá)處于“甜蜜期”的時(shí)候，特斯拉就已經(jīng)開(kāi)始悄悄自研芯片了。FSD芯片項(xiàng)目由半導(dǎo)體業(yè)界傳奇人物、有著硅仙人之稱(chēng)的吉姆 · 凱勒以及Pete Bannon還有其他架構(gòu)師牽頭，并于2019年4月正式發(fā)布。Pete Bannon在發(fā)布會(huì)上透露了芯片研發(fā)的過(guò)程，我們也由此知道，F(xiàn)SD芯片開(kāi)發(fā)過(guò)程經(jīng)過(guò)18個(gè)月，于2017年8月第一版流片，2017年12月芯片返回，點(diǎn)亮，最終在2019年3月和4月分別在Model S & X以及Model 3上批量交付。
作為一款專(zhuān)為特斯拉服務(wù)的自動(dòng)駕駛產(chǎn)品，F(xiàn)SD芯片的需求主要有以下幾點(diǎn)，依次是功耗，算力，Barch size（latency），安全性。在安全性方面，F(xiàn)SD芯片做了大量的冗余設(shè)計(jì)，同一塊板卡上的兩顆芯片的供電和數(shù)據(jù)通道都是獨(dú)立且互為備份的，因此板卡上的任何部分出現(xiàn)故障都不會(huì)影響基本的汽車(chē)行駛。

從架構(gòu)上來(lái)看，F(xiàn)SD芯片不但有傳統(tǒng)的CPU和GPU部分，還加入了特別定制的NNP（Neural Network Processor）、ISP等部分，共同組成了一個(gè)龐大的SoC芯片。其中CPU采用的是Cortex-A72架構(gòu)，三組、每組4個(gè)核心，一共有12個(gè)核心，最高運(yùn)行頻率為2.2GHz，這部分處理器核心用于通用的計(jì)算和任務(wù)。GPU方面，特斯拉設(shè)計(jì)了一個(gè)支持FP32和FP64的GPU模塊，主頻最高1GHz，最高計(jì)算能力約為600GFLPS。

而NNP是整個(gè)芯片自研中最重要的部分。每顆芯片有兩個(gè)NNP，每個(gè)NNP有一個(gè)96x96個(gè)MAC的矩陣，32MB SRAM，工作在2GHz。所以一個(gè)NNP的處理能力是96x96x2(OPs)x2(GHz) = 36.864TOPS，單芯片72TOPS，板卡144TOPS。
FSD芯片剛推出來(lái)時(shí)采用的是三星14nm工藝，面積為260平方毫米，封裝了大約60億個(gè)晶體管。不過(guò)此前有媒體報(bào)道，三星電子已經(jīng)開(kāi)始為特斯拉高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng) FSD 生產(chǎn)芯片，主要是HW 4.0芯片的代工合同，采用7nm制程工藝。
FSD芯片生命力到底有多長(zhǎng)久呢？從2019年推出至今，比HW3.0版Model 3更晚的車(chē)型都已切換計(jì)算芯片，F(xiàn)SD芯片卻仍將承載特斯拉新的視覺(jué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、更復(fù)雜場(chǎng)景下龐大的計(jì)算量。甚至特斯拉2021年新推出的機(jī)器人Tesla Bot，他的“大腦”也依舊是這款2019年發(fā)布的FSD芯片。
雖然FSD芯片可能不是最領(lǐng)先的自動(dòng)駕駛芯片，但卻無(wú)疑是最適合特斯拉的芯片。在這里，筆者不經(jīng)感嘆下，“吉姆 · 凱勒出手，必是精品”。
02通往純視覺(jué)的超算
目前全球自動(dòng)駕駛領(lǐng)域分為兩種流派：視覺(jué)主導(dǎo)路線和激光雷達(dá)主導(dǎo)路線。毫無(wú)疑問(wèn)，堅(jiān)持“純視覺(jué)感知才是通往真實(shí)世界 AI 的道路”的特斯拉就是不二的視覺(jué)黨派，以攝像頭為主導(dǎo)，配合深度學(xué)習(xí)，多傳感器冗余，實(shí)現(xiàn)360°全天候監(jiān)測(cè)。
此前的特斯拉還是走視覺(jué)主導(dǎo)雷達(dá)配合的路線，但隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速更迭，特斯拉開(kāi)始向純視覺(jué)路線邁進(jìn)。2021年7月，特斯拉FSD Beta V9.0版本在北美地區(qū)進(jìn)行發(fā)布，而這版本最大的特點(diǎn)就是不依賴于雷達(dá)傳感器，使用了攝像頭和AI智能算法的純視覺(jué)自動(dòng)輔助駕駛技術(shù)路線。
誠(chéng)然，僅用攝像頭的純視覺(jué)路線確實(shí)有著不小的優(yōu)點(diǎn)。例如，攝像頭成本比激光雷達(dá)低得多，這無(wú)疑降低了自動(dòng)駕駛汽車(chē)的成本，與特斯拉想要成為“跑遍大馬路的平民汽車(chē)”的目標(biāo)不謀而合。不僅如此，攝像頭適應(yīng)性更好，不會(huì)被霧、雪、雨等天氣干擾。而從形態(tài)上看，攝像頭還可以輕松融入汽車(chē)的設(shè)計(jì)中并隱藏結(jié)構(gòu)中，從而不影響汽車(chē)外形。
但攝像頭也有著它致命的弱點(diǎn)，那就是僅能將原始圖像數(shù)據(jù)反饋給系統(tǒng)，沒(méi)辦法直接提供物體精確距離和位置，所以時(shí)常會(huì)出現(xiàn)在無(wú)人環(huán)境中感應(yīng)出行人這種烏龍事件。因此，想要走純視覺(jué)路線，特斯拉必須要有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)視覺(jué)能力，可以針對(duì)圖像進(jìn)行準(zhǔn)確處理，Dojo 超級(jí)計(jì)算機(jī)也就此誕生。
Dojo來(lái)源于日語(yǔ)，意思是“道場(chǎng)”，也就是訓(xùn)練場(chǎng)的意思。作為特斯拉實(shí)現(xiàn)FSD之路上必不可少的一環(huán)，Dojo專(zhuān)攻自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，從全球超100萬(wàn)輛的特斯拉車(chē)輛上的攝像頭收集車(chē)輛的行駛數(shù)據(jù)，通過(guò)深度學(xué)習(xí)和分析海量的特斯拉車(chē)隊(duì)數(shù)據(jù)不斷成長(zhǎng)。而在此訓(xùn)練過(guò)程中，Dojo可以自動(dòng)模擬開(kāi)車(chē)、自動(dòng)尋找問(wèn)題最優(yōu)解，從而完成自我進(jìn)化，最終實(shí)現(xiàn)以純視覺(jué)為基礎(chǔ)的完全自動(dòng)駕駛。
據(jù)了解，Dojo 基于特斯拉自定義計(jì)算芯片 D1 芯片打造，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)（超級(jí)計(jì)算機(jī)中使用的最小規(guī)模實(shí)體）是一個(gè) 64 位 CPU，針對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載進(jìn)行了全面優(yōu)化。盡管這是 Dojo 中使用的最小計(jì)算元素，但它能夠進(jìn)行超過(guò) 1 teraflop 的計(jì)算。不同于FSD芯片，D1 芯片采用臺(tái)積電7nm制造工藝，核心面積達(dá)645mm²，熱設(shè)計(jì)功耗僅為400W，集成了四個(gè)64位超標(biāo)量CPU核心，擁有多達(dá)354個(gè)訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)，特別用于8×8乘法，支持FP32、BFP64、CFP8、INT16、INT8等各種數(shù)據(jù)指令格式，具有 362 teraflops 的處理能力。此外，高 IO 帶寬也是D1芯片最重要的特性之一，據(jù)特斯拉稱(chēng)，D1的IO帶寬大約是最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)交換芯片的兩倍。
從目前的消息來(lái)看，Dojo可能會(huì)在 2022 年投入使用，在Dojo加持下特斯拉今年能否再創(chuàng)奇跡？
03超越布加迪的功臣：碳化硅
作為汽車(chē)界的“帶貨王”，同時(shí)也是率先實(shí)現(xiàn)碳化硅上車(chē)的車(chē)企，特斯拉不僅將全球汽車(chē)行業(yè)帶向智能電動(dòng)化，也讓碳化硅成為了全球的關(guān)注焦點(diǎn)，助燃第三代半導(dǎo)體發(fā)展熱度。
對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)，電力電子設(shè)備至關(guān)重要，逆變器作為動(dòng)力總成系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，能夠?qū)⒋鎯?chǔ)在電池中的直流電能轉(zhuǎn)換電機(jī)需要的三相交流電，還能在制動(dòng)過(guò)程中將電動(dòng)機(jī)回收的交流電轉(zhuǎn)換為直流電提供給電池使用。
據(jù)上海汽車(chē)報(bào)報(bào)道，碳化硅用在車(chē)用逆變器上，在相同功率等級(jí)下，全碳化硅模塊的封裝尺寸顯著小于硅模塊，同時(shí)也可以使開(kāi)關(guān)損耗降低75％。在相同的封裝下，全碳化硅模塊具備更高的電流輸出能力，支持逆變器達(dá)到更高功率。對(duì)于車(chē)載充電器和快速充電樁，碳化硅半導(dǎo)體與傳統(tǒng)硅器件相比，在充電過(guò)程中減少了能量損失，也減少了所需電容和電感的數(shù)量。
從當(dāng)前搜尋的資料來(lái)看，不少媒體都認(rèn)為，特斯拉能取得如今的成就，碳化硅功不可沒(méi)。事實(shí)也確是如此。IDTechEx數(shù)據(jù)顯示，采用SiC后，特斯拉Model 3的逆變器和永磁電機(jī)組合的效率高達(dá)97%，可能是全球最高效率之一（甚至可以去掉“之一”），續(xù)航能力比之前的方案提升了6%左右。此外，碳化硅可還以加快充電速度，充電時(shí)間也可以降低50%。據(jù)介紹，Model S Plaid滿電續(xù)航640公里，充電15分鐘可以跑301公里。
種種優(yōu)勢(shì)之下，碳化硅也自然而然成為了特斯拉的寵兒。自2018年在 Model 3中采用了 SIC MOSFET逆變器之后，2020年推出的Model Y的動(dòng)力模塊后輪驅(qū)動(dòng)也采用了SiC MOSFET。而2021年推出的Model S Plaid速度更是超越了布加迪，僅2.1秒就可以完成零到百公里加速，最高時(shí)速可達(dá)322km/h，據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，碳化硅則是特斯拉車(chē)速超越布加迪的關(guān)鍵因素之一。
如同其他新型器件一樣，碳化硅逆變器也面臨著高昂的成本問(wèn)題，但在特斯拉看來(lái)，這或許不會(huì)再成為困擾所在。IDTechEx根據(jù)2018年Model 3逆變器和2020年Model Y第二代逆變器的成本估算，在過(guò)去短短三年內(nèi)，特拉斯的SiC逆變器成本大幅下降，其成本幾乎與2019款日產(chǎn)聆風(fēng)和捷豹I-PACE 的硅基IGBT模塊相當(dāng)。
性能和成本并駕齊驅(qū)，碳化硅逆變器無(wú)疑也是特斯拉成功的幕后功臣之一。
04寫(xiě)在最后
就像喬布斯定義了什么是“智能手機(jī)”，馬斯克將“智能汽車(chē)”的理想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，向我們展示了什么才是“自動(dòng)駕駛汽車(chē)”。無(wú)論是自研FSD芯片還是走純視覺(jué)路線，又或者是碳化硅上車(chē)，特斯拉都是第一個(gè)吃螃蟹的人。魯迅先生曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“第一個(gè)吃螃蟹的人是令人佩服的，不是勇士誰(shuí)敢去吃它呢？”
雖然特斯拉充滿了爭(zhēng)議和矛盾，但我們不能否認(rèn)正是他的技術(shù)創(chuàng)新重新定義了汽車(chē)行業(yè)，而這也是特斯拉成功背后的真正秘訣，技術(shù)創(chuàng)新才是品牌崛起之魂。本來(lái)文章到這里應(yīng)該就結(jié)束了，但是筆者提到了技術(shù)創(chuàng)新欸！說(shuō)到技術(shù)創(chuàng)新怎么能少得中國(guó)芯。
最后引用牲產(chǎn)隊(duì)《特斯拉沒(méi)有核心技術(shù)，為什么還是全球第一？》中的一段話，“特斯拉表面上看起來(lái)是一個(gè)美國(guó)品牌，可它有50%的供應(yīng)商都在中國(guó)。買(mǎi)特斯拉，還是不買(mǎi)特斯拉，其實(shí)并不重要。重要的是，國(guó)產(chǎn)品牌能否在市場(chǎng)化的常規(guī)競(jìng)爭(zhēng)中，制造出物美價(jià)廉的優(yōu)質(zhì)智能電動(dòng)車(chē)，讓中國(guó)老百姓都能享受到電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)革命帶來(lái)的品質(zhì)生活。如果所有人都抵制外國(guó)品牌，是沒(méi)有意義的。它只會(huì)讓國(guó)產(chǎn)品牌墮落，沒(méi)有充分的競(jìng)爭(zhēng)，就沒(méi)有高度發(fā)達(dá)的商業(yè)。歷史的經(jīng)驗(yàn)一再告訴我們，國(guó)產(chǎn)品牌崛起，都離不開(kāi)本土產(chǎn)業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新。脫離技術(shù)創(chuàng)新空談愛(ài)國(guó)營(yíng)銷(xiāo)，那是誤國(guó)誤民！”