近年來(lái)汽車(chē)行業(yè)在向著更安全、更智能以及更環(huán)保三大趨勢(shì)發(fā)展，在 7 月 19 日世界半導(dǎo)體大會(huì)臺(tái)積電專(zhuān)場(chǎng)上，臺(tái)積電分享了圍繞這三個(gè)趨勢(shì)為客戶(hù)提供的各種工藝支持。

首先是更安全，人在駕駛的時(shí)候，通過(guò)眼睛耳朵去搜集周?chē)男畔?，然后我們的大腦對(duì)它作出判斷，再控制手和腳去做出相應(yīng)的反應(yīng)。隨著輔助駕駛技術(shù)的進(jìn)一步的演進(jìn)，自動(dòng)駕駛在人類(lèi)的車(chē)子上面安裝了更多的眼睛和耳朵，去搜集周?chē)男畔?，同時(shí)搭配一個(gè)相對(duì)強(qiáng)大的 SOC 的芯片來(lái)對(duì)這些信息做一個(gè)判斷。

人類(lèi)的眼睛耳朵有時(shí)候總會(huì)漏掉一些信息，大腦也有分神的時(shí)候，有了這樣的輔助駕駛的芯片，會(huì)讓未來(lái)的出行更加的安全。根據(jù)全球的預(yù)估到 2030 年 L1 級(jí)以上的 ADAS 芯片的上車(chē)率會(huì)達(dá)到 90% 以上。

第二個(gè)是更智能化，未來(lái)汽車(chē)會(huì)像是「有輪子的超級(jí)計(jì)算機(jī)」。這就需要汽車(chē)去跟外界做互通，就需要有一些通信模塊的存在?，F(xiàn)在看到的 3G、4G 甚至是 5G 的通信模塊都在慢慢的上車(chē)，預(yù)計(jì)到 2030 年，整個(gè)通訊模塊的車(chē)子上面的安裝率會(huì)達(dá)到 75% 以上。

第三點(diǎn)更環(huán)保，今年新能源汽車(chē)的展臺(tái)都是非常的火爆，而且每一個(gè)展臺(tái)幾乎中間的 C 位都是一臺(tái)新能源車(chē)。中國(guó)新能源汽車(chē)發(fā)展的非常快，全球范圍內(nèi)預(yù)計(jì)新能源汽車(chē)的滲透率會(huì)達(dá)到 40% 以上，在中國(guó)這個(gè)數(shù)字應(yīng)該會(huì)更早的被達(dá)到甚至被超越。

整體的汽車(chē)半導(dǎo)體行業(yè)的規(guī)模有多大？在 2020 年，整個(gè)全球汽車(chē)的出貨量是 8,200 萬(wàn)臺(tái)，臺(tái)積電預(yù)計(jì)到 2027 年會(huì)增長(zhǎng)到 9,400 萬(wàn)臺(tái)，其中車(chē)子里面用到的芯片的含量的市場(chǎng)規(guī)模會(huì)從 530 億美金增長(zhǎng)到 940 億美金。推動(dòng)這些芯片數(shù)量增加的主要的來(lái)源就是剛剛提到的三大塊，他們分別貢獻(xiàn)了從 16%~23% 不等的一個(gè)年復(fù)合增長(zhǎng)率。

不管是輔助駕駛還是自動(dòng)駕駛，都需要有一個(gè)強(qiáng)大的 SOC 的芯片提供強(qiáng)大的算力來(lái)處理搜集到的大量的數(shù)據(jù)。從 L2 開(kāi)始，就出現(xiàn)了一個(gè)能效比的概念。行業(yè)用 Tops/Watt 來(lái)衡量芯片需要提供的一個(gè)能力。在第二個(gè)層級(jí)，大概只需要 0.1Tops/Watt，這個(gè)時(shí)候大概使用 28 納米或者是 16 納米就足夠了；但是隨著技術(shù)往前演進(jìn)，在 L4，L5，達(dá)到 10 個(gè) Tops/watt，這樣子對(duì)于工藝的要求會(huì)進(jìn)一步提升到 5 納米甚至是 3 納米。

針對(duì)汽車(chē)電子，臺(tái)積電在 2018 年就已經(jīng)推出了 7 納米的工藝，但是直到 2021 年才完整的推出 N7A 平臺(tái)。N5 工藝也是一樣，經(jīng)過(guò) 3 年才推出 N5A 平臺(tái)，隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快，臺(tái)積電希望能加快推出更新工藝。

臺(tái)積電計(jì)劃在 2024 年推出 N4AE 和 N3AE 兩個(gè)平臺(tái)，那么 AE 代表 Auto Early，這一平臺(tái)是為了在 2026 年 N3A 的平臺(tái)可以供客戶(hù)使用之前，先讓早期的客戶(hù)拿到相關(guān)的設(shè)計(jì)文檔，可以開(kāi)始進(jìn)行一些前期的設(shè)計(jì)。臺(tái)積電在三年間不斷提升工藝良率，客戶(hù)也可以節(jié)省兩年的時(shí)間去優(yōu)化設(shè)計(jì)。這就等于是客戶(hù)不用等到一切都準(zhǔn)備好了，再開(kāi)始跑，可以提前就小步快走起來(lái)。

臺(tái)積電談車(chē)用 eNVM

車(chē)子里面會(huì)用到很多 MCU 芯片，包括車(chē)窗的控制，雨刮器、空調(diào)、車(chē)燈等等。MCU 分布在汽車(chē)的各個(gè)部位，傳統(tǒng)的汽車(chē)的 MCU 是一種分布式的架構(gòu)，現(xiàn)在隨著電子電器架構(gòu)的往前演進(jìn)，可以看到 MCU 是在向域控制器以及中央計(jì)算發(fā)展，這就要求更強(qiáng)大的 MCU 來(lái)支持汽車(chē)更智能的控制。

因此臺(tái)積電也看到整個(gè)的技術(shù)從 28 納米向 3D Finfet 工藝的演進(jìn)。

同時(shí)隨著 OTA 的成熟以及軟件定義汽車(chē)的普及，臺(tái)積電看到對(duì)于存儲(chǔ)的要求也在不斷的增加，因此臺(tái)積電看到 MCU 的趨勢(shì)會(huì)從嵌入式的 flash 的工藝向 emerge memory 演進(jìn)。

在 2005 年，臺(tái)積電就推出了 180 納米的車(chē)用的平臺(tái)。到 2019 年，臺(tái)積電提供了 28 納米的嵌入式的 flash 技術(shù)。

Flash 有一個(gè)缺點(diǎn)，隨著技術(shù)演進(jìn)，它的成本價(jià)格會(huì)越來(lái)越高，這是不符合經(jīng)濟(jì)效益的。這個(gè)時(shí)間點(diǎn)臺(tái)積電引入了 eNVM 技術(shù)，即 MRAM 和 RRAM，目前臺(tái)積電的 16 納米和 12 納米的技術(shù)正在開(kāi)發(fā)中。

MRAM 跟傳統(tǒng)的 Flash 不同的點(diǎn)在于，MRAM 是通過(guò)一個(gè)磁極的翻轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及擦寫(xiě)，這就表示它前端是跟我們的邏輯工藝完全兼容的，這樣子臺(tái)積電客戶(hù)在邏輯工藝上開(kāi)發(fā)出來(lái)的 IP 是可以完全復(fù)用。

MRAM 工藝，它可以提供從-40 攝氏度到 125 攝氏度下大于 100 萬(wàn)次的數(shù)據(jù)擦寫(xiě)，同時(shí)在 230 攝氏度的高溫下，數(shù)據(jù)可以保持 20 年以上。

16 納米的 MRAM 在經(jīng)過(guò) 100 萬(wàn)次的數(shù)據(jù)擦寫(xiě)以及 150 攝氏度的高溫之后，它的現(xiàn)有的表面是基本沒(méi)有發(fā)生變化，這樣的性能表明 MRAM 特別適合應(yīng)用于汽車(chē)電子上。

當(dāng)然必須要說(shuō)，因?yàn)?MRAM 是用磁極的翻轉(zhuǎn)來(lái)做數(shù)據(jù)的重組擦寫(xiě)，所以它還是有一定的短板所在，那就是外界的強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)它的一個(gè)干擾。臺(tái)積電經(jīng)過(guò)多年的研究與我們客戶(hù)的合作，臺(tái)積電研發(fā)了一套針對(duì)磁干擾相關(guān)的 Design 給到客戶(hù)來(lái)做參考。22 納米的 MRAM 已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段，臺(tái)積電的 16 納米 MRAM 在去年也通過(guò)了消費(fèi)類(lèi)電子的認(rèn)證，預(yù)計(jì) 2023 年會(huì)推出給到臺(tái)積電車(chē)用電子的客戶(hù)使用。

臺(tái)積電的 ReRAM，不同的點(diǎn)是在于它是通過(guò)后端一個(gè)電阻絲的連接和斷開(kāi)，通過(guò)阻值的改變來(lái)進(jìn)行一個(gè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢(xún)。那么它一樣跟邏輯的工藝是完全兼容的。在 RRAM 開(kāi)發(fā)的初期，它其實(shí)是針對(duì)于消費(fèi)類(lèi)的電影以及 IOT 應(yīng)用，主打的是一個(gè)性?xún)r(jià)比。但隨著臺(tái)積電對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的不斷的研究，深入的認(rèn)識(shí)，臺(tái)積電發(fā)現(xiàn)它其實(shí)是很有潛力可以用在車(chē)用電子里面的。

在-40 攝氏度到 125 攝氏度這樣子的情況下，它可以支持 25 萬(wàn)次以上的擦寫(xiě)，在 125 攝氏度下，它的數(shù)據(jù)也可以保持 10 年以上，然后它還有一點(diǎn)好處是它沒(méi)有磁干擾的問(wèn)題。因此臺(tái)積電認(rèn)為 RRAM 在未來(lái)可能比較適用于中低端的 MCU 的應(yīng)用上面。臺(tái)積電的 40 納米 28 納米以及 22 納米的 RRAM 現(xiàn)在已經(jīng)在量產(chǎn)階段，12 納米目前正在開(kāi)發(fā)當(dāng)中。

車(chē)用電子的三個(gè)特殊工藝

臺(tái)積電還分享了另外三個(gè)特殊工藝節(jié)點(diǎn)上，針對(duì)車(chē)用電子所做的開(kāi)發(fā)。

第一個(gè)是車(chē)用 RF 通信技術(shù)。

未來(lái)，汽車(chē)中會(huì)有更多的通信模塊會(huì)上車(chē)，由于 5G 比 4G 有高達(dá) 5 倍的數(shù)據(jù)傳輸速率的一個(gè)提升，因此這一技術(shù)是非常適合用來(lái)作為這種 ADAS 里大數(shù)據(jù)的傳輸?shù)摹４送?，通過(guò) CV2x 的標(biāo)準(zhǔn)，汽車(chē)可以跟周?chē)母鞣N事物去進(jìn)行一個(gè)通信，可想而知這樣的數(shù)據(jù)量也會(huì)是非常的驚人。所以 RF 工藝也在不斷的演進(jìn)。

另外一項(xiàng)應(yīng)用將在毫米波雷達(dá)。早期的比較低分辨率的雷達(dá)識(shí)別物體的時(shí)候，如果物體靠得特別近，可能沒(méi)辦法把對(duì)象區(qū)分開(kāi)來(lái)?，F(xiàn)在高精度的 4D 的圖像雷達(dá)，可以有小于 1 度角的分辨率，把靠得很近的物體可以清晰的按照邊界進(jìn)行一個(gè)區(qū)分。

臺(tái)積電專(zhuān)門(mén)推出針對(duì)毫米波雷達(dá)在 28 納米上的 HPC plus 的工藝，同時(shí)臺(tái)積電在 16 納米上也在進(jìn)一步的做提升，臺(tái)積電 16 納米第二代的工藝上可以提供優(yōu)于 28 納米的 Finfit 的性能表現(xiàn)供客戶(hù)使用。

第二個(gè)特殊工藝是車(chē)用 CIS。

CIS 在車(chē)子里面的應(yīng)用跟在手機(jī)上面的應(yīng)用差別很大，CIS 用在手機(jī)里面基本上是用來(lái)拍照或者是錄制視頻。但是在車(chē)?yán)锩娓嗟挠猛臼怯脕?lái)幫助機(jī)器視覺(jué)看得更遠(yuǎn)更清楚，這就要求它具有更低 pixel size，有更高的分辨率。

車(chē)子大部分的時(shí)候都是在開(kāi)動(dòng)的，所以對(duì)于運(yùn)動(dòng)的圖像的一個(gè)識(shí)別是非常的重要，要保證運(yùn)動(dòng)的圖像能夠拍的清楚，能夠不變形。技術(shù)從 rolling shutter 向 Global Shutter 的演進(jìn)也是一個(gè)大的趨勢(shì)。

在這些趨勢(shì)的驅(qū)動(dòng)之下，整個(gè)工藝往前演進(jìn)的方向，首先從工藝節(jié)點(diǎn)，會(huì)從 N90/N65 延伸到 N65/N45 納米，同時(shí)臺(tái)積電會(huì)提供 wafer 的堆疊，以及具有更高密度的 3D 的 MiM。

第三個(gè)特殊工藝是 BCD 技術(shù)。

電動(dòng)車(chē)的普及使得汽車(chē)?yán)锩嫦鄳?yīng)的電源管理的模塊數(shù)量大大的增加，同時(shí)電動(dòng)車(chē)的電池也從 12 伏向 48 伏演進(jìn)，這個(gè)時(shí)候就需要更高壓的 PCB 工藝。此外，電源管理模塊還有一個(gè)整合的趨勢(shì)，臺(tái)積電看到未來(lái)的電源管理芯片會(huì)整合更多的東西，比如 MCU，gate Driver，LIN/CAN，走線等等，所有的這一切也要求技術(shù)走向整合。因此我們看到這些技術(shù)所用到的工藝節(jié)點(diǎn)也是從 180 納米，然后引進(jìn)到 130 納米，下一代會(huì)演進(jìn)到 55 納米。

臺(tái)積電車(chē)用電子平臺(tái)

臺(tái)積電有一個(gè)完整的車(chē)務(wù)電子平臺(tái)，ADEP（Atuomotive Design Enablement Platform）來(lái)幫助客戶(hù)更好實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的落地。

ADEP 包含以下幾個(gè)部分，在技術(shù)方面，臺(tái)積電從 16 納米 FinFET 工藝上開(kāi)始提供 ADEP 平臺(tái)，還包括 N7N5 以及 N3。這些工藝節(jié)點(diǎn)都經(jīng)過(guò)了 AECQ100 的認(rèn)證，臺(tái)積電會(huì)提供完整的設(shè)計(jì)文件以及相應(yīng)的老化模型給客戶(hù)去做評(píng)估。

在 Design Flow 方面，臺(tái)積電會(huì)有 end of life aging flow，Thermal Aware EM，Custom Design Ref.flow。

在 IP 生態(tài)系統(tǒng)方面，不同于更早期的車(chē)用電子的平臺(tái)，臺(tái)積電在 IP 的部分也有部分的成果。臺(tái)積電在 in-house 的 foundation IP 上提供完整的 AECQ100 以及 ISO26262 的認(rèn)證。臺(tái)積電針對(duì)第三方的 IP 會(huì)有 in-house 的 IP9000A 的一個(gè)質(zhì)量體系認(rèn)證，確保所有在臺(tái)積電的平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的第三方 IP 質(zhì)量。

最后一點(diǎn)就是制造，這是臺(tái)積電的優(yōu)勢(shì)所在。我們針對(duì)車(chē)用電子芯片會(huì)提供汽車(chē)的 service package，但這一部分我們會(huì)幫助客戶(hù)去做一個(gè)線上的 pattern control，會(huì)選擇最好的機(jī)臺(tái)去跑這些 wafer。同時(shí)我們還會(huì)不斷的針對(duì)線上去做引入，提升它的良率，以及降低它的失效率。

總結(jié)

不久前，臺(tái)積電曾在一個(gè)論壇上表示不會(huì)為汽車(chē)行業(yè)保留空閑產(chǎn)能。臺(tái)積電今日的分享似乎表明了這家巨頭正在通過(guò)在先進(jìn)邏輯電路和專(zhuān)業(yè)技術(shù)方面的積累，去實(shí)現(xiàn)與更多汽車(chē)客戶(hù)合作。