爱集微APP · 3月24日

【芯视野】 汽车电子进化前的最后一块拼图

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(集微网报道)据预测,2021年的全球半导体产业增速约为12%,而存储技术增速则将达到19%,产值也会达到1460亿美元,其中就包括了存储器在车用市场的增长。

自动驾驶、电力驱动、车联网这些前沿的技术正在深刻影响着汽车供应链,给各种半导体器件创造了巨大的增长空间,以前在汽车中存在感很少的存储器,将会在这次变革扮演重要的角色。

大升级

“车用存储器是一个潜力非常大的市场,其中多种存储产品都会有较大增长性,包括NOR/NAND FLASH、DRAM、EEPROM、SRAM等。”存储行业资深人士吕东(化名)十分看好车用存储器的未来。

在特斯拉的带领下,越来越多的汽车厂将前仪表面板改成了触摸显示屏,引发了对大容量存储器的需求。还有5G的商用和自动驾驶的试水,让汽车产生了大量的高速数据交互类应用,也让高速和高容量的存储器成为了必需品。

2017年,每辆汽车存储设备硬件成本仅在20美元左右(不包括集成在MCU中的存储单元)。当智能驾驶到L4/L5时,存储设备硬件成本在300-500美元左右。有人估计,单车需要配置32GB DRAM和200GB NAND来与其功能进行匹配,从而实现智能汽车的功能。

吕东认为,NAND和DRAM将是主要车载存储器的主要增长点,驱动来源于通讯娱乐系统的升级和5G与AI快速发展带来的自动驾驶落地。

高级驾驶辅助系统(ADAS)和无人驾驶车辆系统要求使用强大的处理器,这类处理器对存储器容量和带宽均有要求,只有DRAM才能适配。

同样,大容量NAND也在其中发挥无可替代的作用。ADAS提醒驾驶员注意汽车与其他障碍物距离过近等潜在危险,自动打开大灯,调节行驶速度,启动紧急制动,提醒驾驶员注意周围车辆,保持车辆在车道上正常行驶,甚至是监控驾驶员的盲区。 此外,信息娱乐系统的设置必须能够瞬时保存,以防因为断电导致信息丢失。所有这些功能都需要高性能NAND来支持。

由于汽车内电子设备产生和处理的数据量激增,车用存储器在容量和规格上都将进行一轮史无前例的大升级。

助推自动驾驶

DRAM一直销量巨大,但是只有很少一部分进入车用,因为以前汽车中运转的数据量很小,很多时候只用SRAM就能搞定。随着汽车智能化的加速,情况发生了改变。

“DRAM在整车电子器件中的增长速度会超过30%。”集微咨询高级分析师陈跃楠认为,在处理摄像头和高带宽传感器输入的ADAS、信息娱乐系统中和自动驾驶中,DRAM是必不可少的存在。

在ADAS应用中,DRAM主要使用在雷达与光达感测,以及镜头感测中。而信息娱乐系统,座舱控制器、车载通讯亦是DRAM的主要应用。此外,DRAM也有许多与DCU(域控制器)搭配的应用。

观察特斯拉对DRAM的使用,就可以看出其应用戏份的加码。从Tesla Model S/X起,由于同时采用NVIDIA的车用CPU及GPU解决方案,DRAM规格导入当时频宽最高的GDDR5,全车系搭载8GB DRAM;而Model 3更进一步导入14GB,下一代车款更将直上20GB,其平均用量远胜目前大部分PC及智能手机。

新ADAS设计中最常见的DRAM是LPDDR4。LPDDR4最初是为移动设备设计的,它在容量、速度和形状系数之间达成了平衡,这对汽车应用颇具吸引力。最终,DRAM制造商推出了能够满足汽车温度等级的LPDDR4。

除了容量以外,效能也是DRAM最主要的应用原因之一。虽然车内应用种类广泛,但并非每种应用都需要使用大容量DRAM,更常见的是需要高效的计算。如车内的各种感测技术,需要通过高速运算来产生实时结果,以提供车用电子服务。因此小容量的LPDDR4将在车用DRAM中扮演重要角色。

不过,随着汽车技术的不断演进,DRAM最大的增量空间还是来自于自动驾驶。

自动驾驶的核心是AI技术,需要极高的算力、创新的内存和存储系统,用来处理和保存计算机做出模仿人类决策所需的大量数据。

自动驾驶汽车所含代码行数将超过迄今为止创建的任何其他软件平台。到 2020 年,预计典型的车辆将包含超过 3 亿行代码,包含 1 TB以上的存储,需要每秒超过 1 TB 的内存带宽来支持自动驾驶平台所需的计算性能。传统的DRAM显然已不能胜任。

接力棒传到了最新一代的LPDDR5和即将到来的DDR5手上。LPDDR5特别适用于最新型车辆使用的更大显示器,能够管理日益复杂的导航图像和驾驶舱单元的控制区域。此外,从传统的IVI派生而来、利用车内摄像头的数字集群、前后传感器以及驾驶员监控系统,都需要使用LPDDR5的高端功能。更为强大的DDR5则将出现在下一代自动驾驶SoC当中。

存储器厂商们已经纷纷行动起来。近期,存储器大厂美光就宣布首款车用LPDDR5存储器已开始送样,该方案根据基于国际化标准ISO 26262设计,符合美国汽车协会最严格的要求。

尽管前景光明,业内人士对DRAM能否在近期爆发还是持谨慎态度。吕东就认为,DRAM的上量需考虑自动驾驶和智能交通等技术大规模应用进度,汽车的电动化和智能化并不能和自动驾驶的普遍应用完全划上等号,相信DRAM在自动驾驶成熟后才会有爆发性的增长。

更快、更强

在闪存大规模使用之前,汽车电子的很多模块都会用到EEPROM,包括车身控制模块、驾驶辅助系统以及信息娱乐与车联网系统等模块。据不完全统计,平均每辆车上的EEPROM使用需求在12颗以上。

凭借更强的可编程能力,NOR闪存成为EEPROM的后继者。它在需要快速,非易失性存储器的应用领域,如通信,工业和汽车应用中找到了新的机遇。

由于高可靠性和性价比,NOR闪存一直在汽车中存有一席之地。比如,用于ADAS的后视摄像头需要仪表盘能快速启动,ADAS 的激光雷达需要内建一个NOR Flash控制内部各种功能,此外自动紧急刹车系统(AEB)、胎压侦测器(TPMS)、道路偏移警示等 ADAS 系统等都需要用到NOR。

不过,受限于工艺制程,NOR后续的发展空间不大,加之汽车中对大容量存储的需求,NAND正在全面取代NOR。

“以往汽车采用HDD或NOR的地方,都逐渐被NAND取代,包括整个车内仪表板以及导航、娱乐等系统,都将需要大容量的NAND。”吕东告诉记者。

NAND在汽车中多以eMMC(后续是UFS)形式出现,这是一种自带控制器和NAND型闪存,开发非常简单,容量可以做到很大。

数据显示,全球eMMC市场在2020年达到21亿片,驱动力是移动设备。而汽车是增长最快的部分,预计2014~2021年器件年均增长16.4%。在汽车部分,信息娱乐预计年均增长20.5%,到2021年将使用近1.6亿片eMMC。

现今,汽车上的所有应用程序都需要闪存,无论是简单的软件更新,不仅要存储软件和程序代码,还要存储地图等数据库,这些数据库也需要存储在本地。容量更大、速度更快的NAND自然成为不二之选。

并且,当全球 L4 级自动驾驶汽车的普及率达到 1% 时,行业人士预计 NAND 的需求将是目前需求的 25 倍。

对于NAND的发展趋势,吕东认为或能将物联网行业发展历史作为可参考对象,“因技术产品成熟和迭代成本可控,NAND的增长会先到来且未来预期比较清晰。”

跨越挑战

将同规格和容量的车规产品与一般商规产品相比,两者至少有3成以上的溢价,且价格也会随着规格与细致度上升而有倍数上涨的概率。因而吸引众多厂商对汽车市场趋势若骛。

通常,汽车配件市场分为前装和后装两部分。前装是随整车生产而集成在内,后装则是在已经生产好的车上另行加装。后装市场更像消费电子,前装则门槛很高。

陈跃楠认为车用存储的新机遇在于前装市场,“基于闪存或DRAM的各种场景,会在前端的使用更多,信息娱乐、自动驾驶等功能都集成在整车之内了。”

残酷的现实是,前装市场对存储产品的考验要远大于后装市场。“汽车关乎人命,因此门槛很高,以最基本的 AEC-Q100 车规级产品认证标准为例,厂商需要连续三个批次完成三轮实验,要符合这些标准用的设计就必须要比消费性电子的强度强10倍。”一位车用芯片厂商告诉记者,为达标准,厂商都要另外给台积电付费来做特殊工艺。除了硬件设计要符合车规的设计过程,软件也需要符合车规规定的软件写的方法和过程,要求非常严谨,很多公司都不能承受。

然而通过认证只是开始,进入车厂导入环节以后,每个车厂还会结合自己的产品设计和生产流程对供应商提出不同的合规化和定制化要求。

高制作难度、高生产成本的挑战,吓退很多尝试者,但是依然吸引无数新进者,就因为车用存储器有很高的报酬与潜在庞大商机。

“前装市场对于存储器的规格要求十分严苛,带来的就是更高的设计和测试验证要求,以及更好的价格和利润表现。”吕东认为。

为此,存储器厂商们一边积极应考,一边不断改进工艺。从公开数据来看,最新出炉的车用存储产品已经可以胜任汽车新时代的挑战了。

作为汽车电子系统中不可或缺的一员,车用存储器的前景不可限量。巨大的商机当前,三大存储巨头已经对车用市场进行了各种布局,而国内的存储新势力也开始跃跃欲试,新一轮的竞赛已经悄悄展开。(校对/Andrew)

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