车企使用7nm芯片,台积电横扫订单,中芯国际连汤都喝不上?

说好的使用28nm芯片,为什么车企开始使用7nm芯片了?造不出7nm芯片是不是直接失去电动车市场?

汽车对芯片依赖程度越来越高

随着汽车工业的快速发展,燃油车逐渐被淘汰,电动汽车、智能汽车登上历史舞台。这类汽车对芯片的需求十分庞大。

一辆普通燃油车所需的芯片数量为600-700颗,种类也不太多。

而一辆电动汽车所需的汽车芯片数量达到了1600颗,种类达到了40多种;高端车型需要3000多颗芯片,芯片种类超过了150多种。

感觉有点不可思议吧?但是现实的确如此,这些芯片根据功能不同划分如下:

第一类:算力芯片,主要是处理器、控制器,比如自动驾驶、辅助驾驶、中控、发动机、车身、底盘控制;

第二类:负责功率转换,用于充电和外部接口;

第三类:传感器,主要用于各种胎压、雷达、气囊检测;

第四类:负责通信,主要用于以太网、蓝牙、WIFI、蜂窝通信;

第五类:存储芯片,包括动态存储、静态存储、闪存,搭载在座舱主机、数字仪表上。

有的网友可能不理解,一台汽车要这么多芯片干嘛?这么复杂干嘛?

其实你可以想象,功能机升级为智能手机。以前的功能机也就打电话、发短信、偶尔拍张照片、玩个小游戏。

如今的智能手机,拨打视频电话、发语音、相机可以变焦30倍、玩网游、刷视频、购物、支付等等,甚至有网友调侃到“一机在手天下我有”。

它带来的是全新的升级,全新的变化,而智能化电动汽车也会带来全新的升级、变化。

通过手机就能看到汽车的电量、温度、内部环境。然后手机操作点火,开空调。自动驾驶系统将汽车开到你面前,然后带着你去上班。

AI陪你聊天、播放天气预报、热点新闻、提醒你处理相关工作。简直不要太舒服!

那么这些升级,需要大量的软件、硬件的支持。

一辆高端汽车,仅自动驾驶系统的代码就超过1亿行,计算量达到了10万次/秒,操作系统的量级已经远超过手机、飞机和互联网软件。

这样的系统需要强大的芯片来支持,否则代码根本就运行不起来。

除了算力芯片外,功率、传感、存储芯片的需求也会明显激增,并且要求也越来越高。

汽车芯片比手机芯片要求更高,因为汽车的使用寿命更长、使用环境更复杂、并且需要足够的安全保障。

一般汽车使用时间在十年以上,而手机则在3、5年左右,所以车规级芯片的使用寿命要比手机芯片长的多。

汽车的工作温度也更加复杂,例如冬季的东北温度可达到-40°C,而汽车在暴晒、剧烈工作后局部温度可达到150°C,这需要芯片要承受-40°C-150°C的温度。

安全性更加是毋庸置疑的,功能安全、信息安全、人身安全,一个也不能少。

因此,汽车芯片大都是成熟的28nm、14nm芯片。但随着芯片技术不断的发展、更迭,如今越来越多的汽车厂商将芯片瞄准了7nm以下制程。

为什么要7nm以下芯片

从高通到苹果,再到华为,无论是A15、A16,还是骁龙8+,再或者麒麟9000,都证明了一件事。

那就是,手机芯片直接决定了手机的档次和体验,如今这一幕正在汽车界上演。

一款高档的电动车,除了使用宁德时代的电池外,还要标配高通SA8155P(简称8155),这就是电动车近两年的卖点。

高通8155,是第三代骁龙汽车芯片,基于ARM机构,采用7nm工艺制程,包含 CPU、GPU、DSP、ISP 以及 AI 引擎等。

其中CPU 采用 1+3+4 的 8 核心设计,核心为高通 Kryo 485。其中大核主频为 2.96GHz,三个高性能核心主频为 2.42GHz,四个低功耗小核主频为 1.8GHz。

整个芯片的 AI 算力能够达到 8TOPS,可以说十分强劲。

8155支持3块4K屏幕或4块2K屏幕、4个麦克风、6个摄像头,另外还支持Wi-Fi6、5G和蓝牙5.0。

高通8155由骁龙855修改而成,二者都采用了7nm工艺制程。但车规级芯片8155的标准和成本要比855高很多。

骁龙855是消费级芯片,它的设计寿命只有3-5年,而8155的设计寿命达到了15年

骁龙855的环境温度设计为-20℃—60℃,而8155的工作温度为-40℃—85℃,而发动机附近的芯片,设计温度高达150℃;

骁龙855湿度最高要求为40%~80%,而8155需要达到95%;

骁龙855承受的加速度标准为5G,而8155需要承受50G的加速度。

工作环境更是差距巨大,8155需要考虑水、粉尘、蒸汽、震动、静电、有害气体、电磁干扰等多方面的要求,这比消费级的855严苛的多。

如此高的要求,自然是出于安全、稳定的考虑,但同时高要求也意味着高价格。据悉高通8155价格接近上万元,超过了一台旗舰手机的价格。

即便如此,8155也销售火爆。

上汽、小鹏、蔚来、广汽、长安、吉利、长城、理想等等都采用了这个款芯片,而汽车的售价也被拔高到仅50万。

随着8155的火爆,高通很快研发了新品——“8295”。

8295是高通第四代汽车数字座舱平台,工艺制程从7nm提升至5nm、AI算力提升至30TOPS、像素和3D渲染能力提升200%。预计2023年装车。

高通车规级芯片的火爆也极大的刺激了其他芯片厂商,联发科、华为、瑞萨、NXP、Microchip、ST、英飞凌等纷纷重装上阵。

就连比亚迪、吉利这些车厂也开始“造芯”了。

2021年12月10日,吉利汽车发布了首款国产7nm座舱芯片——“龙鹰一号”。

这款芯片面积仅83平方毫米,拥有87层电路及88亿晶体管,目前这款芯片已经完成测试、验证,并进入量产阶段。

龙赢一号打破了国内车规级芯片的市场格局,要么你也玩7nm,要么就被淘汰。

如今,智能座舱芯片已经是Soc(系统级芯片)了,并且“升级战”越演越烈。

根据市场统计数据,乘用车搭载的娱乐类信息已经超过了80%,其中高性能座舱芯片占据了40%以上的市场规模,低性能芯片占比超过50%。

最重要的是,高性能芯片的搭载率正在快速上升,2022年前4个月同比增长了28.36%。

可见,低算力的传统座舱芯片正在被淘汰。因此,吉利的7nm国产座舱芯片,必然会打破国内车规级芯片的市场格局。

总的来说7nm车规级芯片已经是必然趋势了,7nm芯片具有以下优势:

集成度更高

相同面积的晶体管数量更多,逻辑门更多,电子产品的功能也更多。例如:7nm芯片的门电路密度是16nm的3.3倍的。

响应速度更快

单管开断速度更快,主频更高,性能也会大幅提升。7nm芯片相比16nm芯片提升了35-40%的速度。

耗电量更低

同样的逻辑电路下,先进的工艺会导致耗电量更低。例如:7nm芯片的功耗相比16nm下降了65%。

设计难度也更大

设计难度大对高通、苹果这些头部企业来说更容易形成行业壁垒。导致强者越强,弱者恒弱,形成更大的护城河,更高的行业壁垒。

7nm芯片在制造商提出了更高的要求,在芯片制造领域最强大的当属台积电了。车规级芯片选择台积电做代工在合适不过了。

为什么是台积电7nm工艺

7nm及以下工艺只有台积电和三星能够做到,但芯片厂家更愿意选择台积电。

台积电是全球芯片代工龙头,市场份额高达52%,工艺制程已经达到了3nm。

使用台积电代工的芯片更具优势,主要表现在:漏电率更低、良品率更高、晶体管数量更多、发热现象也更少。

而另一家代工巨头三星电子,明显芯片的良品率与能效不佳。

进入5nm后,大家都吐槽三星工艺不行,良率低、功耗大,发热大。高通与三星合作打造的骁龙芯片,被称为“火龙”,小米使用了这样的芯片叫“为发烧而生”

例如:5nm的骁龙888,功耗太高,被称为火龙。4nm的高通骁龙8Gen1,还是火龙。

高通只好把骁龙8+交给了台积电代工,明显比骁龙8Gen1性能强,功耗低,发热小。

媒体报道:三星的4nm领频率只有35%,3nm的GAAFET晶体管技术,良品率只有10%-20%。

而台积电3nm工艺良品率达到了80%,是三星的4倍。同时功耗降低 34%,性能提升18%,晶体管密度提升18%。

功耗明显下降,玩游戏也更加稳定,这让三星更尴尬了。

随着车规级芯片在安全性、稳定性上提出了更高的要求,因此绝大多数芯片厂商直接找到了台积电。

例如:2019年特斯拉将自动驾驶芯片Hardware 3.0交由三星代工生产,而现在被传出重回台积电怀抱。

大众、通用、丰田等车企也找到了台积电,直接对接晶圆代工厂。

台积电在美国亚利桑那州的工厂,将迎来更多的客户,其中苹果为第一大客户、特斯拉为第三大客户。

可以说,7nm以下的车规级芯片已经被台积电垄断了。

那么问题来了?国产车规级芯片在制造方面如何呢?

国产芯片制造端如何?

国内制造的14nm、28nm芯片,要么不是车规级芯片,要么是IGBT、功率器件、传感器类的芯片。

中芯国际代表着国产制造的最高等级,也只能达到14nm的消费级芯片,车规级14nm还在路上。

7nm及以下制程因为缺少EUV光刻机,无法量产。

中芯国际CEO梁孟松也发过公告:目前中芯国际已经完成28nm、14nm、12nm的量产,7nm的技术完成开发,5nm、3nm关键技术已经展开,只待EUV光刻机。

也就是说,要想实现7nm车规级芯片的量产,首先要拿到EUV光刻机。

但是,目前EUV光刻机被荷兰ASML垄断,只卖给台积电、三星、英特尔,中芯国际即便出更高的价格也拿不到设备。

国产光刻机勉强能够制造28nm芯片,没有5—10年的时间,根本造不出EUV光刻机。

很多网友都说,绝大部分场景只需要28nm芯片,但现实是手机芯片向着3nm进军,汽车芯片向着7nm、5nm进军,就连家用电器芯片也越来越精密了。

几年后,一家不能制造7nm芯片的公司,恐怕真的连汤都喝不上了吧!

写到最后

台积电横扫7nm以下车规级芯片,高通、特斯拉、大众、丰田都成为了客户,未来台积电将强者恒强。

国内芯片制造企业缺少核心设备“EUV光刻机”,无法量产7nm芯片。

随着芯片不断的更新迭代,未来更多的场景需要用到7nm以下的芯片,留给国产芯片厂商的时间不多了。

现在中芯国际依靠成熟的28nm混的风生水起,但如果不能突破7nm工艺,未来恐怕生存都是问题。