控制芯片制造的 "热度";了解细节背后的美丽

By:费希尔-朱

编者注:本文曾发表在EET中国上。

在中文中,"灶火 "一词的使用并不限于厨房;它也可以用来描述某人的性格和成熟度。

这也适用于半导体制造行业。

虽然一个小小的芯片看起来很简单,但它体现了大量的科学知识。只有那些真正了解制造工艺和应用原理的人,才知道生产一个芯片有多难,并能欣赏到关注小细节背后的美。

晶片制造和未来的汽车

由于半导体技术的发展势不可挡,许多涉及半导体技术的不可思议的汽车功能正在被开发出来;例如,高级驾驶辅助系统(ADAS)目前正在为自动驾驶汽车铺平道路。

一般来说,从现在到2023年,汽车应用半导体市场预计将以7%的复合年增长率增长,市场价值将从350亿美元增加到540亿美元。由于ADAS/自动驾驶/车载信息娱乐系统(IVI)/电动汽车动力系统/安全应用的推动,每辆汽车中的半导体芯片价值预计将从2017年的375美元上升到2025年的613美元。在此期间,ADAS应用的价值预计将激增,估计年复合增长率为19%。

但尽管如此,绝大多数人都没有意识到汽车电子和半导体代工厂之间日益密切的联系。

GF在ADAS和自动驾驶汽车领域拥有丰富的专业知识(来源:GF)。

知识产权、工艺技术和服务都是至关重要的

至于GF的汽车电子业务,AutoPro™服务包是一个关键因素。该服务包为GF的所有汽车技术提供经验、质量和可靠性服务。因此,该服务包能够满足汽车行业对质量和可靠性的严格要求,并帮助汽车制造商利用半导体的力量进入新的 "智能互联网 "时代。

GF解决汽车功能问题 (来源: GF)

AutoPro服务包解决方案的重要性在于,它使GF在全球的所有晶圆厂,包括德国德累斯顿、纽约马耳他、新加坡和中国成都,都能为各类汽车客户提供通过汽车规范认证的模块化平台,无论客户选择使用何种工艺(如新加坡的主流180纳米、130纳米、55纳米和40纳米工艺,马耳他的14LPP/12LP/7LP FinFET,或德累斯顿的22纳米FD-SOI技术)。

毫不奇怪,汽车制造商对质量和可靠性的要求甚至比其他市场的客户更高。这就是为什么拥有IATF16949认证具有重要意义。

IATF16949认证代表了对整个生产过程保持在可控、可追溯状态的信心。它还保证汽车级IC的生产、测试和筛选过程具有零缺陷状态,因此是汽车客户的一个重要指标。

GF的德累斯顿工厂1最近完工,并获得了第一个全面的IATF16949/ISO9001认证,这表明该工厂的质量管理体系符合汽车生产要求,机动车客户可以从GF的平台上获得汽车规格的IC产品。

为不同的应用选择正确的工艺

与其他代工厂不同,GF同时进入了FD-SOI和FinFET领域。GF的22FDX®是AEC-Q100汽车标准的一部分,已经取得了认证,可以满足机动车市场对质量和性能的严格要求。

我们一直认为,22FDX生产中的掩膜工艺的成本和复杂性明显低于14nm FinFET工艺,而且FinFET工艺也不能轻易实现射频器件所需的体偏。因此,通过实现功耗、性能和成本之间的实时权衡,FD-SOI为具有链接能力的新型嵌入式系统提供了理想的技术。物联网(IoT)、5G和ADAS是最适合FD-SOI技术的市场。相比之下,FinFET等先进的CMOS技术适用于旨在提供最大处理性能的芯片。

GF的汽车SoC产品路线图(来源:GF)。

如何为不同的应用选择合适的工艺?

GF一直注重与客户保持密切联系,充分了解他们的产品需求。如果客户想生产高性能的处理芯片,GF会建议他们采用FinFET工艺;如果他们只想生产雷达接收器,那么采用Si-Ge工艺就可以了;如果他们想生产高分辨率的雷达,22FDX工艺是最合适的。而在制定解决方案的同时,GF还通过提供不同工艺对应的PPA分析报告,帮助客户做出正确的选择。

以汽车雷达为例,目前77-86GHz中/远程汽车雷达的射频单元通常基于Si-Ge工艺,数字单元基于180nm和130nm CMOS工艺;因此,芯片的整体处理能力较差。相比之下,GF的22FDX技术可以提供出色的毫米波性能和数字密度,这可以使基于22FDX的雷达传感器提供更高的分辨率和更低的延迟,同时确保极低的整体系统成本。我们已经看到客户迅速推出基于22FDX技术的雷达成像芯片组。这些芯片组可以探测300米范围内的物体,并提供具有极高分辨率的宽阔视野。

而客户已经将GF的主流CMOS工艺技术用于开发77GHz短/中程雷达模块。这些模块在单个电路板上集成了微控制器、数字信号处理器、SRAM、闪存和支持部件,可用于替代大型雷达阵列。

当然,雷达只是半导体被用于汽车的一种方式。动力系统控制是另一种方式。在最近的嵌入式世界会议上,Silicon Mobility展示了其现场可编程控制单元(FPCU),可用于控制电动和混合动力汽车的动力系统。

Silicon Mobility在2018年嵌入式世界大会上的演示(来源:Silicon Mobility)。

该元件的设计采用了GF的55LPx技术,可以实时处理来自传感器和执行器的信息并对其进行控制,并可与单个芯片上的标准CPU连接(符合ISO 26262 ASIL-D安全标准)。

基于该FPCU的框架将提供更多的功能、灵活性和安全性,并能提高电动和混合动力汽车的动力总成控制能力和性能。通过采用硬件而不是软件来快速实现复杂的动力总成控制算法,该框架可以节约能源并延长电池寿命。据Silicon Mobility公司称,FPCU可以将电动和混合动力汽车的续航能力延长32%。

目前,用于空调、发动机和油系统控制的MCU,短/中/长距离雷达,用于电动/混合动力汽车电源管理的IC,以及用于ADAS/自动驾驶系统的高性能处理器在GF汽车电子应用服务中占主导份额。从我们自己的观察来看,中国的汽车客户倾向于寻求视觉和自动驾驶处理芯片,欧洲市场最大的应用包括微控制器、传感器、摄像头和激光雷达,而美国客户则瞄准了激光雷达和自动驾驶解决方案。

中国是一个非常有趣的市场,国际市场上大概有30%的半导体供应商来自中国。然而,中国的许多一级汽车制造商仍然从大型机动车设备公司购买标准的雷达和处理器芯片-这就是目前的状况。尽管如此,GF仍然看到了中国出现的各种创新解决方案的巨大前景;其中一个例子是将视觉监控系统的经验应用于汽车领域。除了提供MIPI接口和Can Bus等内置IP解决方案外,我们的战略还包括在中国设立设计中心,帮助客户更好地利用GF平台。

关于作者

费希尔-朱

费希尔-朱

朱先生在半导体行业有超过15年的丰富经验。他在一些领先的公司担任过各种职务,包括研发、系统设计、软件和产品管理以及市场营销。他现在是GlobalFoundries的中国市场总监,之前他曾在意法半导体、飞思卡尔和Synaptics工作。

朱先生拥有上海交通大学的电子学学士和硕士学位。