汽车半导体行业的趋势、安全和保障挑战

半导体是电子器件的关键部件。它对社会的几乎每个行业都产生了令人难以置信的影响。半导体行业在全球拥有4767亿美元的市场价值，年增长率为15.9%。半导体行业的竞争非常激烈。三星电子以758.5亿美元的收入成为最大的半导体芯片制造商，将销售收入为698亿美元的英特尔甩在后面。目前，在不到10纳米的节点上，半导体技术已经跨越了1.008亿个晶体管集成的里程碑。然而，集成电路的测试成本几乎达到了与集成电路的制造成本相同的水平。汽车的电子控制，以及对汽车自动化的需求上升，加上集成电路技术的小型化，片上系统，都是推动汽车领域半导体市场发展的因素。车辆连接性的增强使汽车行业潜在的网络攻击风险上升。这一问题迫切需要提高客户的重视和认识。因此，亟需强大的网络安全解决方案。因此，本本强调了汽车测试、可靠性、安全性和安全标准要求的重要性和意义。本报告讨论了具体的内置系统模式，并强调了选择ISO 26262认证的解决方案的好处，以确保标准化的质量水平，安全和安全要求，同时加快了当今汽车片上系统的上市时间。

简介

汽车工业是一个大的变革。全球市场洞察力发布的一份报告--关于汽车电子市场的研究，如图1所示。该数字表明，2017年汽车电子市场业务达到2700多亿美元，并预测2024年该业务将达到3900多亿美元，复合年增长率（CAGR）超过6.5%。报告进一步预测，在北美（NA），2018-2024年期间的同比（yoy）增长将约为8.5%。

图1. 全球市场洞察力--关于汽车电子市场的研究

IHS Markit提出的一份调查报告和Cadence提到的关于汽车半导体应用的收入，预测到2022年，收入将达到约4750亿美元的水平。报告还显示了每个应用的收入增长率，即例如高级驾驶辅助系统（ADAS）、混合动力汽车（HEV）/电动汽车（EV）等（见图2）。

图2. IHS Markit和Cadence提到的关于汽车半导体应用的收入情况

图3显示的是飞思卡尔半导体公布的其他数据，表明到2030年汽车电子内容的增长将上升到50%。图中进一步强调，在汽车行业，80%的创新是电子化的。

图3. 飞思卡尔半导体关于汽车电子内容的增长

从报告的研究中可以看出（图1-3），存在着自动驾驶汽车的竞赛，因此，自动驾驶汽车的竞赛几乎每天都在成为新闻。如果我们不考虑法律、道德和立法方面的影响，，这个新市场对汽车应用的片上系统（SoC）的发展是一个难以置信的快速驱动力。高级驾驶辅助系统（ADAS）是全自动驾驶汽车的前身，它迫使现代汽车中的电子器件数量和复杂程度呈指数级增长。先进的驾驶辅助系统应用计算量非常大，需要先进的过程节点来满足性能/功率的需求。在接下来的章节中将介绍半导体技术如何随着巨大的计算能力和小型化而发生转变。

半导体技术改革

在本节中，我们将看到半导体技术的发展是如何随着巨大的计算能力和小型化而转变的。

A.半导体销售收入

如文献[5]所报道，2019年的半导体销售收入约为5000亿美元（图4）。

图4. 1987-2019年期间全世界的半导体销售收入

B.计算能力和微型化

截至2017年3月30日16:00 GMT出版的IEEE Spectrum引用；英特尔现在每平方毫米的面积上装了1亿个晶体管。发布的新闻进一步写道，“在本周，英特尔透露了更多关于其10纳米技术的发展。”英特尔说，“在一个标准的2输入NAND单元和一个扫描触发器逻辑单元中，它以多年的1.008亿个晶体管密度领先于业界。英特尔进一步强调说，十年前，英特尔的最先进水平是每平方毫米面积330万个晶体管。至于未来的预测，英特尔预测到2030年年底将达到4纳米。”

值得强调的是，在目前的情况下，半导体技术的发展不仅使电子设备的包装极大地小型化，同时也使计算能力提高了许多倍（图5-7）。

图5. 半导体技术发展--技术节点和计算能力。

图6.  半导体技术发展--电路微型化。

图7.  半导体技术发展--电路小型化--英特尔

因此，鉴于半导体这种革命性的技术冲击和电子应用的严重复杂性，安全关键型汽车应用迫切需要对功能安全性和可靠性提出严格的要求。

因此，在目前的技术水平下，这些指标正成为半导体设计流程的一个组成部分。在设计流程的每个步骤中，都需要重视强调汽车应用的功能安全和可靠性要求。

汽车工业中的电气和电子系统及功能安全

电气和电子系统的功能和运行安全成为汽车工业的当务之急。这是由于固有的电子嵌入式系统，如图8所示。像电子控制单元（ECU）这样的电子部件的故障对驾驶员和乘客的安全产生了严重的影响。

图8. 电子嵌入式系统在自动驾驶汽车中的固有用途。

A.限制汽车半导体器件的缺陷

根据新安全标准的要求，作为一项严格的规范，将缺陷限制在低至零的水平成为一项势在必行的要求。更重要原因是，随着更多电动和电子控制的车辆迅速转向自动化因此，部件性能和可靠性的误差范围将成为必须考虑的问题（见图9）。为了理解缺陷的重力影响，让我们考虑一个带有40个ic的印刷电路板(PCB)，每个ic的故障覆盖率为90%，成品率为90%，废品率为34.4%。即每百万分之34.4万个缺陷部件。

图9. 电子嵌入式系统在自动驾驶汽车中的固有用途。

B.功能安全的概念

根据世界卫生组织（WHO）2018年的报告，世界道路上的死亡人数仍然高得令人无法接受。报告显示，估计每年有135万人死于交通事故。报告还强调，召回是最有可能造成交通伤亡的原因。从此以后，世界组织呼吁按照国际标准化组织(ISO 26262)标准的定义和规定引入功能和操作安全概念。

ISO的定义和规定是为了解决随机和系统性故障，如汽车安全完整性等级（ASIL）、故障模式、影响和诊断分析（FMEDA）、故障分类和工具可信度等级（TCL）。然后，ISO描述了功能和操作安全是如何整合并推动半导体行业的传统设计/验证/实施流程的。再现了一些典型的故障率值和故障部件类型，如图10-11所示。

图10. 电子元件的故障率。

图11. 汽车安全完整性等级。ASIL（从低到高，分别代表A到D） 。

根据ISO 26262的标准，诊断故障覆盖率需要根据公认的行业来源的故障率来估计。此外，统计数据应基于现场回报或测试和专家的判断。

这一部分定义的两个指标是：

• 单点故障指标，衡量设计对单点故障和残余故障的稳健性。数值越高越好。
• 潜伏故障指标，衡量设计暴露于潜伏故障的稳健性。数值越高越好。

与许多ISO的要求一样，这些指标只适用于较高的ASIL功能（即B、C或D）。ISO 26262的模型如图12所示。下一节将讨论如何以更好的方式处理这种SoC测试。

图12. ISO 26262参考V模型。

内置自我测试—可测试性设计

ISO 26262的标准是关于汽车工业电气和电子系统的功能和操作安全。汽车工业电气和电子系统的功能和操作安全标准，为硬件产品的质量开发制定了规范（ISO 26262-第5部分，第5、6、7、8条）。第5条从硬件层面定义了产品开发。第6条定义了硬件安全要求-检测和容错。

第7条规定了硬件设计和验证要符合规范和各层次的安全要求。

• 区块：传感器、CPU、执行器等。
• 组件：电阻器、电容器、晶体管等。
• 模块：电源、内存等。

安全追溯是在模块级别上的，继承了更高的ASIL分类。

由于在片上的系统的小范围内，涉及到100万门的设计，需要30千行的Verilog代码，对于缓冲器需要2000个寄存器位，再加上22千的验证状态，使得功能和操作的关闭是不可能的。因此，作为可测试性设计（DFT）方法的一部分，内置自测试（BIST）被认为是最适合汽车电子设备测试的技术。此外，BIST技术的好处如下。

• BIST技术降低了测试和维护的成本，因为它需要更简单、更便宜的自动测试设备（ATE）应用。
• 当采用BIST技术时，自动测试模式生成（ATPG）的成本会大大降低。
• 在BIST技术中需要较少的内存存储。该技术也只需要较少的工作来维护测试模式。
• 使用BIST技术可以对大量的单元进行并行测试。
• BIST技术需要更短的测试应用时间。
• BIST技术可以以功能系统的速度测试单元。

一个典型的内置自测试结构如图13所示。为了使测试信号快速生成，使用多输入移位寄存器（MISR）作为输出响应压缩器（ORC）将更加有效（见图14和15）。此外，对线性反馈移位寄存器使用特定的特征多项式集更适合作为测试工具来测试应用于汽车工业的SoC。

图13. 一个典型的BIST架构。

图14. 一个典型的BIST扫描架构。

图15. 一个典型的MISR结构。

结束语

本文强调了当前汽车工业的趋势。半导体行业如何吞噬了汽车行业的增长和发展是讨论的重点之一。该报告简要总结了由于半导体行业发展的路线图所带来的挑战和机遇。作为挑战的一部分，还讨论了汽车测试、故障、可靠性、安全性要求的影响。此外，报告涵盖了具体的系统内模式和选择标准ISO 26262认证解决方案的好处，以确保标准化的质量、安全和保障要求，同时加快当今汽车芯片系统的上市时间。

作为确保汽车系统芯片硬件标准化质量的解决方案的一部分，报告强调了使用内置自测试技术作为测试概念设计过程的好处。在讨论半导体行业的迅速增长时，有人指出，在目前的情况下，实施内置的自我测试是一个机会，这被证明是最适合测试汽车芯片系统的方法。

文章转载自公众号：智能汽车开发者平台