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自动驾驶与汽车半导体的未来之路


在经历了去年一年如火如荼的全球自动驾驶商业化竞赛之后,无人车的热度在今年丝毫未减。十四年前,在2004年DARPA的120英里“大挑战”中,自动驾驶汽车还无法在莫哈韦沙漠中行驶十英里,无人车也并不是一个引人注目的话题。而今,自动驾驶技术正在将汽车产业推入一个全新的时代。

 

汽车半导体

 

汽车半导体领域对行业的吸引力既有需求方面也有供应方面的原因。

 

需求方面是自动驾驶辅助系统(ADAS)和最终的自动驾驶需求对半导体的要求有很大的变化。从历史上看,汽车半导体是在十年前的制造工艺中制造出来的,这些制造工艺采用大量特性数据、模拟技术和小型微控制器;而今后的加工需求将采用先进制造工艺(例如16nm和7nm FinFET)进行制造。供应方面则是整个半导体行业的年复合增长率为5.2%,汽车行业的年复合增长率为10.6%,是半导体行业的两倍;而自动驾驶硅片行业的年复合增长率为23.6%,更是后者的两倍。这意味着到2022年,每辆汽车的半导体平均价值将从目前的$250美元翻一番,达到$600美元。预计随着自动驾驶汽车等级的部署,这一数字更将增加两倍。



这将导致汽车行业结构的重组。去年的汽车电子行业大会上,几乎所有公司都有一个上述图片的自家版本。从历史上看,像福特、丰田和宝马这样的汽车原始设备制造商(OEM)会与博世(Bosch)、电装(Denso)和大陆集团(Continental)这样的一级汽车供应商(tier-1s)打交道;而这些tier-1s则与各半导体公司合作(汽车行业的大公司有NXP、英飞凌、Renasas、STM和TI)。尤其值得一提的是,OEM制造商与半导体公司并没有真正的合作关系,也不懂真正的半导体设计(甚至没有创建自己的软件)。

 

然而现在,一切都在改变。OEM制造商意识到,他们需要拥有至少一部分自己的硅片及大量的软件,否则他们的汽车将无法从市场上脱颖而出。这类似移动领域的转型,从苹果(Apple)开始,市场领导者都意识到,他们至少需要自己的应用程序处理器。Tier-1s则需要更深层次的半导体合作关系,否则就会在这一链条中被忽略。

 

上文讨论了需求方(汽车)和供应方(半导体),表明双方都需要对方。但其实还有更深层次的问题。各汽车公司不具备在先进工艺中设计高性能SoCs的经验。但半导体行业也没有在高性能SoC方面为汽车提供可靠性的经验。这对双方来说都是一个学习的过程。

 

因此,这样的大变革就吸引了新的进入者。许多风险投资公司投资了新的参与者,并竞相创建有效的解决方案。同时如上图所示,OEM制造商和tier-1s都在寻求自己的SoCs,而像NVIDIA和Intel、Mobileye这样的公司则提供标准解决方案。

 

传感器



自动驾驶的一个关键技术是让车辆“看见”,目前有三种主要方式:

 

·        视觉:为带有(典型)CMOS图像传感器的手机开发的一种照相机

·        雷达:它有一个很大的优势,即可以在黑暗中、雨、雾、雪中以及视觉很差的其它情况下“看见”

·        激光雷达:利用激光脉冲来建立车辆环境图像。这些是安装在第一代测试车辆顶上的大型旋转装置,但要想实现大规模部署,激光雷达则需要成为固态电子器件

 

传感器融合也许将是下一代的技术,它指的是将所有传感器信息结合起来,得到一个关于汽车周围情况的单一图像,作为决定下一步行动(继续开车、转弯、刹车等)的第一步。

 

通信

 

汽车需要通信;至少地图资料和路况数据需要从云端上传到车辆上。这就需要网络连接,也被视为5G技术的驱动因素之一,因为5G具有高带宽和低延迟。但是即使网络连接失败或发生拥堵,通信也需要正常运行:我们不能回到云端然后再返回来判断交通信号灯是否为红色。

 

因此我们还有其它潜在的通信形式,即V-2-X。X通常是V-2-V(车辆对车辆)中的另一个V,此时车辆可以向其它车辆发出信号,警示路况、盲点、十字路口等等。基础设施的另一种选择是V-2-I(车辆对基础设施),此时交通信号灯等物体可以与车辆通信,从而更智能地决定何时该变换红绿灯,或者向车辆发出信号,告知接下来的举动等等。

 

目前关于通信有三种模式:

 

·        集中式:自动驾驶汽车将始终保持连接,许多协调工作将在云系统中以集中的方式完成。

·        自含式:汽车将包含所有自动驾驶所需的传感器,这种连接只用于对时间不敏感的路况更新等状况。无需与政府进行合作(除去法律和法规所要求内容)。

·        自含式和V-2-X:所有V-2-X内容都需依靠传统汽车工业和政府机构合作驱动(尤其是在欧洲)。但这一切可能会被前两项超越:当交通信号灯可以与车辆通信时(仅在美国就有大约100万个),车辆就会读懂交通信号灯,甚至还能读懂行人穿行时的倒计时信号。

 

等级



汽车工程师协会(SAE)为自动驾驶能力定义了5个等级(如果计入第0层-完全不属于自动驾驶,则一共有6个等级)。这些等级为:

 

·     第0层:手动控制

·     1层:驾驶员助理

·     2层:部分自动驾驶(无需脚控)

·     3层:有条件自动驾驶(无需手控)

·     第4层:高度自动驾驶(无需眼控)

·     第5层:完全自动驾驶(无需脑控)

 

目前大多数的汽车属于第1层。带有车道跟踪和自动紧急制动(AEB)功能的汽车属于第2层。第一个真正的“自动驾驶” 存在于第3层中。第5层(完全自动驾驶)的条件极为苛刻(想象一辆不再需要方向盘的汽车),未来还有很长一段路要走。




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--以上部分内容转自cadence楷登PCB封装资源中心

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