制造更可靠、更高效的汽车集成电路

英飞凌科技(Infineon Technologies)内存解决方案执行副总裁Sam Geha与《半导体工程》(Semiconductor Engineering)聊了聊汽车芯片、供应链问题和集成挑战。以下是那次谈话的节选。

SE:你们如何打造一款在任何环境下都能工作的汽车芯片?

格哈:当然，汽车市场是对芯片可靠性要求最高的领域之一。为这一领域制造的产品在设计阶段需要更严格的验证，并在汽车级温度(从-40°C到125°C)下对芯片进行严格测试，以满足汽车行业定义的质量标准。工业和消费市场的产品要求不那么严格，不需要汽车应用所要求的安全裕度。

SE:那航空航天呢?

格哈:航天和国防方面的要求更严格一些。航空航天市场需要-55°C到125°C的温度范围，因此他们在较冷的方面有超出汽车的增量要求。

SE:你们的航天芯片由铸造厂制造?

格哈:是的，我们目前在航空航天和国防市场使用两个不同的铸造厂。SkyWater曾是我们的内部晶圆厂，目前仍为英飞凌(原Cypress)运营75%的总产量。我们大部分的航空航天业务都在那里进行。我们也有资格在UMC为这些航空航天和国防产品。

SE:那么如何确保整个供应链的可靠性呢?

格哈:英飞凌产品具有行业内最低的PPB或PPM水平。英飞凌约45%的收入来自汽车行业，接近50亿欧元。这里的挑战在于确保你不会得到任何回报。这一切都始于零“客户泄漏”的心态。每个人都专注于确保“我们的部分不是那辆车停在路边的原因”。’或者也可能是，‘这个部件工作得很好，经过测试也很好，但我把它交给了客户，结果它失败了。但这是我们的问题，还是客户板上的其他部分导致了问题?“你必须调查所有这些案件。我们控制汽车前端。我们看看所谓的CPK(过程能力指数)，它包括在汽车工厂控制的参数。在某些情况下，我们“挑选”了很多。如果在某一工具运行时，有很多不在分配范围内，我们就说:“这批不是汽车用的。” We declassify it right away. We also perform all this back-end testing, at 125°C, room temperature 25°C, and -40°C, etc., and add additional tests to ensure the product is robust. There is a premium associated with running wafers for automotive, and the premium additional cost from the front end is about 10%. From the back end, it could be something similar, in order to ensure the product meets automotive quality. That’s why those chips are more reliable.

SE:但在开发这些芯片的过程中，你们是否意识到并非每一块电子产品都是完美的?在较老的节点上，更容易证明芯片相当出色。当你接触到一些先进的芯片时，这就困难多了。

格哈:是的，我们认识到仍然可能会有失败，但我们会尽最大努力确保完美。这包括为高级芯片添加内置自检(BiST)，用于验证芯片是否能够真正发挥作用。这一点在包装后尤其重要，因为它可能从晶圆厂出来就很完美了，然后在组装时就会遇到一些问题。在一天结束的时候，没有办法保证100%的完美。你仍然会把车拿到经销商那里进行升级、改进或更换因故障而损坏的电路板。对于较新的汽车，先进的芯片有增强的能力，可以进行更多的空中更新，类似于你用手机做的事情。这就是我们正在走向的世界。新的关注点正在转向更安全、更好的安保，以确保人们不会入侵你的车。

SE:英飞凌在SiC和GaN等新型复合材料上押下重金。进展如何?你们遇到了哪些问题?

格哈:碳化硅是近期和中期的主要焦点，未来2-3年将出现重大增长和扩张。英飞凌已经斥资16亿欧元在奥地利建造了一家晶圆厂，我们正在马来西亚的久林建造另一家晶圆厂，将碳化硅产能提高一倍以上。短期的挑战是现在为客户生产足够的样品，以获得合格的下一代产品。我们必须选择我们想要长期合作的人，因为我们现在所做的一切都已经被预订或即将被预订。如果一家汽车公司的愿景是生产数百万辆电动汽车，那么想想所需的碳化硅设备的数量。问题是:你要在哪里生产，哪个工厂，你需要多少产量——因此，你多快能投产?如今碳化硅的挑战在于斜坡和材料本身，但也在于是否能将其规模化。它会像摩尔定律那样，在下一代芯片中，你可以缩小设计，在相同的硅区域中获得更多的材料吗?我们都在考虑。所以，下一代碳化硅也会出现，来达到同样的目的，同样的高击穿电压，低R或R_DS(上)[漏源电阻]。GaN的学习曲线是相似的，在增加材料供应和产量方面的挑战正在稳步解决。这个斜坡的时间线可能还需要几年。从长期来看，氮化镓的最大好处是，由于它使用的是硅基衬底，比碳化硅衬底更容易生产，因此更容易倾斜。

SE: SiC的一个大问题是晶圆缺陷。这个问题解决了吗?

格哈:硅本身，甚至在碳化硅之前，也有类似的问题。好消息是，虽然这些都不是硅所面临的确切问题，但它们非常相似，而且它们是可以解决的，从而提高产量。产量能以多快的速度提高始终是一个问题。例如，衬底上的裂缝与硅类似，这就是为什么人们开始在硅上添加epi层。不管硅上有什么缺陷，你都用外显素保护它，然后在外显素上建造你的设备。这些都是可以解决的制造或技术开发问题。但是获得碳化硅的基板材料本身是昂贵的。这很快就变成了容量问题。

SE:你如何看待产能问题的长期发展?

格哈:英飞凌的目标是通过硅mosfet、igbt、碳化硅和氮化镓在全球电力电子市场至少占有25%的份额。我们有计划，我们正在投资足够的资金来保持这一水平，即使越来越多的工厂上线，各种公司与我们竞争，这是一件大事。我们在设计和制造SiC以及GaN方面拥有丰富的技术专长，我们将继续成为电力电子市场的领导者。

SE:你认为它会被用于汽车以外的市场吗?

格哈:当然，碳化硅被用于充电站的电气化以及能源基础设施。SiC在工业上有很多应用，其中很有意义。但你想先服侍谁呢?你的工业客户?你的汽车客户?或者你的能源基础设施客户?此外，每个汽车公司现在都在寻找多个供应商，因为他们知道有短缺。

SE:汽车行业有很多未知数。你如何看待这种变化?

格哈:我们关注汽车行业的三个趋势。第一个趋势是我们所说的零排放成为现实，这主要与电气化有关。第二种是我们所说的司机变成乘客。这是关于驾驶辅助，这是关于驾驶安全，我们称之为零愿景，基本上是零事故，零死亡。第三，当汽车变得更智能时，我们希望用户体验成为一个关键的区别。所以，你有安全，舒适，和连接功能。

SE:我们看到汽车行业正在向区域架构发展，这是继ecu和领域之后的第三大架构。这种方法会有效吗，还是会被其他方法所取代?

格哈:分区方法是未来的趋势。对于汽车公司来说，这是一个巨大的转变，英飞凌正在参与其中。

SE:那么，如果每个人基本上都使用相同的电机和变速器，汽车制造商将如何区分?

格哈:最好的区分方法是通过可靠性。另一个是自动驾驶和智能汽车。这就要求智能轮胎、压力传感器和磁开关(感应感应)等设备的安全连接和数据完整性。

SE:许多这样的功能已经出现一段时间了。但是这里发生的变化是人们试图把它们放在一些模块中可以在源头或接近源头的地方做一些处理，对吧?

格哈:绝对的。大多数情况下，你希望它能自我调整。你希望它是自动的，而不是人类按下按钮来实现。这是自动驾驶的一部分。你有足够多的传感器告诉你，‘嘿，这里有个问题，你必须向右转弯或向左转弯，或者其他什么。是的，传感器本身已经存在很长时间了。

SE:那么你是如何应对将所有部件组合在一起的挑战的呢?谁负责做那件事?

格哈:我们并非孤军奋战，我们在集成和系统问题上与整个供应链的领先公司密切合作。我们称之为产品到系统;我们有应用工程师与这些公司密切合作，以确保系统正常工作。我们不一定直接向原始设备制造商(oem)销售，但我们会与他们沟通他们的要求。我们通常卖给板制造商(Tier 1)，确保这些板将工作。

SE:在汽车领域，我们要处理的是更复杂的相互作用和很多不同种类的芯片。接下来会发生什么?

格哈:对于微控制器来说，这可能是需要继续保持最快和最先进的技术，你想要更智能的微控制器。他们需要能够处理更多的交易。在我们的情况下，人们正在转向基于tricore的AURIX MCU，以获得更高的实时控制应用性能。如果一个芯片制造在22nm, 16nm，甚至更小的几何形状，而不是一个老的40nm芯片，它将有一个更快的响应时间。分析数据所花费的时间更少。现在的趋势是处理速度更快，需要处理的数据也更多。

SE:所以现在一切都是关于数据?

格哈:是的，这也包括安全。我们正朝着4级和5级安全水平前进，因此您必须确保您在董事会级别上满足ASIL-D(汽车安全与完整性级别-D)的要求。主要是增强ADAS。随着ADAS的改进，你会从汽车上的每个传感器，每个摄像头获得大量的信息，你会试图分析这些信息，并对其进行处理。所有这些都用于控制方向盘，使汽车向左、向右移动，或保持当前路线。这将继续成为趋势，而且会持续很多年。为了达到第5级，你要努力防止所有的事故，还有很多事情你必须注意，因为不是所有的道路都准备好了。你可以建造我们所说的“智能城市”，在路边安装各种传感器。但今天，你不得不处理不一定完美的图像和视觉效果。

SE:随着我们向不同的层面发展，将所有这些不同的传感器基本纳入整个系统的视野，在安全方面会发生什么?

格哈:安全性基本上需要内置到每个芯片中。每个组件都需要某种类型的安全性，以及与系统中其他芯片的握手，一直到内存。微控制器本身必须有这个，但它也需要安全内存。这是一个集功能安全和安全于一体的安全节点。我们正在保护代码和数据不受黑客攻击，确保我们只与进行控制的确切的微控制器交谈，说，‘好吧，现在给我信息，NOR芯片，让我和你握手，以确保我真的是正确的微控制器，你真的是正确的NOR芯片。每一个都有一个安全等级。所以，有安全引导，和通过安全网关的安全无线更新。每个交互都必须有安全连接。

SE:在这里，你可以解决的一个大问题是结合硬件设计软件，无论你称之为软件定义硬件还是硬件-软件协同设计。这对应对安全威胁的能力有什么影响呢?

格哈:我们还没有达到关闭某些设备或对威胁做出反应的地步，但我们确实有软件和固件团队，他们确保他们确实增强和改善了信号和类似的东西。在一天结束的时候，这是关于保护数据，而不是回应黑客。试图找到防止黑客攻击发生的方法可能是最好的思考方式。这就是为什么我们要做这个私密握手，这意味着这个NOR芯片只与这个MCU对话，你必须握手才能确保它真的发生了。我们必须解决的一个挑战是，‘好吧，我想启动我的车，打开收音机，我要倒车，我想让我的相机马上打开。他说，我没有时间等你握手后再启动汽车，否则就会丢失功能，或者让响应时间变慢。我们的创新更多的是确保启动时间超快，同时仍然支持适当的安全级别。

SE:对于汽车OEM或一级供应商购买芯片，最重要的检查项目是什么?是可靠性吗?是软件吗?是安全问题吗?

格哈:可靠性必须是给定的。然后，这些天最大的卖点是供应的寿命。他们希望15到20年后还能买到。以前是10年，但他们都把期限延长到了20年和25年。随之而来的问题是，‘你们是自己做的吗?你使用铸造厂吗?你和代工厂有什么样的合同，因为最近，一些代工厂对长期合同的承诺有所减少?从技术角度来看，这是PPM水平或PPB水平。质量很重要。当然，功能也很重要。但我们一直注意到，并不是所有人，尤其是在汽车行业，都愿意冒险，一直追求所有最先进的功能，尤其是日本和欧洲的汽车制造商。 They’re innovating, but with products that already work. They’re spending more time getting the firmware and the software to work with it, but they don’t necessarily want a sensor that is significantly more sensitive. That’s planned for the next generation. The U.S. carmakers are not that much different. The biggest shift is that the priority on electrification has jumped ahead of the drive towards autonomy. Everyone went from talking about Level 3, 4 and 5 to, ‘The world will get at least to three, and then ultimately 4 and 5.’ Everybody’s focusing on zero emissions and electrification. That’s their priority.

SE:现在这些充电器突然都被用在停车场了。

格哈:是的，下一个巨大的挑战是关于车载或车载充电器以及它们充电的速度。

SE:对于SiC来说，这是一个完全不同的市场，对吗?

格哈:是的，而且是一个大问题。你需要一个支持电动车队的基础设施。否则，从硅谷到洛杉矶或圣地亚哥，你必须在路上停下来充电几个小时。

SE:如今英飞凌在内存领域的表现如何?

格哈:我们在不同的领域。在闪存方面，我们继续在汽车NOR闪存领域处于领先地位，NOR闪存是用于启动汽车、汽车摄像头以及启动器之类的芯片。这仍然是我们赖以生存的市场之一。我们正在大力拓展这一领域。显然，我们正在增加安全措施。我们已经增加了功能安全。随着微控制器转向更小的工艺几何，当它们低于22nm并转向finfet时，就没有可供它们使用的嵌入式非易失性内存技术。解决方案是有一个独立的存储芯片，它将有一个超快的外部接口，并与微控制器通信。所以不是把内存放在芯片上，而是放在外部，或者你可以把外部内存和微控制器放在一个包里。微控制器在进行快速事务处理的同时，也能与存储器进行快速通信。 That’s a trend that is going to expand big time and we are the world’s leader in this area and well ahead of any competition.

SE:这在某种程度上打破了MCU的旧定义，对吧?它一直都是片上存储器。

格哈:人们正在评估rram和mram以及其他非易失性存储技术在芯片上的应用，但这些技术目前还不能在高级节点上使用。即使它们最终能工作，在汽车温度下也不可靠。你需要可靠的内存。因此，答案是SiP(封装系统)，使用可靠的非易失性存储器，具有与微控制器通信的快速接口。我们一直在与一些顶级汽车制造商合作，我们实际上是在一个16纳米MCU芯片上为顶级OEM工作，并在封装中内置了外部内存。这仅仅是个开始。

SE:闪存和DRAM有同样的散热问题吗?

格哈:不，但并不是所有的flash都是一样的。你还是要担心它因为它在高温下总是表现不同。这就是我们的技术比竞争对手有差异化优势的地方。这就是我们在汽车NOR领域保持领先地位的原因。在存储器的其他市场中，我们看到人们对数据记录应用程序很感兴趣，特别是在医疗领域。如果你想到你的心脏起搏器或其他除颤器，或类似的产品，你需要不断地记录数据来跟踪事情的进展。我们制造内存来记录数据。这就需要我们所谓的无限耐力。实际上，这相当于100万亿周期的耐力。你可以随时登录它，它需要超低的电量，因为你不会很快更换人体内的电池。 Now we’re looking at how do we do it even for higher density. Those are big vectors and big trends that are expanding.

SE:没有什么比他们的技术不能工作更让人愤怒的了。技术变得更可靠了吗?

格哈:技术的重点当然是提高可靠性。英飞凌以生产极其可靠的产品而享誉业界。我们生产和销售的产品，只有当他们满足完全的可靠性规范。这是并将继续成为我们的差异化优势。