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隨著智能駕駛和智能座艙時(shí)代到來(lái)以及AI技術(shù)的興起，汽車智能化成為了當(dāng)前全球各個(gè)企業(yè)的目標(biāo)和需求導(dǎo)向，自動(dòng)駕駛和智能座艙在當(dāng)前和未來(lái)的汽車開發(fā)和應(yīng)用場(chǎng)景中備受關(guān)注，這對(duì)AI芯片需求量大大增加，也對(duì)當(dāng)前AI芯片及芯片廠商提出更高挑戰(zhàn)。在自動(dòng)駕駛和智能座艙領(lǐng)域，目前英偉達(dá)、英特爾、德州儀器等不少芯片國(guó)際巨頭公司已布局良久。在此背景下，國(guó)產(chǎn)AI芯片公司如何突破國(guó)外技術(shù)封鎖？本文從國(guó)產(chǎn)芯片新星黑芝麻智能關(guān)于智能駕駛AI芯片的設(shè)計(jì)及制造流程來(lái)看如何實(shí)現(xiàn)彎道超車。

所謂AI芯片，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器是其必不可少的一部分，目前所有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在硬件層面最消耗計(jì)算資源的就是乘和累加運(yùn)算，即卷積，分解到硬件就是MAC(Multiply Accumulate)單元。通過(guò)這個(gè)下面公式可以說(shuō)明MAC運(yùn)算指令和 AI 算力之間的關(guān)系。

上面就是一個(gè)卷積，第二個(gè)等號(hào)右邊每個(gè)括號(hào)里的系數(shù)構(gòu)成的序列 (14,34,14,4)，實(shí)際上就是序列 (2,4) 和 (7,3,1) 的卷積。所謂AI算力就是每秒執(zhí)行多少萬(wàn)億次指令，這些指令通常就是MAC運(yùn)算的指令。

AI芯片的核心就是MAC運(yùn)算單元，流程就是從內(nèi)存中讀取訓(xùn)練好的模型的濾波權(quán)重值和輸入數(shù)據(jù)，兩者相乘，然后重復(fù)這個(gè)流程并將乘積累加，再寫入內(nèi)存。

設(shè)計(jì)一款數(shù)字芯片，流程基本上是確定市場(chǎng)定位、確定性能與功能目標(biāo)即設(shè)計(jì)規(guī)格參數(shù)、架構(gòu)與算法設(shè)計(jì)、任務(wù)劃分、購(gòu)買IP、RTL編碼與功能驗(yàn)證即RTL仿真、綜合門級(jí)仿真、靜態(tài)時(shí)序分析與仿真。這是前端工序，后端是RTL轉(zhuǎn)門級(jí)網(wǎng)表文件、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、布局規(guī)劃、單元布局、時(shí)鐘綜合樹、布線、物理驗(yàn)證、版圖文件即GDSII交付晶圓代工廠。

圖片 圖1 芯片設(shè)計(jì)前端流程

圖2 芯片設(shè)計(jì)后端流程

也可以分為三級(jí)，第一級(jí)行為級(jí)（Behavior Level）：通過(guò)行為級(jí)算法描述數(shù)字系統(tǒng)。也就是邏輯構(gòu)思，人腦的思維流程。這一階段主要工具為C/C++/Matlab，熟悉這些工具的人很多，很好找。第二級(jí)寄存器傳輸級(jí)（Register Transfer Level）：在寄存器傳輸級(jí)，通過(guò)寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行電路功能設(shè)計(jì)，例如有限狀態(tài)機(jī)。工具是VHDL/Verilog/System Verilog，熟悉這些工具的人很少，這要求既要懂上層的邏輯結(jié)構(gòu)，也要懂下層的電路實(shí)現(xiàn)。第三級(jí)門級(jí)（Gate level）：數(shù)字系統(tǒng)按門級(jí)（AND，OR，NOT，NAND等等…）描述。通常不會(huì)進(jìn)行門級(jí)設(shè)計(jì)，門級(jí)網(wǎng)表一般是通過(guò)邏輯綜合的輸出。RTL可以用Verilog或VHDL描述。實(shí)際上還有更細(xì)分的系統(tǒng)級(jí)（System Level）或功能模塊級(jí)（Functional Model Level）。

芯片制造流程

了解上述芯片軟件設(shè)計(jì)之后，大家就會(huì)知道制作出一張芯片難點(diǎn)甚多，尤其在設(shè)計(jì)以及細(xì)節(jié)的把控上都是我國(guó)芯片被卡脖子的地方。對(duì)于芯片制造我們需要了解芯片的上下游，芯片的制造可以理解成點(diǎn)石成金的過(guò)程，只不過(guò)此處的石是硅石，其材料主要是硅。其中最重要的是第1步二氧化硅到硅的過(guò)程，所以造芯片的第1步就是要把二氧化硅還原成硅錠，從目前所使用的工藝來(lái)看，硅錠圓形橫截面的直徑為200毫米。在保留硅錠的各種特性不變的情況下增加橫截面的面積是具有相當(dāng)大難度的。在經(jīng)過(guò)提成，去拉法等獲得一根長(zhǎng)長(zhǎng)的硅棒，然后經(jīng)過(guò)切割，切片越薄，用料越省，自然可以生產(chǎn)的處理器芯片就更多。切片還要鏡面精加工的處理來(lái)確保表面絕對(duì)光滑，之后檢查是否有扭曲或其它問(wèn)題。這一步的質(zhì)量檢驗(yàn)尤為重要，它直接決定了成品芯片的質(zhì)量。研磨等制成像光盤一樣的硅片，在送往晶圓廠通過(guò)光刻和石刻雕刻出晶體管的物理結(jié)構(gòu)。光刻是芯片制造過(guò)程中工藝非常重要且復(fù)雜的一個(gè)步驟，光刻蝕過(guò)程就是使用一定波長(zhǎng)的光在感光層中刻出相應(yīng)的刻痕，由此改變?cè)撎幉牧系幕瘜W(xué)特性。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于所用光的波長(zhǎng)要求極為嚴(yán)格，需要使用短波長(zhǎng)的紫外線和大曲率的透鏡。每一步刻蝕都是一個(gè)復(fù)雜精細(xì)的過(guò)程。設(shè)計(jì)每一步過(guò)程所需要的數(shù)據(jù)量都可以用10GB單位來(lái)計(jì)量。在殘留的感光層物質(zhì)被去除之后，剩下的就是充滿的溝壑的二氧化硅層以及暴露出來(lái)的在該層下方的硅層。感光層同時(shí)還要被短波長(zhǎng)光線透過(guò)掩?？涛g。再經(jīng)過(guò)一部刻蝕，并通過(guò)離子注入和覆膜等手段賦予其電特性，摻入的物質(zhì)原子進(jìn)入硅原子之間的空隙，彼此之間發(fā)生原子力的作用，從而使得硅原料具有半導(dǎo)體的特性，在其上刻劃代表著各種邏輯功能的晶體管電路。形成一張芯片，最后將它們切割分離并進(jìn)行封裝測(cè)試就完成了一個(gè)個(gè)芯片的制造。

圖 3 黑芝麻智能駕駛芯片制造的基本過(guò)程

上圖是以黑芝麻智能駕駛芯片制造流程為例，在制造工藝流程方面簡(jiǎn)單總結(jié)為：

晶圓制造與加工：

晶圓制造：融化，提純，拉晶獲得單晶硅硅棒，對(duì)硅棒進(jìn)行切片，研磨等獲得晶圓。

圖 4 晶圓圖片

晶圓加工：光刻改變晶圓材料的化學(xué)特性，上述設(shè)計(jì)的電路制作成一片片光罩，使用強(qiáng)光透過(guò)光罩后照在晶圓上，在曝光過(guò)程結(jié)束后加入顯影液，正光刻膠的感光區(qū)、負(fù)光刻膠的非感光區(qū)，會(huì)溶解于顯影液中。這一步完成后，光刻膠層中的圖形就可以顯現(xiàn)出來(lái)，顯影工序使將在曝光過(guò)程中形成的隱性圖形成為光刻膠在與不在的顯性圖形。顯影中進(jìn)行的是選擇性溶解的過(guò)程，最重要的是曝光區(qū)和未曝光區(qū)之間溶解率的比值(DR)。下一步是刻蝕和離子注入，刻蝕對(duì)于器件的電學(xué)性能十分重要。如果刻蝕過(guò)程中出現(xiàn)失誤，將造成難以恢復(fù)的硅片報(bào)廢，因此必須進(jìn)行嚴(yán)格的工藝流程控制。半導(dǎo)體器件的每一層都會(huì)經(jīng)歷多個(gè)刻蝕步驟，離子注入是一種將特定離子在電場(chǎng)里加速，然后嵌入到另一固體材料之中的技術(shù)手段。重復(fù)這些步驟，然后就出現(xiàn)了一個(gè)多層立體架構(gòu)，這就是目前使用的芯片的最初狀態(tài)了。

芯片封裝：

芯片封裝是將Foundry廠生產(chǎn)的晶圓切割成一個(gè)個(gè)小的晶片，通過(guò)不同的封裝技術(shù)對(duì)晶片進(jìn)行塑封封裝從而得到我們看到的芯片。

芯片測(cè)試：

芯片測(cè)試包括：良率測(cè)試，功能測(cè)試，性能測(cè)試，可靠性測(cè)試等。

芯片制造最近幾年的變化隨著半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)發(fā)展，工藝從微米進(jìn)入納米時(shí)代，根據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)來(lái)看，業(yè)界最先進(jìn)的工藝制程5nm已經(jīng)在2020年量產(chǎn)，3nm的已經(jīng)進(jìn)入試產(chǎn)階段。

圖 4 1988-2020年芯片工藝制程變化圖

而且隨著CMOS工藝的演進(jìn)，柵氧厚度也要不斷縮小。薄到一定厚度的柵氧就不再是理想的絕緣體，會(huì)出現(xiàn)明顯的泄漏。在40nm進(jìn)入28nm的時(shí)候，業(yè)界開始普遍采用HKMG技術(shù)。技術(shù)路線分為Gate-first和Gate-last。

圖 5 40nm-28nm芯片工藝變化

工藝進(jìn)入到16nm/14nm的時(shí)候，晶體管結(jié)構(gòu)從2D變?yōu)?D FinFET能夠帶來(lái)更好的leakage current控制和更好的性能，成為先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)必選的晶體管結(jié)構(gòu)。

圖 6 16nm/14nm芯片晶體管結(jié)構(gòu)變化

而目前最先進(jìn)的量產(chǎn)工藝主要是7nm/5nm，更小的pitch讓EUV技術(shù)越來(lái)越成為主流TSMC從N7+開始采用EUV，最初的7nm工藝(N7/N7P)仍然采用DUV，三星則是在其第一代7nm工藝上就采用了EUV技術(shù)。

圖 7 不同代芯片工藝技術(shù)變化

GAA(Gate All Around)的名稱來(lái)自晶體管結(jié)構(gòu)，這個(gè)全新設(shè)計(jì)將柵極完全包裹在通道周圍，可實(shí)現(xiàn)更好的控制。三星相對(duì)TSMC來(lái)說(shuō)，會(huì)更早采用GAA技術(shù)。TSMC則會(huì)從2nm開始采用GAA，這是未來(lái)的趨勢(shì)之一。

半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步，會(huì)帶來(lái)PPA(Performance Power Area)的提升，進(jìn)而提升芯片以及系統(tǒng)產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)和用戶體驗(yàn)，這對(duì)算力要求超高的智能駕駛芯片來(lái)說(shuō)，有著決定性的影響。

對(duì)于智能輔助駕駛和智能駕駛車輛來(lái)說(shuō)，車規(guī)級(jí)芯片需要復(fù)雜SOC芯片兼具高算力，高集成度，高可靠性的要求，同時(shí)需要控制芯片體積和功耗，當(dāng)然還要考慮芯片發(fā)熱情況。

圖 8 智能駕駛芯片示意圖

黑芝麻智能從核心IP為切入點(diǎn)，打造國(guó)產(chǎn)性能最強(qiáng)自動(dòng)駕駛計(jì)算芯片?；趦纱蠛诵淖匝蠭P——NeuralIQISP 圖像信號(hào)處理器及高性能深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法平臺(tái)DynamAI NN引擎，黑芝麻智能已發(fā)布多款芯片產(chǎn)品：

2019年8月

黑芝麻智能第一顆車規(guī)級(jí)智能駕駛芯片華山一號(hào)A500在國(guó)內(nèi)首發(fā)，算力達(dá)5-10TOPS

2020年6月

第二代芯片華山二號(hào)A1000發(fā)布，算力達(dá)40-70TOPS，是唯一可以支持L2+自動(dòng)駕駛的國(guó)產(chǎn)芯片

2021年4月

國(guó)產(chǎn)車規(guī)大算力芯片再升級(jí)，黑芝麻智能發(fā)布華山二號(hào)A1000 Pro。A1000 Pro于同年7月流片成功，算力達(dá)到驚人的106-196TOPS，單顆芯片可以支持高級(jí)別自動(dòng)駕駛功能，從泊車、城市內(nèi)部到高速場(chǎng)景的無(wú)縫銜接

華山二號(hào)A1000自動(dòng)駕駛芯片：國(guó)內(nèi)首款基于成熟車規(guī)功能安全體系打造自動(dòng)駕駛芯片。該芯片通過(guò)了ISO26262功能安全流程ASIL D認(rèn)證及產(chǎn)品ASIL B Ready認(rèn)證、可以配合客戶實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)ASIL D產(chǎn)品。作為已量產(chǎn)的高性能自動(dòng)駕駛芯片華山二號(hào)A1000L自動(dòng)駕駛感知芯片，目前是國(guó)內(nèi)第一個(gè)同時(shí)符合汽車功能安全和汽車可靠性權(quán)威認(rèn)證的L2.5等級(jí)自動(dòng)駕駛感知芯片。

華山二號(hào)A1000 Pro作為國(guó)內(nèi)算力最高的自動(dòng)駕駛計(jì)算芯片，該芯片采用業(yè)界創(chuàng)新先進(jìn)封裝工藝集成多個(gè)核心，解決16nm工藝支持超大規(guī)模深度學(xué)習(xí)引擎難題，基于內(nèi)部多核心建立高速通信通路，大幅提高數(shù)據(jù)傳輸效率，支持黑芝麻智能最新的FAD Platform，適配多種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和操作系統(tǒng)，提供軟件全生命周期的管理，在A1000Pro系統(tǒng)中，任務(wù)可以在多個(gè)子系統(tǒng)之間動(dòng)態(tài)遷移。

華山二號(hào)A2000是國(guó)內(nèi)首個(gè)250T大算力芯片：頂尖7納米工藝、國(guó)產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)核心IP、滿足ASIL B級(jí)別的安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

從黑芝麻智能車規(guī)級(jí)芯片來(lái)看，車規(guī)級(jí)芯片需要具備以下特點(diǎn)：

工作溫度范圍較大：

-40°-150°，取決于控制器的位置，一般在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度范圍是-40°-150°，車身其它位置大概是-40°-105°，相比于其它產(chǎn)品溫度范圍要求較大。

物理化學(xué)特性需要穩(wěn)定：

一般車輛工作環(huán)境變化較大，特別是環(huán)境比較差的地方，一般需要考慮濕度、粉塵、鹽堿、霉變、高低溫交替、震動(dòng)、沖擊等因素對(duì)控制器的影響。

抗干擾性：

由于車輛上面的電子器件，傳感器及各種通信線束，這對(duì)車規(guī)級(jí)芯片的ESD靜電、EFT群脈沖、RS傳導(dǎo)輻射、EMC、EMI等要求都是非常高。

壽命長(zhǎng)：

與手機(jī)相比，車規(guī)級(jí)的芯片一般要求具備較長(zhǎng)的工作壽命，一般為15年或50萬(wàn)公里的設(shè)計(jì)壽命。

故障率：

車規(guī)級(jí)芯片的故障率需要達(dá)到PPM-PPB-0，故障率相比其它產(chǎn)品要求較嚴(yán)格。

供貨周期：

目前車規(guī)級(jí)芯片，考慮到車型的生命周期及售后服務(wù)等因素，一般都是10年，供貨周期長(zhǎng)。

產(chǎn)品一致性：

由于車輛是大量批量生產(chǎn)，且影響生命安全，因此在芯片一致性方面，無(wú)論是產(chǎn)線認(rèn)證，產(chǎn)線一致性，原材料/生產(chǎn)/封裝溯源等要求都是非常嚴(yán)格。

除上述這些以外，還需要滿足質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)，可靠性標(biāo)準(zhǔn)，功能安全標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)等等。作為車規(guī)級(jí)芯片，要求其具備安全架構(gòu)及安全流程的完整設(shè)計(jì)和相應(yīng)的安全認(rèn)證。

圖 9 黑芝麻智能車規(guī)級(jí)芯片安全架構(gòu)

圖 10 黑芝麻智能車規(guī)級(jí)芯片安全流程

圖 11 黑芝麻智能車規(guī)級(jí)芯片A1000安全認(rèn)證

以黑芝麻智能芯片A1000為例，同時(shí)遵循ISO-26262 安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)ISO-26262安全設(shè)計(jì)生產(chǎn)培訓(xùn)。專門的服務(wù)器，用于存儲(chǔ)設(shè)計(jì)文檔及過(guò)程數(shù)據(jù)，所有流程可追溯。

圖 12 黑芝麻智能芯片A1000開發(fā)認(rèn)證證書

與傳統(tǒng)車規(guī)級(jí)芯片相比，智能駕駛芯片需要具備更多的性能要求。同時(shí)需要支持各類型傳感器接口；隨著智能駕駛開發(fā)軟件的多樣化，要求智能駕駛芯片需要支持開放的軟件與工具鏈，支持高安全操作系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛框架、 Autosar 、復(fù)雜算法等；對(duì)信息安全，功能安全，實(shí)時(shí)性，確定性有著高安全高可靠性要求；同時(shí)也需要考慮性能、成本和功耗的平衡，支持量產(chǎn)化的車載散熱與布局設(shè)計(jì)；支持平臺(tái)化可擴(kuò)展，滿足車廠高中低配需求。

圖 13 黑芝麻智能芯片A1000自動(dòng)駕駛芯片特點(diǎn)

圖 14 黑芝麻智能自動(dòng)駕駛計(jì)算芯片產(chǎn)品路線

芯片制造完成后，還需要封裝和測(cè)試，才能最終拿到芯片。從確定市場(chǎng)定位到最終量產(chǎn)，數(shù)字類芯片大概周期要3-4年，用在車上都要是5-6年后了。所以一開始的市場(chǎng)定位要考慮到4-10年后的市場(chǎng)需求，而市場(chǎng)需求通常很難預(yù)測(cè)，其中的風(fēng)險(xiǎn)也不小，如手機(jī)廠商，我們看手機(jī)支持的功能，只需要看手機(jī)芯片廠商宣傳的功能即可。以此類推，面對(duì)未來(lái)的5-10年，智能駕駛車輛如何發(fā)展，我們可以參考黑芝麻智能給出的解決方案。

開發(fā)工具鏈?zhǔn)欠裢晟剖亲詣?dòng)駕駛企業(yè)開發(fā)的難點(diǎn)之一，黑芝麻智能將其作為黑芝麻芯片易用性的重要指標(biāo)。配合華山系列自動(dòng)駕駛芯片，黑芝麻智能還發(fā)布了山海人工智能開發(fā)平臺(tái)。它擁有50多種AI參考模型庫(kù)轉(zhuǎn)換用例，降低客戶的算法開發(fā)門檻；能夠?qū)崿F(xiàn)QAT和訓(xùn)練后量化的綜合優(yōu)化，保障算法模型精度；支持動(dòng)態(tài)異構(gòu)多核任務(wù)分配，同時(shí)還支持客戶自定義開發(fā)，完善的工具鏈開發(fā)包及應(yīng)用支持，能夠助力客戶快速移植模型和部署落地的一體化流程。

現(xiàn)在新車的迭代周期越來(lái)越短。原因之一，是因?yàn)檐嚴(yán)锩娓嗟膭?chuàng)新是集中在電子和軟件部分，就像原來(lái)電子行業(yè)的發(fā)展，因此現(xiàn)在看到很有趣的現(xiàn)象是：汽車行業(yè)的發(fā)展規(guī)律，開始越來(lái)越像電子行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

在PC時(shí)代和手機(jī)時(shí)代，當(dāng)應(yīng)用和軟件在大規(guī)模發(fā)展的前夕都是硬件先行，因?yàn)橛布牡芷陂L(zhǎng)，軟件的迭代周期短，所以在軟件的快速迭代和擴(kuò)展功能性能的前提，是需要先把硬件的性能和算力備足。汽車行業(yè)現(xiàn)在開始進(jìn)入到的階段，恰恰是剛剛提到的：汽車行業(yè)開始電子化甚至是消費(fèi)電子化趨勢(shì)的一個(gè)很重要的體現(xiàn)。

智能駕駛汽車未來(lái)對(duì)算力的要求，正因?yàn)樽詣?dòng)駕駛的發(fā)展、汽車智能化的發(fā)展，未來(lái)軟件應(yīng)用的擴(kuò)展空間是無(wú)限的。所以，他們第一步是希望能留有足夠多的硬件和算力的冗余，才能給軟件的算法和創(chuàng)新留足夠大的空間，這也是為什么現(xiàn)在大家都先要求算力?，F(xiàn)在大家都是以算力為衡量性能的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)然算力最后體現(xiàn)在滿足客戶應(yīng)用的過(guò)程中以及軟件的優(yōu)化程度，事實(shí)上，一枚芯片有 PPA 三個(gè)指標(biāo)：功耗 Power，性能 Performance，面積 Area。功耗是排第一的，其次是性能，面積則相當(dāng)于成本，黑芝麻智能推出的華山二號(hào) A1000 Pro，在INT8的算力為 106 TOPS，INT4 的算力達(dá)到了 196 TOPS，典型功耗 25W，也意味著整體能效比高達(dá) 8 TOPS/W，而目前行業(yè)中主流的幾家智能駕駛芯片Mobileye EyeQ5是 24 TOPS，英偉達(dá) Xavier是 30 TOPS，英偉達(dá) Orin的高算力版本 Orin X 是 200 TOPS，華為 MDC是 48 - 160 TOPS，特斯拉 FSD是144 TOPS，就黑芝麻智能芯片算力和能耗比來(lái)說(shuō)，不輸任何一家。

截止目前，黑芝麻智能已經(jīng)與一汽、上汽、博世、中科創(chuàng)達(dá)、亞太等在 L2/3 級(jí) ADAS 和自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)解決方案上展開商業(yè)合作，其中與一汽南京聯(lián)合打造的紅旗 「芯算一體」自動(dòng)駕駛平臺(tái)，將服務(wù)紅旗后續(xù)量產(chǎn)車型。在未來(lái)，黑芝麻智能將與業(yè)內(nèi)眾芯片企業(yè)、汽車零部件供應(yīng)商及各大OEM一起，通過(guò)智能駕駛技術(shù)的變革改變?nèi)祟惖纳罘绞健?/p>