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智能座舱SoC没有“国产替代”的机会

时间:2021-12-20 10:14:19 作者:顾正书 阅读:
本土芯片厂商要想在7nm及更先进的晶圆制造工艺上与高通等国际大厂在中高端智能座舱竞争,就不能再沿用传统模拟芯片、电源管理芯片和MCU的“国产替代”思路,而是要跟国际大厂站在同一起跑线上,采用最新的技术和工艺,这样才有可能在中高端智能座舱市场占据一席之地。
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汽车发展至今已有100多年的历史,但传统汽车座舱的三大件(仪表盘、后视镜和信息娱乐系统)却没有太大的变化。因为不支持语音智能交互,导致功能使用效率低,而且传统触控操作容易分散驾驶员注意力,存在潜在安全隐患。另外车内的车机屏、仪表屏大多是封闭系统,也存在维护复杂,管理成本过高,新业务开发扩展不易等多种难题。

然而,汽车的电气化、智能化、网联化正在重新定义人与车的关系。消费者对汽车的认知将从“出行工具”向“第三空间”演变,因此车辆需要更加主动地了解客户需求和体验。从智能化发展路线来看,智能座舱和智能驾驶是两大主要的演进方向。综合供给及需求端因素,智能座舱有望成为汽车智能化浪潮下率先发展的领域之一。

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智能座舱市场开始增长

智能座舱是汽车迈向智能化和网联化路径中关键的人机接口,未来将成为满足用户个性化需求的高级驾驶体验的智能移动空间。智能座舱是车载信息娱乐系统、流媒体后视镜、视觉感知系统、语音交互系统、智能座椅以及后排显示屏等电子设备组成的一套完整系统。它是对传统座舱全方位的升级,在硬件方面,将传统机械式仪表升级为数字液晶仪表,为驾驶信息提供极富科技感的画面展示;增加了流媒体后视镜、HUD 及后排显示屏,为消费者提供完善的导航信息、周围环境信息以及娱乐信息。同时进一步将语音识别、人脸识别、触摸控制、手势识别、虹膜识别等人机交互技术融入其中。

根据IHS预测,2021年全球智能座舱市场空间将超过400 亿美元,到2030年市场规模将达到681 亿美元。国内智能座舱市场的增速将领先全球市场,2021 年占比20%左右,到2030年将占据全球市场的37%,市场规模达到1600亿人民币。

智能座舱市场之所以比智能驾驶更加快速地增长,重要原因之一是在法律法规、技术路径等方面更为明确,同时消费者需求也成为刚需,其商业化进度更容易推进。尤其是在当前“软件定义汽车”的大环境下,智能座舱的集成主要呈现“一芯多系统”的特点,即将液晶仪表、HUD、车载信息娱乐系统、DMS&OMS、语音识别以及ADAS功能融合在一起,为用户带来更直观、更个性化的驾乘体验。此外,随着OTA更新功能在汽车上的广泛应用,汽车制造商将有能力在售后与消费者建立长期联系,并持续提供增值服务。可以说,智能座舱也是汽车制造商布局售后战略规划、实现服务变现的重要载体。

根据IHS 的预测,中国座舱智能科技配置的新车渗透速度要快于全球。2020 年中国市场智能座舱渗透率为48.8%,到2025 年渗透率有望达到75%以上(届时全球渗透率为59.4%),呈快速增长态势。

智能座舱主控芯片竞争格局

智能座舱主要构成包括:车载信息娱乐系统(IVI)、语音交互系统、视觉感知系统、流媒体后视镜。车载信息娱乐系统是将汽车座舱内外环境信息进行收集和处理,并利用通信、显示、音频处理等模块实现无线通信、导航、信息呈现、多媒体等功能的综合性产品,是汽车座舱功能差异化的重要体现。车辆信息娱乐系统主要由三大模块组成,即娱乐系统主机、T-Box 模块以及驾驶员信息仪表。

娱乐系统主机是车载信息娱乐系统的核心模块。主要硬件包括主控SoC芯片、电源管理芯片(PMIC)、音频管理芯片(DSP & Tuner)、存储器以及MCU 等。主控SoC 是整个系统的运算中心,包括信息处理、显示、音频转换等核心功能块,承担了系统的主要运算任务,是整个系统中复杂程度、价值量最高的部分。

短期来看,座舱内将由多SoC 芯片组成,分别负责不同模块的运算任务。智能座舱作为人车交互的直接触点,功能将进一步进化。随着流媒体后视镜、HUD 功能的渗透以及显示分辨率的提升,将对芯片的算力提出更高要求,促进运算类芯片从简单的MCU 向更高算力的SoC 演变。

长期来看,E/E架构从分布向集中演变,最终座舱内将形成单SoC方案。根据罗兰贝格的研究报告,随着E/E 架构从分布式向集中式演变,固有的汽车硬件搭配方式被打破。主要体现在ECU(电子控制单元)的数量将显著降低,DCU(域控制器)将成为各功能模块的控制中心(负责座舱内所有模块的运算),形成域集中式架构。未来智能座舱DCU中的SoC 芯片将负责HUD、流媒体及中控多媒体等所有模块的运算,即最终形成单SoC 的方案。

未来座舱计算/控制体系将由MCU、主控SoC、AI 感知模块三部分组成。MCU 作为功能型芯片,负责对各功能模块(车窗升降、座椅调节等)的控制。主控SoC 作为应用处理器(AP)/域控制器,用于车载信息娱乐、流媒体等系统的运算,算力将逐步向手机SoC 靠拢。此外,AI 感知模块作为协处理器(CP),主要被用于视觉及语音交互,其算力需求增速将超主控SoC。更长期来看,随着高算力SoC 芯片的发展,主控SoC 与AI 芯片将继续融合。

2015 年以前,车载信息娱乐系统的运算和控制类芯片主要以MCU 及低算力SoC 为主,供应商主要包括瑞萨、NXP、TI 等。2015 年以后,受益于座舱算力需求的持续提升,原消费级芯片厂商如高通、NVIDIA、三星、Intel 等开始进到智能座舱供应链中,供给格局开始发生巨大变化。

从当前供给结构来看,目前传统厂商座舱芯片主要覆盖中端及低端市场,高通、三星等消费电子厂商凭借性能及迭代优势在中高端芯片市场快速发展,市场份额有望持续提升。对中高端座舱SoC 而言,消费电子厂商如高通、英特尔、英伟达、三星和联发科的份额将持续增长。传统汽车芯片供应商如NXP 等出于对研发成本的考量,制程、算力升级积极性较差。

高通的座舱SoC 芯片融合了GPU、CPU、AI 等模块和全面的网联能力,在智能化发展之初获先发优势,目前已成功供货国内造车新势力如领克、理想和小鹏等,并打入大众、本田、路虎等海外客户供应链。在其推出的第四代座舱平台SoC 中,采用了目前最为先进的5 nm 制程,算力继续升级的同时亦提升了可支持的显示屏及摄像头数量,未来领先优势有望持续。

品牌车企、座舱SoC 设计企业及Tier 1 将形成铁三角关系,助力国内SoC设计厂商的市场份额提升。传统垂直化供应链逐渐被打破,座舱SoC 作为核心硬件之一,未来将得到车企的大力重视。芯片设计企业、Tier 1 以及品牌车企三者未来有望形成铁三角格局,新进入者有望迎接机遇,进入到核心车型供应链中。全志、杰发科技、瑞芯微、芯驰和芯擎科技等国产IC设计公司有望凭借座舱芯片行业规模的快速增长,加上国内厂商的本土化竞争优势,在国内供应链中取得先机,获得长期成长机遇。

然而,本土芯片厂商要想在7nm及更先进的晶圆制造工艺上与高通等国际大厂在中高端智能座舱竞争,就不能再沿用传统模拟芯片、电源管理芯片和MCU的“国产替代”思路,而是要跟国际大厂站在同一起跑线上,采用最新的技术和工艺,这样才有可能在中高端智能座舱市场占据一席之地。

芯擎科技发布“龍鹰一号” 7nm智能座舱芯片

在竞争激烈的智能座舱主控芯片市场,既有NXP和TI等传统汽车芯片大厂环伺,也不乏从手机转战汽车市场的国际大厂(比如高通和联发科),还有受到资本青睐的本土初创企业(比如地平线和芯驰)。然而,目前国内汽车市场还未出现真正上车的国产高性能智能座舱芯片。芯擎科技最新发布的新一代7纳米车规级智能座舱多媒体芯片“龍鹰一号”是由台积电代工生产的7纳米芯片,也是目前市面上极少数采用7纳米制程的高端智能座舱芯片。“龍鹰一号”为智能座舱集成了“一芯多屏多系统”,整合了语音识别、手势控制、液晶仪表、HUD、 DMS 以及 ADAS 融合等功能,可让驾驶人享受更直观、更富个性化的交互体验。

于2018年在武汉车谷成立的芯擎科技由吉利汽车集团旗下亿咖通科技和安谋中国共同出资成立。在“龍鹰一号”新品发布会上,ASPENCORE《电子工程专辑》和其它媒体对芯擎科技董事兼CEO汪凯博士进行了专访。据他透露,选择7纳米先进工艺的根本原因是为了满足市场对汽车智能座舱运算能力的需求。汪凯认为,智能座舱芯片市场是新一代智能汽车的新兴市场,国产芯片厂商必须跟国际大厂在同样的技术高度竞争。如果沿用MCU和通用芯片等“国产替代”策略是行不通的。

汪凯博士拥有美国伊利诺伊大学电气工程和计算机科学博士学位,在集成电路、通信、物联网、互联网等领域超过25年的丰富从业经验,拥有卓越的领导力和跨行业融合管理能力。 他曾担任:华芯通半导体首席执行官;SanDisk全球销售副总裁兼亚太区总裁;Freescale半导体全球销售和市场副总裁兼亚太区总经理;美国博通大中国区总裁;意法半导体事业部总裁。

汪凯博士在发布会演讲中总结道,本次发布的“龍鹰一号”内置8个CPU核心、14核GPU、8 TOPS INT 8可编程卷积神经网络引擎,这几个硬指标意味着这颗芯片能全时全速提供澎湃算力。该芯片达到AEC-Q100 Grade 3级别,采用符合ASIL-D标准的安全岛设计,内置独立的Security Island 信息安全岛,提供高性能加解密引擎,支持SM2、SM3、SM4等国密算法,并支持安全启动、安全调试和安全OTA更新等。强大的CPU、GPU、VPU、ISP、DPU、NPU、DSP异构计算引擎,以及与之匹配的高带宽低延迟LPDDR5内存通道和高速大容量外部存储,为智能座舱应用提供全方位的算力支持。

围绕‘龍鹰一号’,芯擎科技将联手亿咖通科技,快速推进车企及生态伙伴的已定点车型项目,预计最快2022年完成上车集成和测试。目前,已经有多款车型在对“龍鹰一号”做定点,在充分、全面和大批量应用测试中验证芯片的性能,从车企用户的角度快速完善整体应用以及导入。2022年三季度,“龍鹰一号”将实现量产,并于年底按计划前装量产上车,首款车型是吉利旗下的主力和热门车型。

该芯片经过实际测试验证,性能指标已经达到甚至超过当前主流国际厂商的同类芯片。

“龍鹰一号”性能亮点

  • CPU:8个CPU核心,Cortex-A76 2.4GHZ主频搭配Cortex-A55主频1.8GHZ 组成兼顾高性能和高能效的双处理器集群, 提供面向功能安全应用的物理隔离,满足车载多域融合实时应用要求。
  • GPU:接近900GFLOPS的算力提供业界领先的3D图像渲染能力,提供2D和2.5D等图形加速单元,高效绘制能力让界面响应实时敏捷;高精度浮点计算能力辅助AI、通用计算等需求。
  • NPU:算力高达8TOPS、灵活的神经网络处理器(AI)支持高性能智能语音和机器视觉等人工智能应用, 支持L1-L2 ADAS功能。
  • DDR:LPDDR5 内存在座舱SOC首款商用,最高性能可达6400MT/s,提供51.2GB/s的内存带宽,有效支撑各类娱乐、图像和AI处理的需求。
  • VPU:支持4K120视频解码和4K60的视频编码。
  • DSP:内置高性能音频信号处理单元及丰富的音频接口,为用户提供丰富的音频娱乐体验。
  • DPU:同时支持7屏4K/2K 60HZ高清高帧率不同源独立显示,提供功能安全显示通道。
  • Camera & ISP:同时支持12路2MP 60 FPS原始数据输入及低延迟传输通道,ISP处理能力高达1.6Gpixel/s。
  • Safety Island:集成ASIL-D的ARM Realtime R-Core,采用双冗余互锁架构 ;集成ASIL-B的安全显示,安全通讯功能。
  •  Security Island:内置独立的专用硬件安全模块 (HSM),高性能加解密引擎,支持SM2、SM3、SM4等国密算法,支持芯片安全启动,安全调试和安全OTA更新。
  • 1G Ethernet TSN 支持低延时且具有实时QoS 服务保障的专业音视频传输,汽车控制系统、实时监控等物联网工业领域应用。
  • PCIE Gen3 总带宽高达32GT/s,支持连接WIFI 6、NVMe SSD等多种设备,提供片间高速互联能力扩展算力。
  • USB3.2 Gen2带宽高达10Gbps,为车载流媒体传输、即时存储、通讯延长及安防监控提供大数据量的高速传输。
  • UFS 3.0 带宽高达2.9GB/s,提供极高读写数据,大容量外部存储能力。

汪凯博士认为,汽车高性能计算芯片的发展有三个阶段。首先是满足市场和用户刚需的智能座舱多媒体芯片,支持Multi-OS 车载信息娱乐系统,并集成神经网络加速引擎以提供人工智能应用。第二阶段是自动驾驶芯片,支持ADAS及L3+/L4级别自动驾驶。第三阶段是车载中央计算芯片,也就是所谓的中央计算汽车大脑。

芯擎科技的产品规划是完整提供从传统汽车电子架构到下一代智能网联汽车电子架构中的全部核心处理器芯片,包括“智能座舱芯片、自动驾驶芯片、车载中央处理器芯片”三条产品线。通过掌握7纳米及更为先进的车规制程工艺,同车企和Tier One深度匹配,联合定义高性能汽车芯片规格,从而提供生态完整的解决方案,快速实现产品的市场化应用。

责编:Amy Wu

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顾正书
ASPENCORE资深产业分析师。以深圳为坐标原点,扫描全球电子和半导体行业。专注于China Fabless和SoC设计细分市场的分析和学习,欢迎交流。
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