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Text |. Halbleiterindustrie vertikal und horizontal

Am 27. Juli, beim NIO-Innovations- und Technologietag 2024, gab NIO-Vorsitzender Li Bin bekannt, dass der weltweit erste intelligente 5-nm-Antriebschip Shenji NX9031 in Automobilqualität erfolgreich herausgebracht wurde und sowohl der Chip als auch die zugrunde liegende Software unabhängig voneinander entwickelt wurden.

Berichten zufolge verwendet dieser Chip eine 32-Kern-CPU-Architektur, integriertes LPDDR5x, RAM mit einer Rate von 8533 Mbit/s, verfügt über eine Pixelverarbeitungskapazität von 6,5 GPixel/s und eine Verarbeitungsverzögerung von weniger als 5 ms.

Li Bin sagte, dass der Shenji NX9031 über mehr als 50 Milliarden Transistoren verfügt. In Bezug auf umfassende Fähigkeiten und Ausführungseffizienz kann ein selbst entwickelter Chip die Leistung von vier Flaggschiff-Chips der Branche erreichen.

Diesmal sorgte Li Bins Rede für einige Kontroversen in der Halbleiterindustrie, weil er behauptete, dass Shenji NX9031 der weltweit erste intelligente 5-nm-Fahrchip für Autos sei. Zuvor wurden jedoch 5-nm-Chips auf den Markt gebracht, die für intelligente Fahrsysteme verwendet werden können. Typische Vertreter sind der S32N55-Prozessor von NXP und die Domänencontroller der CV3-Serie von Ambarella.

01Wo liegt der Streit?

Li Bin sagte, dass Shenji NX9031 der weltweit erste 5-nm-Chip für intelligentes Fahren sei, was eine Diskussion wert sei.

Werfen Sie zunächst einen Blick auf die von NXP und Ambarella eingeführten 5-nm-Automobilchips.

Man kann sagen, dass NXP das erste Unternehmen der Branche ist, das den Einsatz der 5-nm-Prozesstechnologie zur Herstellung von Automobilchips bekannt gibt. Der Gießereipartner ist TSMC.

Der S32N55-Prozessor, der einen 5-nm-Prozess verwendet, integriert 16 Arm-Cortex-R52-Echtzeitprozessorkerne und arbeitet mit einer Frequenz von 1,2 GHz, was den hohen Rechenleistungsanforderungen softwaredefinierter Autos gerecht werden kann. Der Cortex-R52-Kern des S32N55 kann im separaten oder Lockstep-Modus betrieben werden und unterstützt die funktionalen Sicherheitsstufen ASIL ISO 26262. Zwei Paare sekundärer Lockstep-Cortex-M7-Kerne unterstützen das System- und Kommunikationsmanagement.

Als zentrale Fahrzeugsteuerungslösung für die S32 CoreRide-Plattform integriert der S32N55-Prozessor fortschrittliche Netzwerktechnologie mit einer Time Sensitive Network (TSN) 2,5-Gbit/s-Ethernet-Switch-Schnittstelle, CAN für effizientes internes Routing von 24 CAN-FD-Bussen. Der Hub, 4 CAN XL-Schnittstellen und eine PCI-Express-Gen-4-Schnittstelle ermöglichen eine effiziente Kommunikation und Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Systemen im Auto. Darüber hinaus ermöglicht die „Core-to-Pin“-Hardwareisolations- und Virtualisierungstechnologie des S32N55 eine dynamische Partitionierung seiner Ressourcen, um sie an sich ändernde funktionale Anforderungen des Fahrzeugs anzupassen.

Anfang 2022 brachte Ambarella die CV3-Chipserie mit einem 5-nm-Prozess auf den Markt, die die Entwicklung von ADAS- und L2+- bis L4-Systemen unterstützen kann. Diese Chipserie basiert auf der skalierbaren und energieeffizienten CVflow-Architektur und kann eine Rechenleistung von 500 eTOPS erreichen, was 42-mal höher ist als die CV2-Serie der vorherigen Generation für Autos von Ambarella.

Das e in eTOPS bezieht sich auf das Äquivalent. Da CVflow keiner GPU entspricht, unterscheidet sich die Zähleinheit der KI-Rechenleistung des CV3-Chips von den TOPS häufig verwendeter GPUs. Das e wird hier hinzugefügt, um anzuzeigen, dass im Vergleich zum allgemeinen Chip eine gleichwertige Leistung erzielt werden kann die Architektur. Der NVIDIA Orin-Chip verfügt über eine Rechenleistung von 254 TOPS und NIO ET7 erreicht 1016 TOPS Rechenleistung durch 4 Orin-Kaskaden. Werden vier CV3-Chips kaskadiert, können 2000 eTOPS Rechenleistung erreicht werden.

Im Februar 2023 kündigte Ambarella an, die 5-nm-Prozesstechnologie von Samsung zur Herstellung von CV3-AD685 zu nutzen.

Nach NXP und Ambarella nutzen nun auch die Automobilchips von Qualcomm das 5-nm-Verfahren. Derzeit müssen wir sagen, dass Nvidia und Mobileye, eine Tochtergesellschaft von Intel, hauptsächlich den 7-nm-Prozess für ihre intelligenten Fahrchips verwenden, während Teslas HardWare 3-Chip den 14-nm-Prozess von Samsung verwendet. Vor nicht allzu langer Zeit kamen Neuigkeiten aus der Lieferkette . Teslas neuer HW4.0-Chip wird auf den 4-nm/5-nm-Prozess von TSMC umgestellt.

Es ist ersichtlich, dass NIO, NXP, Ambarella und Qualcomm alle 5-nm-Prozess-Automobilchips abgeschafft haben. Es gibt jedoch einige Unterschiede in den Chiptypen und Anwendungen dieser Unternehmen. Wie aus der obigen Einführung hervorgeht, handelt es sich beim S32N55 von NXP um einen Steuerchip, während es sich bei Ambarella, NVIDIA, Tesla und NIO um einen Smart-Chip handelt Cockpit-Chip, der kontrollorientierter ist.

Hier finden Sie eine kurze Einführung in die Arten von Automobilchips, die in Computer, Steuerung, Simulation, Energie, Kommunikation, Sensorik, Energie und Speicherung unterteilt werden können. Unter ihnen sind die Rechen- und Steuerungskategorien digitale Chips, die die höchsten Prozessanforderungen stellen. Mit dem Aufkommen des intelligenten Fahrens steigen die Anforderungen an die Rechenleistung von Chips von Tag zu Tag sehr kritischer Indikator, und die Kontrollkategorie ist die zweite von.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass NXP oder Ambarella die ersten in der Branche sein sollten, die die 5-nm-Prozesstechnologie zur Herstellung intelligenter Fahrchips einsetzen. NIO ist das erste Unternehmen in China, das das 5-nm-Verfahren zur Herstellung intelligenter Fahrchips einsetzt.

Warum entwickelt Weilai solche High-End-Chips selbst? Beginnen wir mit NVIDIA.

Derzeit ist NVIDIAs Orin-x der am weitesten verbreitete Flaggschiff-Smart-Drive-Chip der Branche, der über eine Einzelchip-Rechenleistung von 508 TOPS verfügt. Darüber hinaus hat Nvidia auch einen DRIVE Thor-Chip mit einer Single-Chip-Rechenleistung von 2000TOPS herausgebracht, der erst 2025 in Massenproduktion gehen wird.

Im Jahr 2023 kaufte NIO viele intelligente NVIDIA-Fahrchips, die 46 % der NVIDIA-Lieferungen ausmachten, mit einem Gesamtwert von 300 Millionen US-Dollar. Für Weilai, das in Forschung und Entwicklung Geld verloren hat, sind angesichts der zunehmenden Entwicklung des chinesischen Automobilmarktes Kostensenkungen und Effizienzsteigerungen erforderlich. Auf dieser Grundlage ist es logisch, selbst entwickelte intelligente Antriebschips zu entwickeln, die vier NVIDIA Orin X entsprechen, wodurch eine Menge Chipkosten eingespart werden können.

02 Der Wert der Verwendung des 5-nm-Verfahrens zur Herstellung intelligenter Antriebschips

Traditionell stellen Automobilchips keine hohen Anforderungen an die Prozesstechnologie (meist Prozesse über 20 nm), stellen jedoch hohe Anforderungen an die Stabilität und Zuverlässigkeit der Chips. Mit anderen Worten: Autos müssen Automotive-Chips verwenden.

Chips in Automobilqualität beziehen sich auf Chips, die speziell für Automobilanwendungen entwickelt und hergestellt werden und strenge Standards der Automobilindustrie erfüllen. Solche Chips müssen in rauen Umgebungen wie extremen Temperaturbereichen, starken Vibrationen, hohem Druck, hoher Luftfeuchtigkeit, elektromagnetischen Störungen usw. eine stabile und zuverlässige Leistung aufrechterhalten und werden in der Regel anhand von Qualitätsstandards der Automobilindustrie wie der AEC-Q-Serienzertifizierung geprüft.

Aufgrund der extrem hohen Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen von Automobilen kann jeder Chipfehler zu schweren Sicherheitsunfällen führen. Daher werden für Chips der Automobilklasse häufig höhere Qualitätsanforderungen gestellt Fahrzeugsubsysteme wie Motorsteuerung, Bremssysteme, Sicherheitssysteme, Fahrzeugunterhaltungsinformationssysteme und ADAS.

Obwohl fortschrittliche Prozesse (16 nm und darunter) die Chipleistung verbessern und den Stromverbrauch senken können, bringen sie auch einige Herausforderungen mit sich. Je kleiner der Prozessknoten ist, desto höher sind außerdem die Produktionskosten des Chips Präzise Produktion und Technologie, was auch die Kosten erhöht.

Daher müssen sowohl Automobilchiphersteller als auch Automobilhersteller ein Gleichgewicht zwischen Leistung, Kosten und Zuverlässigkeit des Chips finden. Sie müssen die geeignete Prozesstechnologie basierend auf dem Zweck des Fahrzeugs, den Leistungsanforderungen und dem Kostenbudget auswählen. Bei einigen High-End-Modellen verwenden Hersteller möglicherweise fortschrittlichere Prozesse, um die Fahrzeugleistung zu verbessern. Bei einigen sparsamen Modellen wählen die Hersteller wirtschaftlichere Verfahren, um die Produktionskosten zu senken.

Im Allgemeinen liegt der gängige Herstellungsprozess von Automobilchips zwischen 40 und 16 nm.

Mit der Popularität des intelligenten Fahrens wurden jedoch die Produktionsbedingungen für herkömmliche Automobilchips zerstört, da die Rechenleistung begonnen hat, Automobilanwendungen zu dominieren.

Tatsächlich wissen Praktiker, dass das Stapeln von Rechenleistung unweigerlich zu Verschwendung führt. Im Vergleich zu unsichtbaren Softwarealgorithmen können jedoch tatsächliche Rechenleistungsindikatoren leicht ermittelt werden. Das Streben der Benutzer nach Hardwarefunktionen spiegelt sich am deutlichsten in mobilen Elektronikprodukten wider. Nun hat sich die gleiche Situation auf intelligente Autos ausgeweitet.

Auf dieser Grundlage sind verschiedene Marketing-Rhetoriken auf dem Markt aufgetaucht. Beispielsweise verglichen einige Medien die Rechenleistung des Chips mit der „Hauskaufrate“ und verwendeten die Differenz zwischen dichter Rechenleistung und spärlicher Rechenleistung, um völlig unterschiedliche Rechenleistungen zu berechnen Macht. Zum Schluss. Heutzutage ist die Rechenleistung zu einer Hürde geworden, die Automobilhersteller und verwandte Chiphersteller nicht überwinden können. Immer mehr neu vorgestellte intelligente Fahrchips beweisen, dass eine Erhöhung der Rechenleistung der effektivste Weg ist, das Marktbewertungsniveau zu verbessern.

Derzeit hat die Rechenleistung vieler neuer Power-SUVs mit mehr als 300.000 100 TOPS überschritten, und die Rechenleistung einiger Markenautos hat sogar 1.000 TOPS überschritten. Auch wenn es viele Redundanzen gibt, scheint sich niemand einer höheren Rechenleistung zu widersetzen.

Da die Rechenleistung von Chips häufig 500 TOPS oder sogar 1.000 TOPS überschreitet, werden andere Indikatoren des Chips zwangsläufig öffentliche Aufmerksamkeit erregen, beispielsweise die Prozesstechnologie. Obwohl es kein endgültiges Streben nach Prozessen für Chips in Automobilqualität gibt, hat sich der Chipherstellungsprozess im Bereich des intelligenten Fahrens und des intelligenten Cockpits offensichtlich in Richtung 5-nm- oder noch kleinerer Prozessknoten weiterentwickelt. Im Vergleich zu 7 nm bietet der 5-nm-Prozess von TSMC eine Steigerung der Verarbeitungsgeschwindigkeit um 20 % und eine Reduzierung des Stromverbrauchs um 40 %. Die Umstellung auf 5 nm wird Automobilherstellern helfen, durch verbesserte Funktionen differenzierte Vorteile in ihre Autos zu bringen, die immer komplexer werdenden architektonischen Herausforderungen zu vereinfachen und leistungsstarke Rechenleistung bereitzustellen Systeme mit Leichtigkeit.

Daher wird der Wert des 5-nm-Prozesses für Automobilchips hervorgehoben.

Aufgrund dieser Marktnachfrage hat TSMC auch damit begonnen, sich im „Hungermarketing“ zu engagieren. Im Juli 2023 sagte Paul de Bot, General Manager von TSMC Europe, auf der „27. Automotive Electronics Conference“ in Deutschland, dass die Automobilindustrie lange als technologischer Nachzügler galt und sich nur auf ausgereifte Prozesse konzentrierte, tatsächlich aber über einige Automobilchips verfüge Zulieferer werden im Jahr 2022 mit der Nutzung der 5-nm-Prozesstechnologie beginnen, also nur zwei Jahre, nachdem 5 nm offiziell in die Massenproduktion gegangen ist. Aufgrund der durchschnittlichen Ausbeute des 5-nm-Prozesses von Samsung ist TSMC derzeit fast die einzige Wafer-Gießerei, die in der Lage ist, 5-nm-Prozesschips in Massenproduktion herzustellen. Daher sei die Produktionskapazität des Unternehmens knapp, es sei unmöglich, ungenutzte Produktionskapazitäten für die Automobilindustrie zu reservieren, und Automobilchips müssten ihre Umstellung auf fortschrittliche Prozesse beschleunigen. Paul de Bot ist davon überzeugt, dass eine vorausschauende Planung und Steuerung der Bestellmengen für Automobilhersteller unbedingt erforderlich ist und dass die Umstellung einiger Automobilchips von ursprünglich ausgereiften Prozessknoten auf fortgeschrittene Prozesse ebenfalls ein wichtiges Mittel zur Sicherstellung der Versorgung darstellt.

Im Vergleich zu Unterhaltungselektronik- und Serveranwendungen hat der Automobil-Chip-Wafer-Foundry-Markt einen kleineren Anteil (weniger als 10 %), aber der Stückpreis ist höher. Dies ist ein äußerst profitabler Markt. Aus Sicht von TSMC ist das jährliche Geschäft mit Automobilchips von TSMC während der COVID-19-Epidemie um etwa 40 % gestiegen. Der führende Waferhersteller hofft, diesen Kundenstamm insbesondere für fortschrittliche Prozesse zu halten und zu erweitern.

03 Smart-Cockpit-Chips benötigen ebenfalls 5 nm

Bei den oben genannten Neuheiten handelt es sich ausschließlich um intelligente Fahrchips, deren Schwerpunkt auf der Datenverarbeitung liegt. Die andere große Kategorie sind intelligente Cockpit-Chips, bei denen der Schwerpunkt auf der Steuerung liegt. Die Nachfrage nach fortschrittlichen Herstellungsprozessen wird immer dringlicher.

Das intelligente Cockpit verfügt über mehrere Funktionsblöcke, darunter hauptsächlich hochauflösendes Display, Instrumente, aktiver Sicherheitsalarm, Echtzeitnavigation, Online-Infotainment, Notfallrettung, Internet der Fahrzeuge und Mensch-Computer-Interaktionssystem (Spracherkennung, Gestenerkennung). usw. Seine Hauptfunktionen bestehen darin, das Fahrer- und Fahrgasterlebnis zu verbessern, indem die Art und Weise der Mensch-Computer-Interaktion verändert wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Bedeutung der Technologie der künstlichen Intelligenz (KI) hervorgehoben und auch die Leistungsanforderungen an entsprechende Chips sind gestiegen.

Typische Vertreter der Smart-Cockpit-Chips sind der Qualcomm Snapdragon 8155 und der aktualisierte 8295-Chip, von dem wir oft hören.

Ende 2021 veröffentlichte Qualcomm den Snapdragon 8295 im 5-nm-Prozess. Im Vergleich zur 8TOPS-Rechenleistung der vorherigen Generation 8155 (7-nm-Prozess) verfügt der 8255 über eine Rechenleistung von 30TOPS, eine um das Dreifache erhöhte 3D-Rendering-Fähigkeit. und eine integrierte elektronische Rückansicht mit Funktionen wie Spiegeln, maschinellem Lernen, Passagierüberwachung und Informationssicherheit, ein Chip kann 11 Bildschirme ansteuern.

Neben dem Cockpit-Chip basiert auch der Kern-SoC der intelligenten Fahrplattform Qualcomm Snapdragon Ride auf dem 5-nm-Prozess und integriert Kernkomponenten wie Hochleistungs-CPU, GPU und KI-Engine mit einer maximalen Rechenleistung von 700 TOPS. Im Vergleich zu anderen großen Herstellern intelligenter Fahrchips (Nvidia, Intels Mobileye, Tesla) sind die intelligenten Fahrchips von Qualcomm jedoch relativ schwach vertreten.

Neben großen Branchenakteuren wie Qualcomm setzen auch Chinas lokale SoC-Unternehmen auf fortschrittliche Smart-Cockpit-Chips, die inzwischen auf 7-nm-Prozesse umgestiegen sind. Wenn es nicht so viele internationale Handelsbeschränkungen gäbe, gäbe es definitiv 5-nm-Prozesse. Derzeit haben Horizon, Heiyima Intelligence, Xinchi Technology und Xinjing Technology verwandte Produkte herausgebracht. Darunter wurde der von Xinqing Technology selbst entwickelte „Longying No. 1“ als erster inländischer 7-nm-Chip in Autoqualität eingebaut Black Sesame Intelligence hat den Wudang C1200 auf den Markt gebracht, den ersten selbst entwickelten 7-nm-Chip der Journey 6-Serie. Der Flaggschiff-Chip verfügt über eine einzige Rechenleistung von 560 TOPS und wird 2024 in Massenproduktion hergestellt 7 oder Journey 8 in Massenproduktion hergestellt werden, soll der Herstellungsprozess weiter verbessert werden.

04 Automobilchips laden zum 3-nm-Prozess ein

Mit zunehmender Automobilintelligenz entwickeln sich auch die damit verbundenen Chips hin zu fortschrittlicheren Herstellungsprozessen.

NVIDIAs neuester intelligenter Fahrchip, DRIVE Thor, verfügt über eine Rechenleistung von 2.000 TOPS und eine Hopper-Architektur. Er wird eine 4-nm-Prozesstechnologie verwenden und im Jahr 2025 in Produktion gehen. Nvidia sagte, dass chinesische Automarken wie BYD, Aian, Xpeng, Ideal und Ji Krypton DRIVE Thor verwenden werden.

Tesla ist radikaler und bereitet die Einführung eines 3-nm-Prozess-Chip-Foundry-Plans vor. Das Unternehmen wird die Geschwindigkeit und den Stromverbrauch auf Basis des TSMC N3E weiter verbessern und plant, es im Jahr 2024 in Produktion zu bringen. Es gibt jedoch noch Fragen, ob dies möglich ist Produktionskapazität erhalten.

Nachdem MediaTek den Erfolg von Qualcomm im Bereich der Smart-Cockpit-Anwendungen gesehen hatte, konnte es nicht stillstehen und begann, in den Markt für Automobilchips einzusteigen, insbesondere für Smart-Cockpits. Das Unternehmen plant die Einführung der „Dimensity Vehicle Platform“, die im 3-nm-Verfahren hergestellt wird .