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本文 | 半導体産業の縦横

7 月 27 日、2024 NIO イノベーションおよびテクノロジー デーで、NIO 会長の Li Bin は、世界初の自動車グレード 5nm インテリジェント駆動チップ Shenji NX9031 のテープアウトに成功し、チップと基盤となるソフトウェアの両方が独立して設計されたと発表しました。

レポートによると、このチップは 32 コア CPU アーキテクチャ、内蔵 LPDDR5x、8533Mbps レートの RAM を使用し、6.5GPixel/s のピクセル処理能力と 5ms 未満の処理遅延を備えています。

Li Bin氏は、Shenji NX9031には500億個以上のトランジスタが搭載されており、総合的な機能と実行効率の点で、1つの自社開発チップで4つの業界の主力チップの性能を達成できると述べた。

今回、李斌氏の講演は、Shenji NX9031が世界初の自動車グレードの5nmインテリジェント駆動チップであると主張したため、半導体業界で一部の論争を巻き起こしたが、これに先立って、インテリジェント駆動システムに使用できる5nmチップが発売されている。 , 代表的なものはNXPのS32N55プロセッサやAmbarellaのCV3シリーズのドメインコントローラです。

01紛争はどこにありますか?

Li Bin氏は、Shenji NX9031は世界初の5nmスマート駆動チップであり、議論する価値があると述べた。

まず、NXP と Ambarella が発売した 5nm 車載チップを見てみましょう。

NXP は、2020 年 6 月に、ファウンドリ パートナーが TSMC であることを発表し、業界で初めて自動車用チップの製造に 5nm プロセス技術の使用を発表したと言えます。

5nm プロセスを使用する S32N55 プロセッサは、16 個の Arm Cortex-R52 リアルタイム プロセッサ コアを統合し、1.2 GHz の周波数で動作するため、ソフトウェア デファインド カーの高い計算能力要件を満たすことができます。 S32N55 の Cortex-R52 コアは、セパレート モードまたはロックステップ モードで動作でき、ASIL ISO 26262 の機能安全レベルをサポートできます。 2 ペアのセカンダリ ロックステップ Cortex-M7 コアがシステムと通信の管理をサポートします。

S32 CoreRide プラットフォームの中央車両コントローラ ソリューションとして、S32N55 プロセッサは、高度なネットワーク テクノロジーとタイム センシティブ ネットワーク (TSN) 2.5 Gbit/s イーサネット スイッチ インターフェイス、CAN を統合し、24 CAN FD バスの効率的な内部ルーティングを実現します。ハブ、4 CAN XL インターフェイスと PCI Express Gen 4 インターフェイスにより、車内のさまざまなシステム間の効率的な通信と共同作業が可能になります。さらに、S32N55 の「コアからピン」ハードウェア分離および仮想化テクノロジにより、リソースを動的に分割して、変化する車両の機能要件に適応できます。

2022 年初頭に、Ambarella は、ADAS および L2+ ～ L4 システムの開発をサポートできる 5nm プロセスの CV3 シリーズ チップをリリースしました。このシリーズのチップは、スケーラブルでエネルギー効率の高い CVflow アーキテクチャに基づいており、Ambarella の前世代の車載グレード CV2 シリーズの 42 倍である 500 eTOPS のコンピューティング パワーを達成できます。

eTOPS の e は同等のものを指します。 CVflow はどの GPU とも同等ではないため、CV3 チップの AI 計算能力のカウント単位は一般的に使用される GPU の TOPS とは異なります。ここで e が追加されるのは、一般的なチップと比較して同等のパフォーマンスを達成できることを示します。建築。 NVIDIA Orin チップの計算能力は 254TOPS で、NIO ET7 は 4 つの Orin カスケードを通じて 1016 TOPS の計算能力を達成します。 4 つの CV3 チップをカスケード接続すると、2000 eTOPS の計算能力を達成できます。

2023 年 2 月、Ambarella は、Samsung の 5nm プロセス技術を使用して CV3-AD685 を生産すると発表しました。

NXPとAmbarellaに続き、クアルコムの車載用チップも5nmプロセスを採用し始めた。現時点では、Nvidia と Intel の子会社である Mobileye はスマート ドライビング チップに主に 7nm プロセスを使用していると言わざるを得ませんが、Tesla の HardWare 3 チップは Samsung の 14nm プロセスを使用しています。つい最近、サプライ チェーンからニュースが出ました。テスラの新しい HW4.0 チップは TSMC の 4nm/5nm プロセスに切り替わります。

NIO、NXP、Ambarella、Qualcomm がすべて 5nm プロセスの車載チップをテープアウトする前に、そのことがわかります。ただし、上記の紹介からわかるように、NXP の S32N55 は制御チップであり、Ambarella、NVIDIA、Tesla、NIO はコンピューティング チップ、Qualcomm のチップはスマート チップです。より制御指向のコックピットチップ。

ここでは、コンピューティング、制御、シミュレーション、電力、通信、センサー、電力、ストレージに分類できる車載用チップの種類を簡単に紹介します。その中で、コンピューティングと制御のカテゴリは最も高いプロセス要件を備えており、インテリジェント運転の台頭により、チップのコンピューティング能力に対する要求は日に日に高まっています。非常に重要な指標であり、コントロール カテゴリは 2 番目です。

要約すると、業界で最初に 5nm プロセス技術を使用してスマート運転チップを製造するのは、NXP または Ambarella になるはずです。 NIO は、5nm プロセスを使用してスマート駆動チップを製造した中国初の企業です。

では、なぜWeilaiはこのようなハイエンドチップを自社で開発するのでしょうか? NVIDIA から始めましょう。

現在、業界で最も広く使用されている主力スマート ドライビング チップは、シングルチップのコンピューティング能力が 508TOPS である NVIDIA の Orin-x です。さらに、Nvidia はシングルチップのコンピューティング能力が 2000TOPS の DRIVE Thor チップもリリースしましたが、量産は 2025 年まで行われません。

2023 年に、NIO は NVIDIA 出荷額の 46% を占める多くの NVIDIA スマート ドライビング チップを総額 3 億米ドルで購入しました。中国の自動車市場への参入が進む中、研究開発で損失を出し続けている威来にとって、これは莫大な費用であり、コスト削減と効率向上が必要である。これに基づいて、自社開発のインテリジェント駆動チップを開発するのは論理的です。1 つの Shenji NX9031 は 4 つの NVIDIA Orin X に相当し、チップ費用を大幅に節約できます。

02 5nmプロセスを使用してインテリジェント駆動チップを製造する価値

従来、車載用チップにはプロセス テクノロジ (主に 20nm 以上のプロセス) に対する高い要件はありませんが、チップの安定性と信頼性については高い要件があります。つまり、自動車には自動車グレードのチップを使用する必要があります。

車載グレードのチップとは、車載アプリケーション向けに特別に設計および製造され、厳しい自動車業界基準を満たしているチップを指します。このようなチップは、極端な温度範囲、高振動、高圧、高湿度、EMIなどの過酷な環境において安定した信頼性の高い性能を維持する必要があり、通常はAEC-Qシリーズ認証などの自動車業界の品質基準によって検査されます。

自動車の非常に高い安全性と信頼性の要件に基づいて、チップの故障は重大な安全事故につながる可能性があるため、民生用または産業用のチップと比較して、自動車用クラスのチップはより高い品質要件を備えており、広く使用されています。エンジン制御、ブレーキ システム、安全システム、車両エンターテイメント情報システム、ADAS などの車両サブシステム。

高度なプロセス (16nm 以下) はチップのパフォーマンスを向上させ、消費電力を削減できますが、たとえば、プロセス ノードが小さくなるほど、チップの製造コストが高くなり、さらに、チップのサイズが小さいと、より多くのチップが必要になります。精密な生産設備と技術が必要となり、コストも増加します。

したがって、自動車メーカーだけでなく自動車用チップのメーカーも、チップの性能、コスト、信頼性の間のバランスを見つける必要があります。車両の目的、性能要件、コスト予算に基づいて、適切なプロセス技術を選択する必要があります。一部のハイエンドモデルでは、メーカーは車両の性能を向上させるためにより高度なプロセスを使用する場合があります。一部の経済的なモデルでは、メーカーは生産コストを削減するために、より経済的なプロセスを選択します。

一般的に、自動車用チップの主流の製造プロセスは 40nm ～ 16nm です。

しかし、スマート運転の普及により、コンピューティングパワーが自動車アプリケーションを支配し始めたため、従来の自動車用チップの製造枠組みは崩壊しました。

実際、実務者は、コンピューティング能力を積み重ねると必然的に無駄が生じることを知っていますが、目に見えないソフトウェア アルゴリズムと比較すると、実際のコンピューティング能力指標は簡単に判断できます。ユーザーのハードウェア機能の追求は、モバイル電子製品に最も顕著に反映されており、同じ状況がスマートカーにも及んでいます。

これに基づいて、市場ではさまざまなマーケティング レトリックが登場しています。たとえば、一部のメディアは、チップの計算能力レベルを「住宅取得率」に例え、密集した計算能力と疎な計算能力の差を利用して、まったく異なる計算を計算しました。結論としては力。現在、コンピューティング能力は自動車メーカーや関連チップ企業にとって乗り越えられないハードルとなっており、新たに発表されたスマート運転チップはコンピューティング能力の向上が市場の評価レベルを向上させる最も効果的な方法であることを証明しています。

現在、30万台を超える多くの新型パワーSUVの演算能力は100 TOPSを超え、一部のブランド車の演算能力は1,000 TOPSを超えています。たとえ多くの冗長性があったとしても、より高いコンピューティング能力を拒否する人はいないようです。

チップのコンピューティング能力は 500 TOPS、さらには 1,000 TOPS を超えることが多いため、プロセス技術など、チップの他の指標が世間の注目を集めるのは必至です。車載グレードのチップのプロセスを究極的に追求することはありませんが、スマート ドライビングとスマート コックピットの分野では、チップ製造プロセスは明らかに 5nm またはさらに小さなプロセス ノードに向けて進歩し始めています。 TSMC の 5nm プロセスは、7nm と比較して処理速度が 20% 向上し、消費電力が 40% 削減されます。5nm への移行により、自動車メーカーは機能の強化を通じて差別化された利点を自動車にもたらし、ますます複雑化するアーキテクチャ上の課題を簡素化し、強力なコンピューティングを導入できるようになります。簡単にシステムを構築できます。

したがって、車載チップ向けの 5nm プロセスの価値が強調されています。

こうした市場の需要を受けて、TSMCも「ハンガーマーケティング」に取り組み始めた。 2023年7月、TSMCヨーロッパのゼネラルマネージャー、ポール・デ・ボット氏は、ドイツで開催された「第27回オートモーティブエレクトロニクスカンファレンス」で、自動車業界は長い間技術的に遅れていると考えられており、成熟したプロセスのみに焦点を当ててきたが、実際にはいくつかの車載用チップを備えていると述べた。サプライヤーは 2022 年に 5nm プロセス技術の使用を開始しますが、これは 5nm が正式に量産されてからわずか 2 年後のことです。 Samsung の 5nm プロセスの平均歩留まりにより、TSMC は現在、5nm プロセスチップを量産できるほぼ唯一のウェハファウンドリです。このため、TSMCは、自動車産業向けに空き生産能力を確保することは不可能であり、自動車用チップは先進プロセスへの移行を加速する必要があると述べた。 ポール・ド・ボット氏は、自動車メーカーが将来を見据えた計画と発注量の管理を行うことが絶対に必要であり、一部の自動車用チップを元の成熟したプロセスノードから高度なプロセスに切り替えることも供給を確保するための重要な手段であると考えている。

家電製品やサーバーアプリケーションと比較すると、車載用チップウェーハファウンドリ市場のシェアは10%未満ですが、単価は非常に高い市場です。 TSMCの観点から見ると、新型コロナウイルス感染症の流行中、TSMCの年間自動車用チップ事業は約40％増加しており、ウェハファウンドリのリーダーである同社は、特に先端プロセスにおいて、この顧客ベースを将来的に維持し、拡大したいと考えている。

03 スマートコックピットチップにも5nmが必要

上記の紹介はすべて、コンピューティングに焦点を当てたスマート ドライビング チップです。もう 1 つの主要なカテゴリは、高度な製造プロセスの需要がますます高まっています。

スマート コックピットには、主に高解像度ディスプレイ、計器、アクティブ セーフティ アラーム、リアルタイム ナビゲーション、オンライン インフォテインメント、緊急救助、車両のインターネット、人間とコンピューターの対話システム (音声認識、ジェスチャー認識) などの複数の機能ブロックがあります。その主な機能は、人間とコンピューターの対話方法を変更することでドライバーと乗客のエクスペリエンスを向上させることです。現在、人工知能（AI）技術の重要性がクローズアップされており、関連チップに対する性能要件も高まっています。

スマート コックピット チップの代表的なものは、よく耳にする Qualcomm Snapdragon 8155 および最新の 8295 チップです。

2021年末、クアルコムは5nmプロセスを使用したSnapdragon 8295をリリースしました。前世代の8155（7nmプロセス）の8TOPSの演算能力と比較して、8255は30TOPSの演算能力を持ち、3Dレンダリング能力が3倍に向上しました。統合された電子リアビューは、ミラー、機械学習、乗客監視、情報セキュリティなどの機能を備えており、1 つのチップで 11 画面を駆動できます。

コックピット チップに加えて、Qualcomm Snapdragon Ride インテリジェント ドライビング プラットフォームのコア SoC も 5nm プロセスで構築され、高性能 CPU、GPU、AI エンジンなどのコア コンポーネントを統合し、最大 700TOPS のコンピューティング能力を備えています。しかし、他の主要なスマート運転チップメーカー（Nvidia、IntelのMobileye、Tesla）と比較すると、クアルコムのスマート運転チップの存在感は相対的に弱い。

クアルコムなどの主要な業界プレーヤーに加えて、中国の現地SoC企業も先進プロセスのスマートコックピットチップに向けて移行しており、現在では7nmまで進んでおり、国際的な貿易制限がそれほど多くなければ、間違いなく5nmプロセスが存在するでしょう。現在、Horizo​​n、Heiyima Intelligence、Xinchi Technology、Xinjing Technology が関連製品をリリースしていますが、その中で、Xinqing Technology が自社開発した「Longying No. 1」は、初の国産車グレードの 7nm チップとして車に搭載されています。 Black Sesame Intelligence は、初の自社開発 7nm チップである Wudang C1200 を発表しました。Horizo​​n の Journey 6 シリーズ チップも 7nm プロセス テクノロジーを使用しており、2024 年に量産される予定です。 7 または Journey 8 が量産され、製造プロセスがさらに改善されることが期待されます。

04 自動車用チップは3nmプロセスへ

自動車のインテリジェンスのレベルが向上するにつれて、関連するチップもより高度な製造プロセスに移行しています。

NVIDIA の最新のスマート ドライビング チップである DRIVE Thor は、2,000 TOPS の計算能力と Hopper アーキテクチャを備えており、4nm プロセス テクノロジを使用し、2025 年に量産される予定です。 Nvidiaは、BYD、Aian、Xpeng、Ideal、Ji Kryptonなどの中国の自動車ブランドがDRIVE Thorを使用すると述べた。

テスラはさらに急進的で、3nmプロセスのチップファウンドリ計画を立ち上げる準備をしており、TSMC N3Eに基づいて速度と消費電力の性能を強化し続け、2024年に量産化する計画だ。しかし、それが可能かどうかについてはまだ疑問が残っている。生産能力を獲得します。

スマートコックピットアプリケーションの分野におけるクアルコムの成功を見て、メディアテックは黙ってはいられず、自動車用チップ市場、特にスマートコックピット市場への参入を開始し、3nmプロセスを使用して構築される「ディメンシティ・ビークル・プラットフォーム」の発売を計画している。 。