如何滿足新一代車用SoC對IP的嚴苛要求

作者 : Ron DiGiuseppe/Synopsys資深行銷經理

為了實現高性能運作所需的先進通訊協議,ADAS SoC使用了比大多數高階消費性應用更嚴格的尖端設計和製程技術;這類元件的設計者仰賴IP供應商協助他們克服實現特定應用IP需求的挑戰,在越來越短的設計、成形週期中滿足汽車應用對強韌度、可靠性和安全性的需求。

先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance Systems,ADAS)是成長最快速的汽車應用。市場研究機構Gartner的報告估計,此市場規模將從2014年的56億美元成長至2018年的102億美元,在2013~2018年之間實現17.1%的年複合成長率(CAGR);ADAS相關半導體產品的消耗量同時間則將從13.8億美元成長至24億美元,其間年複合成長率將達到15.5%。

以安全性為核心的駕駛輔助系統,支援行人偵測/避讓、車道偏離警報/糾正、交通標誌識別、環景影像、疲勞監控等,這些應用以及其他多種應用(如圖1所示),需要一種全新類別的系統單晶片(SoC)來滿足該系統日益成長的需求。

在消費者利益和政府法規的推助下,為了改善道路安全性,汽車製造商正在要求一級零組件供應商(Tier 1)和半導體產品供應商去開發包含最新多媒體標準、執行多種基於視覺的演算法,且結合影像和雷達系統感測器資料的SoC。

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圖1 各種ADAS應用。


為了實現高性能運作所需的先進通訊協議,ADAS SoC使用了比大多數高階消費性應用更嚴格的尖端設計和製程技術;這類元件的設計者仰賴IP供應商協助他們克服實現特定應用IP需求的挑戰,在越來越短的設計、成形週期中滿足汽車應用對強韌度、可靠性和安全性的需求。

ADAS SoC設計準則

從應用和系統的兩個角度來看,這類新型ADAS SoC都擁有特定的設計準則,以確保高效率的SoC設計實作;為ADAS應用構建SoC的設計人員需要結合高性能與省電的IP功能,以協助實現整體系統吞吐量,並滿足即時性的服務品質要求(如圖2)。

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圖2 採用16/14奈米製程的ADAS SoC,圖中紫色部分為Synopsys的DesignWare IP產品。


這類應用處理器的性能要求至少是32位元、1GHz以上頻率運行的處理器;實際上,支援多種基於視覺之應用的ADASSoC已經開始轉向64位元。除了高性能應用處理器,這類SoC還需要一個獨立的視覺處理器,實現諸如卷積神經網路(Convolutional Neural Networks,CNN)等的最新視覺演算法。

此外一個附加的繪圖處理器或客製化數位訊號處理器(DSP)核心負責高速率畫素處理,與高畫質多媒體介面(HDMI)或行動產業處理器介面(MIPI)D-PHY等多媒體介面連結,同時支援尺寸越來越大的高畫質顯示器。為了支援提供影像和雷達/光達(lidar)資料的多個攝影機和雷達感測器,還需要一個感測器和控制子系統來為應用處理器(Application Processor)���擔感測器資料管理任務,以實現高等級的感測器融合。

新一代ADAS SoC需要高達8GB的車規LPDDR4記憶體,以支援處理器應用軟體,與乙太網路音訊橋接技術(Ethernet AVB)與時效性網路(Time Sensitive Networking,TSN)所提供、支援多媒體資料流量的廣泛系統連結。SoC週邊則提供額外的PCI Express、SATA、通用異步收發器(UART)、SPI/QSPI、CAN與FlexRay等介面。

最後,為了支援由外部Bluetooth Smart、Wi-Fi或4G LTE無線晶片實現的雲端連結,ADAS SoC必須內含堅固的、以硬體為基礎的安全通訊協定,以支援安全開機(boot)、安全識別與身分驗證、加密以及解密。

除了IP功能是ADAS SoC設計工程師必須考量的元素,汽車產業的一級零組件供應商及半導體SoC設計人員、架構師還需要考慮延遲、功耗、可靠性以及與製程相關的設計挑戰。

低延遲是因應即時多媒體服務等級保證的基本原則;除了低延遲,這類SoC在不斷採用最新多媒體協定和關鍵特性─例如行人偵測與校正等特定ADAS應用所需的嵌入式視覺處理功能─的同時,還需要保持最低功耗。對ADAS SoC設計人員而言,另一項關鍵挑戰是確保車廠所要求的高可靠性和連續運作,因此晶片需要實現關鍵錯誤檢查和糾正(ECC)與同等技術。

由於需要高性能和高整合度,設計人員鎖定先進半導體製程,例如許多設計團隊尚不熟悉的16/14奈米鰭式場效電晶體(FinFET)製程節點。對於下一代汽車ADAS應用SoC而言,因應低延遲、低功耗、先進通訊協定、ECC等SoC挑戰,以及16/14奈米FinFET製程任務關鍵型IP的可取得性等都是關鍵議題。

支援功能安全性、可靠度和品質管理的IP

領導級晶圓代工廠製程可提供種類廣泛、支援最新協定和演算法的IP產品組合,為新一代ADAS SoC的開發奠定基礎。除了提供ADAS應用所需要的先進特性、小面積、高性能和低功耗外,IP供應商必須滿足汽車產業供應鏈的嚴格要求。

儘管高效能消費性應用和行動應用中的SoC包含與ADAS SoC相似的功能,但是汽車SoC對於強韌度、可靠性和安全性的額外需求,依然為IP供應商帶來更高要求。

例如,德國電氣和電子製造商協會(ZVEI)的汽車應用消費性電子元件工作小組,已經在車用半導體元件和消費性元件之間,定義出66種可能的區隔性,包括功能安全性、可靠性和品質管理等。該工作小組的意見書確定了嚴苛汽車環境問題對晶片和矽智財帶來的影響,包括更高的電壓、更高的靜電放電(ESD)電壓、更高的溫度、誤差校正,以及更高的測試覆蓋目標等。

工作小組的結論是:「需要重新評估和重新定義汽車原廠、一級零組件供應商和元件供應商在開發階段進行的合作,以辨別出並降低產業價值鏈上各環節出現的新風險。」

ZVEI的意見書還強調了兩項關鍵要求:第一,對於諸如行人偵測與校正等ADAS應用,功能安全性是一項關鍵要素;第二,ADAS應用必須滿足由汽車產業定義的ISO 26262功能安全性標準,使用已經獲得ISO 26262認證的IP,將幫助SoC設計工程師降低產業價值鏈風險,並加速其SoC層級功能安全性的規格需求、設計、實作、整合、驗證、確認和配置。

類似地,為了滿足高可靠性要求,車用SoC還必須符合汽車應用生產品質認證的AEC Q100規範;透過選擇已通過AEC Q100測試與認證的IP,能夠幫助工程師確保其設計符合AEC Q100要求。透過採用已經預先通過AEC Q100壓力測試的半導體IP,設計人員可以降低風險並加速其SoC的品質認證。

最後,透過選擇依循ISO/TS 16949品質標準開發IP產品的供應商,可有助於確保包括整合於其中的IP在內的車用SoC產品規劃、設計、開發、驗證和確認等流程,滿足汽車產業供應鏈所要求的品質水準。像是Synopsys這樣能針對高性能、基於視覺ADAS應用提供種類廣泛IP產品組合的供應商,已經朝向滿足車用SoC對標準化功能安全性、可靠性和品質等方面的要求邁出了下一步。

ISO 26262功能安全性標準

從汽車產業的角度來看,2011年公佈的ISO 26262功能安全性標準是相對最新的標準;該標準將電氣和/或電子系統中的功能安全性納入了路上的車輛,涉及安全性生命週期中的所有活動,例如安全性相關系統的設計與開發,還有被歸類為獨立安全單元(Safety-Elements-out-of-Context,SEooC)的SoC。

ISO 26262標準提供了一種汽車專屬的方法,以判定汽車安全完整性等級(Automotive Safety Integrity Levels,ASIL),並採取了多項措施來驗證和確認所達到的安全等級。其目的是透過定義功能需求、採用嚴謹開發流程,以及利用包括故障注入(fault injection)、系統性分析和量測報告等在內的必要設計手段,將隨機硬體故障可疑性降到最低。

而因為ISO 26262不能專為某一款設備進行更改,所以IP供應商必須建立一套包含原則、流程、策略在內的安全性文化,並授權專門管理人員參與安全關鍵IP的開發。

通過ISO 26262認證的IP安全套裝(Safety Package)產品,包括整合的硬體安全性功能、驗證計畫、安全性計畫、驗證報告、安全性手冊,以及失效模式效應和診斷分析 (Failure Mode Effect and Diagnostic Analysis,FMEDA)──能讓SoC設計人員用以輸入SoC等級FMEDA報告,從而加速其SoC的開發。

將SoC和IP視為SEooC元件而進行的標準認證,是由SGS-T V SAAR等受產業界認可、從事產品與製程審查、評估與核准的第三方產業認證機構來執行。

AEC Q100標準提供的可靠性

為了確保最高的可靠性,由汽車產業共同成立的汽車電子委員會(AEC)其下之零組件技術小組(Component Technical Committee)制定了AEC Q100標準,以確保零組件品質能應用於嚴苛的汽車環境。AEC Q100標準定義了汽車產業供應鏈所認可的半導體SoC品質認證要求及測試方法指南。

AEC Q100標準包含一套基於故障機制(failure mechanism)的壓力測試,以及半導體供應商在不同的溫度等級上對其SoC進行認證的多項條件,目的是透過一種經過加速的(與標準汽車使用情況相比)方法引發故障,從而確保高可靠性。

儘管AEC Q100品質認證適用SoC等級的零組件,但IP供應商也可以透過對IP實施AEC Q100測試,最大化其設計品質成功通過認證的可能性。對自己的IP執行AEC Q100測試並提供關鍵測試──例如加速環境壓力測試、加速生命週期模擬測試、晶片製造可靠性測試,以及電氣驗證測試等──報告的IP供應商,證明他們可以滿足汽車產業客戶提出的嚴苛可靠性要求。

而只有那些與領導級晶圓代工廠、半導體供應商和一級零組件供應商密切合作的IP供應商,才能幫助設計人員讓他們開發的SoC能支援ADAS應用的車規溫度與任務內容。

ISO/TS 16949品質管理標準

對於為ADAS SoC設計人員提供IP產品的IP供應商而言,另外一個十分關鍵焦點是滿足汽車產業的品質要求。ISO/TS 16949品質管理標準適用於產品開發流程,為汽車產品定義了品質度量指標;該標準定義了一個實現持續改善的品質管理系統開發,強調汽車產業供應鏈中的缺陷預防和一致性。

ISO/TS 16949品質管理標準適用生產客製化零組件的各種場所。支援汽車產品設計的設計中心和IP供應商,可以構成SoC設計/製造認證的一部分,但是無法獲得獨立的ISO/TS 16949認證。但因為SoC設計中心是整體ISO/TS 16949認證的一部分,所以選擇對必備開發流程、最佳實踐和品質規範擁有深刻理解並保證能完成和遵循開發流程的IP供應商,將可幫助設計工程師滿足車用等級需求。

德國汽車工業協會品質管理中心(VDA-QMC)判定,ISO/TS 16949認證是供應商進入汽車產業的入場券,VDA-QMC經理Heinz-Gunter Plegniere表示:「在超越一級/二級零組件供應商,並貫穿整個汽車產業的供應鏈上,對ISO/TS 16949標準的宣傳並不完整,可見得我們需要有所行動。」

需要滿足ISO/TS 16949標準要求的設計人員,可以選擇已經將其開發流程升級、且能為設計人員提供必備度量指標與證明材料的IP供應商,這些度量指標與證明材料包括品質手冊、產品管理流程(Product Management Process,PMP)、用於歸檔和記錄控制的程序、控制和檔案保存的證明材料,以及支援等級等。

總結

IP供應商在汽車產業供應鏈中扮演了關鍵的角色,他們使新一代高性能ADAS SoC得以實現。基於視覺的SoC可以包含大量的第三方IP,以實現關鍵的嵌入式視覺、感測器融合、多媒體、安全性和先進連結等功能。儘管IP供應商已經在消費性、行動、PC和通訊應用等領域進入了半導體產業生態系統,但並非所有的IP供應商都能夠支援嚴苛的車用等級要求。

隨著設計人員啟動其下一代ADAS SoC專案,他們必須評估IP供應商是否具備提供ISO 26262安全性方案包的能力,該方案包括ISO 26262認證、AECQ 100測試和ISO/TS 16949品質管理和認證。勇於承諾並擁有可以滿足汽車產業要求的資源的IP供應商,將有助於保證汽車SoC供應商、一級汽車零組件供應商和汽車原廠商的要求被成功滿足,利用28奈米和16/14奈米FinFET等目標製程技術達到ADAS SoC的功能性、性能、品質和可靠性等級。

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