国产智能汽车芯片的“命门”_国产车载人工智能芯片

本文通过分析汽车行业结构的剧变，以及汽车智能化发展的新要求，阐述未来核心半导体IP将如何解决汽车核心芯片目前所面临的的挑战，推动汽车行业智能化发展。

主机厂和芯片厂的协同效应将加速汽车智能化进程

过去，国内主机厂（OEM）都严重依赖国际一线的一级供应商（Tier1）提供软硬件整体方案。随着智能化的发展，新兴技术的引入和商业化应用场景的变化将会造成汽车行业整个产业结构的剧变。这就对OEM厂商在未来提出了更高的要求，即在核心技术上能够穿透Tier1掌握核心技术产品的局面；同时具有自顶向下的系统定义、分解和开发的能力。目前最好的方式就是直接与核心技术供应商建立紧密的合作关系。

作为智能汽车的大脑，汽车核心处理器毫无疑问是主机厂战略布局与合作的核心，从近些年的投资并购案中就能看到汽车核心处理器对整车电子架构的重要性：

传统主机厂一般通过战略投资及合作的方式，与芯片厂商直接合作。

• 宝马在2018年投资了英国人工智能芯片硬件设计初创公司Graphcore。
• 奥迪与三星电子达成合作协议，从2018年开始，三星电子向奥迪供应无人驾驶所需的Exynos处理器。
• 上汽集团先后宣布与Mobileye、英飞凌、华为、英伟达、高通等国际芯片巨头开启战略合作，并投资AI芯片技术公司地平线(Horizon Robotics)。
• 2019年7月，吉利投资的ECARX（亿咖通科技）公布了新款E系列芯片并向全球展示吉利博越PRO车型。

造车新势力在与传统主机厂竞争中，将芯片视为核心竞争力。

• 特斯拉：早在2016年就着手组建芯片研发团队，并于三年后推出自研芯片FSD。马斯克曾说，自研芯片是一家成立时间较短的公司能够在短时间内构建竞争优势的武器，从而可与传统汽车制造商在自动驾驶时代展开竞争。
• 零跑：2018年亚洲消费电子展（CES Asia 2018）上，零跑汽车宣布与大华股份联手研发的首款国产AI自动驾驶芯片“凌芯01”已进入集成验证阶段。

另外，国际芯片大厂也主动寻求与主机厂合作。

• 英伟达：早在2018年就宣布与多达320家合作伙伴在自动驾驶领域进行合作，其中包括梅赛德斯-奔驰、沃尔沃、丰田、奥迪等车厂。
• Mobileye在传统优势领域继续抢单，在过去的一年里，Mobileye已经从16家主机厂和5家一级供应商那里获得了20个新项目订单，覆盖78款车型。

汽车核心处理器设计面临四个方面的关键挑战：计算能力、低功耗、可靠性、和安全性。在中国汽车电子领域，NXP、英飞凌、瑞萨、TI和ST等跨国芯片公司占据了绝大部分市场份额。中国的芯片公司在这个领域仍仅仅局限于后装市场，目前还没有符合ISO26262功能安全要求和AEC-Q100汽车电子质量和可靠性规范的汽车核心处理器产品。

半导体IP是解决以上四个挑战的关键环节。在全球半导体产业的金字塔上，IP处于价值链的最顶端，IP产品直接决定了SoC的性能、功耗、可靠性、安全性甚至产品迭代周期。比如 PowerVR汽车解决方案基于软硬件IP提供了一个完整的产品包，包括五大基本元素：硬件IP、软件、工具、文档和长期的技术支持，可以帮助开发人员设计出满足系统级ISO 26262标准中定义的汽车安全完整性级别（ASIL）要求的SoC。

 

                

                                                                              来源：Imagination

 

一些市场信息也印证了汽车智能化对半导体IP的迅猛需求，据Markets and Markets预测，到2024年，半导体IP市场将从2017年的47亿美元增长到65亿美元，期间的复合年增长率（CAGR）为4.8％。报告指出，在预测期内，处理器IP市场将占据最大的市场份额，其中汽车半导体IP市场将以最高复合年增长率增长。按照地区分类，亚太地区有望继续领导半导体IP市场，并且有望成为增长最快的地区。

可以预见，在汽车制造商和芯片公司的协同效应下，OEM是高级别智能汽车的主导者，芯片厂商作为Tier1.5与OEM的合作会愈发紧密，而核心半导体IP厂商将成为汽车智能计算技术的驱动力量。

半导体核心IP如何推动智能化快速发展?

“软件定义汽车”（Software Defined Vehicle，SDV）是汽车行业智能化发展重要趋势。软件带动着汽车技术的革新，引领着汽车产品差异化发展潮流，正逐渐成为汽车信息化、智能化发展的基础和核心。《软件和信息技术服务业发展规划（2016-2020年）》提出，以数据驱动的“软件定义”正在成为融合应用的显著特征，通过软件定义硬件、软件定义存储、软件定义网络、软件定义系统等，带来更多的新产品、新服务和模式创新，催生新的业态和经济增长点。

▪ 软件定义汽车 – 计算平台的标准化

汽车电子整合的趋势愈发明显，目前中/低阶车款所含的ECU约有30个，高阶车款则可能高达100个。未来会通过“超级计算机”来代替众多的ECU，但也会对系统软硬件的设计提出更高的挑战，尤其是以人工智能为核心的软件技术的快速发展会使系统级功能安全的复杂度更高。软硬件标准化、模块间解耦成为未来计算平台架构的发展趋势。

                                  

                                                                                图表来源：博世

 

▪ 软件平台化：
基于AutoSAR、Hypervisor等分层软件架构，可使系统厂商的分发成本降低。软件厂商会持续推动架构的演进、算法创新和用户体验升级，并通过无线方式（OTA）更新软件。

▪ 硬件标准化：
形成通用化平台，芯片厂商提供通用的标准接口减少软件适配难度。另外，一旦硬件上车，要充分挖掘硬件潜力，支持软件功能升级，这就要求芯片厂商提供强大的工具链，不但支持灵活的量化手段，更能对神经网络在计算核上细粒度的拆分和任务调度进行支持。

作为传统IP厂商，Imagination不但提供完全标准化的接口，更是积极参与标准化组织工作。近日宣称已为其汽车图形处理器（GPU）开发全新的OpenGL® SC（Safety-Critical，安全关键）2.0驱动程序，使整车厂（OEM）和一级供应商（Tier 1）在数字仪表盘、刻度盘、仪表集群、驾驶舱域控制器、环视显示器和先进驾驶辅助系统（ADAS）等汽车应用中，GPU可以在新增的保护层下运行。

                                

                                                                             来源：Imagination

 

Khronos® Group的OpenGL、OpenGL ES和OpenGL SC工作组主席Piers Daniell说道：“OpenGL SC工作组很高兴Imagination Technologies正在开发安全关键型OpenGL SC 2.0驱动程序。通过OpenGL SC 2.0 API，Khronos进一步提高了安全关键环境中的计算机图形质量和性能。改进的图形增强了我们用来解决复杂问题的人机界面，同时保证了我们的安全。Imagination正在将这项至关重要的技术带给比以往任何时候都更需要安全关键可视化功能的市场。”

此外，Imagination的PowerVR NNA（AI神经网络加速器）IP基本支持所有主流神经网络，包括卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）和SSD物体检测框架；对神经网络框架也有很好的支持，包括Caffe，TensorFlow和ONNX。尤其在工具链方面，PowerVR NDK工具可充分赋能应用开发者，使其能够了解神经网络运行的瓶颈，进而通过量化、网络层级别的拆分等手段深入优化、最大化硬件性能。

           

 

                                                                                     来源：Imagination

 

▪ 软件定义汽车 – 软硬协同设计

对于智能驾舱乃至自动驾驶等汽车智能应用来说，都是一个复杂的系统工程，由算法、软件、架构、硬件等多个环节组成。在行业落地初期，为了解决芯片性能/功耗的问题，出现了由场景驱动、软硬协同的设计方法。这样做的好处是可以最大程度发挥芯片在特定场景下的能力，即 MAC的有效利用率。但软件定义硬件，不是对硬件架构的破坏性创新，而是同样需要保证硬件的标准化，否则软件架构升级将面临较大风险。

基于IP级别的定制化，是当前软件定义硬件趋势下成本和风险最低的落地途径。PowerVR NNA系列IP不但可以支持客户定义RAM的大小，进行网络层之间数据位宽的动态配置，通过新的Operator等最大程度满足系统定制要求，还具有很好的扩展性。

              

                                                                               来源：Imagination

 

▪ 缩短从IP到量产上车的产品周期

从一般的产品流程看，复杂芯片从设计到生产，最后实现整车集成，至少需要6-8年的时间，期间需要经过芯片设计、芯片流片、系统级设计验证（DV）、系统级产品验证(PV)、工程样本EP, 直至量产阶段。而一旦选定芯片供应商，车厂则需要保证至少10年左右的稳定供货期。汽车和芯片行业的特点，决定了汽车芯片产业格局具有封闭性和稳定性。对于半导体公司来说，量产上车是汽车芯片最重要的里程碑，也是检验芯片企业产品化能力的试金石。只有量产上车才有后续的升级和服务的可能。

即使产业链升级，更多的Tier2、Tier3直接参与到与OEM的合作，也并没有缩短芯片的上车周期。结果是量产车型的处理器架构通常是6年前的旧架构，而软件算法的发展日新月异，造成了软件升级和用户体验升级的困难。例如，高通在CES 2019上发布了第3代骁龙汽车数字座舱平台，而这套方案的基础芯片是2016年发布的高通骁龙820A平台，而且这套方案预计的最快上市时间是2020年。

一款芯片从IP购买、前端设计、后端设计到流片等费用合计起来非常高昂，对汽车这种大部件、低数量的行业来说，其实并不划算。只有靠供应链的垂直整合打通从半导体IP到整车电子架构的技术通路，才能加快技术迭代，提高自主掌控权，持续维持产品的竞争力。

试想如果主机厂和芯片厂商、IP厂商一起在IP/芯片演进的过程中就可以明确未来量产车型需求，准确定义芯片能力，把控量产周期，那就能真正衔接好从IP到量产上车的每一个阶段。

PowerVR IP在国内汽车市场的机遇

在过去的10年间，双A（ARM+Android）驱动了智能手机行业的快速发展。半导体IP巨头ARM通过IP授权和生态建设，成就了高通、MTK和三星等半导体巨头的快速崛起。今天，智能汽车作为最大的智能硬件设备，吸收和借鉴了很多智能手机技术，比如智能操作系统、FOTA、实时导航、语音交互等。可以预见，电动化、智能化、网联化和共享化将会给汽车这个万亿级产业带来巨大的冲击和变革，整个产业链和生态系统都将进行重构。

同样地，作为IP厂商Imagination今年与北汽牵手开拓了整车企业与核心IP厂商合作的新模式，有望打造车规级芯片高地，加速车载芯片的国产替代进程。合资公司将专注于面向自动驾驶的应用处理器和面向智能驾舱的语音交互芯片研发，借助Imagination公司世界领先的汽车IP、北汽集团的整车制造生态优势，以及管理团队的丰富行业经验，打通从IP到芯片再到整车的全产业链布局。

正如北汽方面表示：“Imagination与北汽产投的合作对中国汽车行业而言是个利好消息。它使中国OEM拥有创建自主可控且行业领先的SoC的自由度和灵活性。合资产生的股权纽带关系，也为新技术在中国汽车行业实现产业落地提供了便利条件，有利于消除对进口技术的依赖，进而有助于国内OEM在与全球对手的竞争中获得领先优势。”

“同样的，此次合作对中国半导体行业尤其是汽车芯片厂商也是个利好消息，只有核心IP产品的演进与汽车行业应用紧密结合，才能让Imagination的汽车IP更加贴近中国汽车产业智能化需求，我们的芯片厂商客户才能设计出更符合中国市场的SoC，最终帮助本土SoC厂商解决上车难的问题。” Imagination公司中国区总裁刘国军评论这次合作。回顾过去ARM+Android在手机时代的作用，期待Imagination联合国内主机厂一起在汽车智能化过程中，以人工智能技术为牵引在汽车产业链的两端发挥双轮驱动作用，帮助本土汽车芯片厂商快速崛起。