2024车载SoC芯片产业分析报告.pdf
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1、第 1 页车载 SoC 芯片产业分析报告第 2 页车载 SoC 芯片产业分析报告前言随着汽车智能化水平的提升,整车EE架构已经由以前的分布式ECU架构升级到集中式域控制器架构,并继续向中央集成式架构方向演进。在分布式ECU架构阶段,MCU是计算和控制的核心;在集中式域控制器架构阶段,传统MCU芯片已经无法满足大量异构数据的吞吐能力和更快的数据处理能力的需求,因此,数据传输效率更高、算力更大的SoC 芯片便成为域控制器主控芯片的必然选择。目前,车载 SoC 芯片主要面向两大应用领域:智能驾驶和智能座舱。虽然现阶段座舱 SoC 芯片和智驾 SoC 芯片尚处在独立发展阶段,但随着整车架构向更集中的跨
2、域融合架构演进,以及车企在架构设计和软件开发能力上的不断提升,智能座舱和智能驾驶的融合也将逐渐由上层应用融合过渡到下层的硬件融合。与此同时,车载 SoC 芯片也必然会随着两者融合的变化而进行迭代升级,届时,舱驾一体 SoC 甚至是中央计算 SoC 将逐渐成为市场的主流产品形态。在此背景下,焉知汽车推出车载 SoC 产业分析报告,从车载 SoC 芯片基本介绍、车载 SoC芯片产业链分析、车载 SoC 芯片应用趋势分析、车载 SoC 芯片行业竞争格局、国内外车载 SoC 芯片重点企业及产品布局等方面入手,综合分析车载 SoC 芯片的产业链发展现状及未来应用趋势,为行业研究和企业发展提供参考。由于时
3、间仓促,报告中难免会有疏漏和不足之处,敬请各位专家、同行、读者批评指正。第 3 页车载 SoC 芯片产业分析报告目录1.车载 SoC 芯片基本介绍.61.1 车载 SoC 芯片定义.61)基础定义.62)硬件构成.71.2 车载 SoC 芯片性能要求.81)重要参数指标.82)车规级要求.91.3 应用场景.101)智能座舱.102)智能驾驶.112.车载 SoC 芯片产业链分析.122.1 产业链结构图.122.2 上游产业分析.122.2.1 芯片 IP.122.2.2 EDA 工具.142.2.3 半导体原材料.162.2.4 半导体设备.172.3 中游产业分析.182.3.1 芯片设
4、计.182.3.2 晶圆制造.212.3.3 芯片封测.222.4 下游产业分析.23第 4 页车载 SoC 芯片产业分析报告2.4.1 车企 SoC 芯片布局.232.4.2 车企 SoC 芯片自研.243.车载 SoC 芯片应用趋势分析.253.1 智驾 SoC 芯片应用趋势.253.1.1 基于中小算力 SoC 芯片的前视一体机市场需求前景依然可观.253.1.2轻量级行泊一体域控-全时运行单 SoC 芯片方案将成为主流.263.1.3BEV+Transformer+OCC 驱动智驾 SoC 芯片向新架构方向演进.283.2 座舱 SoC 芯片应用趋势.303.2.1 舱内显示:一芯多屏
5、.303.2.2 舱内交互:多模态交互.323.2.3 舱驾融合:舱驾一体.333.3 车载 SoC 芯片选型.351)芯片平台的延续性.352)芯片的适配性.353)芯片的平台化设计.364)芯片的软件生态.375)芯片厂商的本土化服务.374.车载 SoC 芯片行业竞争格局.384.1 智能驾驶 SoC 芯片.384.1.1 市场需求.384.1.2 市场格局.404.2 智能座舱 SoC 芯片.414.2.1 市场需求.41第 5 页车载 SoC 芯片产业分析报告4.2.2 竞争格局.435.国内外重点企业及产品布局.445.1 国外芯片厂商.445.1.1 英伟达.445.12 德州仪
6、器.465.1.3 Mobileye.475.1.4 安霸半导体.495.1.5 高通.525.2 国内芯片厂商.545.2.1 地平线.545.2.2 黑芝麻.565.2.3 芯驰科技.575.2.4 杰发科技.595.2.5 芯擎科技.615.2.6 爱芯元智.635.2.7 联发科.62免责声明.64特别鸣谢.64第 6 页车载 SoC 芯片产业分析报告车载 SoC 芯片产业分析报告1.车载 SoC 芯片基本介绍1.1 车载 SoC 芯片定义随着汽车智能化水平的提升,整车EE架构已经由以前的分布式ECU架构升级到集中式域控制器架构,并继续向中央集成式架构方向演进。在分布式ECU架构阶段,
7、MCU是计算和控制的核心;在集中式域控制器架构阶段,传统MCU芯片已经无法满足大量异构数据的吞吐能力和更快的数据处理能力的需求,因此,数据传输效率更高、算力更大的SoC 芯片便成为域控制器主控芯片的必然选择。1)基础定义车规级计算芯片按集成规模可以分为MCU和SoC两类。其中,MCU也被称之为“单片机芯片”,内部集成有处理器、存储器、输入/输出接口和其他外设,常应用于控制任务简单、实时性较高的嵌入式系统。车载MCU常跑的操作系统有AUTOSAR CP和FreeRTOS,通常不支持运行高复杂度的操作系统。SoC芯片为系统级芯片,相比MCU,内部集成更多的异构处理单元,结构设计更为复杂,处理和计算
8、能力也更强,适用于多任务处理以及计算任务更复杂的应用场景。车载SoC可以跑更复杂的操作系统,包括QNX、Linux、Andriod和AUTOSAR AP等。MCU 与 SoC 内部结构对比示意图第 7 页车载 SoC 芯片产业分析报告2)硬件构成车载 SoC 芯片内部通常包括以下几大模块:处理器、存储器、外设 I/O 等。A.处理器 车载 SoC 芯片内部的处理器通常包括以下几种单元模块:通用逻辑运算单元:通常基于 CPU 来实现,主要负责一些逻辑运算任务,用于管理软硬件资源,完成任务调度和外部资源访问等,实现系统层面的功能逻辑、诊断逻辑以及影子模式数据挖掘功能等。一些典型的应用包括:基于优化
9、的决策规划算法、车辆控制算法等。AI 加速单元:通常是基于 NPU 这类的神经网络处理器来实现,承担大规模浮点数并行计算需求;作为神经网络算法的加速器,主要负责处理 AI 方面的计算需求。图像/视频处理单元:通常基于DSP、ISP、GPU等处理器来实现。ISP作为视觉处理芯片,其主要功能是对摄像头输出的图像信号做调校,包括 AE(自动曝光)、AF(自动对焦)、AWB(自动白平衡)、图像去噪等;DSP是一种具有特殊结构的微处理器,相比于通用CPU,它更适用于计算密集度高的处理工作,典型的应用包括:传统的CV图像处理、一些自定义算子的加速处理等;GPU具有较强的浮点运算能力,主要用于图像的 3D渲
10、染和拼接等应用。硬件安全模块HSM:用于为应用程序提供加解密服务,管理敏感信息和资产,保护加密密钥等。Satety MCU:主要用于实时监控 SoC 内部各硬件模块的状态和通信,以及在其出现问题后能够及时报错,进而确保整个系统的功能安全性。A.内部存储器:包括易失性存储器和非易失性存储器两大类。易失性存储器:存储器在断电的情况下(比如,系统正常关闭或意外关闭时),数据会丢失,即无法继续保留存储数据。它主要用于临时存储正在处理的程序和数据,车载 SoC 内部常用的存储器类型包括 SRAM 和 DRAM(DDR,LPDDR 等)等。非易失性存储器:在断电情况下,依然能够保存存储数据。它主要是用来存
11、放固定数据、固件程序等一般不需要经常改动的数据。车载 SoC 内部常用的存储器类型包括 NAND Flash(eMMC、UFS 等)和 Nor Flash 等。B.外设 I/O:包括通用数据接口、摄像头信号接口、音频接口和显示器接口等。通用的数据接口:PCIe、LVDS、USB、SATA、CAN/CAN-FD、以太网等摄像头信号接口:MIPI-CSI-2、GMSL、FPD Link等音频接口:I2S、TDM、SPDIP等显示器接口:DP、HDMI等第 8 页车载 SoC 芯片产业分析报告1.2 车载 SoC 芯片性能要求1)重要参数指标衡量车载 SoC 芯片的性能,需要从 AI 算力、CPU
12、算力、GPU 算力、存储带宽、功耗、制造工艺等多个维度进行综合考量。a.AI 算力:通常是指 MAC 指令(乘积累加)的运算能力。MAC 指令操作本身与数据类型强相关,在不同数据精度条件下,测出的 AI 算力会存在比较大的差别。企业平时宣称的算力一般是指该芯片运算能力的理论峰值,单位用 TOPS 来表示,一般默认是以 Int8 作为算力量化标准。但我们也不能只看表面的理论算力数值。在特定使用场景下,大家更关心的是芯片真正的有效算力是多少,即芯片的“算力利用率”。以智能驾驶应用为例,SoC 芯片的实际算力利用率会因为图片分辨率、网络结构差异等原因而有所不同。b.存储带宽:数据在处理过程中需要不断
13、地从存储器单元“读”数据到处理器单元中,处理完之后再将结果“写”回存储器单元。数据在存储器与处理器之间的频繁迁移将带来严重的传输功耗问题。有业内人士提出,AI 运算 90%的功耗和延迟都是由于数据搬运产生的。芯片的存储带宽由两方面决定,一是存储器本身,二是芯片的内存通道数。存储带宽的大小决定数据搬运速度的快慢和搬运次数的多少。因此,存储系统带宽的大小在一定程度上也决定了芯片真实算力的大小。芯片型号内存类型内存位宽(bit)内存总带宽(GB/s)特斯拉第一代 FSDLPDDR412834第二代 FSDGDD R6256(推测)448(推测)英伟达XavierLPDDR4x256137OrinLP
14、DDR5256204.8地平线J5LPDDR4x64高通SA8155PLPDDR4x25668SA8295PLPDDR4x256137常见芯片存储带宽信息梳理(信息来源:佐思汽车研究、公开资料整理)c.功耗:包括动态功耗和静态功耗。动态功耗是因为信号值改变带来的功耗损失,由两部分组成:开关功耗和内部功耗。静态功耗是设备还在上电状态但是没有信号值改变时消耗的功率。芯片的功耗与硬件架构、布局布线、工艺制程、算力大小等因素都有关系。其它条件相同的情况下,采用的工艺制程越先进,芯片的功耗就越低;同理,算力越大的芯片,功耗也会越大。功耗过大意味着会产生更大的散热,可能必需安装水冷系统,从而增加整体 BO
15、M 成本。第 9 页车载 SoC 芯片产业分析报告2)车规级要求按照日常生活中的应用场景进行划分,芯片大致可分为消费级、工业级、车规级三大类。应用场景不同,芯片在设计、生产、认证等环节的目标设定和实现手段上都会存在区别。相比于消费级和工业级,车规级芯片的工作环境更恶劣、出错容忍率更低、使用寿命要求更长、供货生命周期更久等等。不同应用领域芯片的基本性能要求对比(信息来源:公开资料整理)整体来看,车规级芯片具有高可靠性、高安全性和高稳定性的特点。车载芯片需要经过一系列严格的测试认证,确保其达到车规级的相关要求,方可投入到量产。芯片车规认证标准通常包括以下三个维度的管控:质量管理体系认证 IATF1
16、6949、可靠性标准 AEC-Q100 和功能安全标准 ISO 26262。IATF16949 是汽车设计、开发和生产质量管理体系的标准规范。在内容上涵盖:产品安全、风险管理和应急计划、嵌入式软件要求、变更和质保管理和二级供应商管理。对于车载芯片产品,从芯片设计到流片,再到规模化生产都需要遵循这套管理体系。AEC-Q100 是车规级元器件通用的可靠性测试标准,也是汽车行业零部件供应商生产的重要参考指南。2023 年 8 月,AEC 发布了 AEC-Q100 的 J 版测试认证标准文件,也是目前芯片公司开展 AEC-Q100 测试认证所沿用的最新标准要求。它包括了 7 大项测试内容:加速环境应力
17、测试、加速寿命测试、封装检验测试、晶圆可靠度验证、电气特性验证、缺陷筛选测试和腔体封装完整性测试。ISO 26262 是一项专门针对汽车电子系统的功能安全性制定的国际标准。该标准涵盖了芯片的全生命周期的功能安全要求,包括项目需求规划、设计、晶圆制造,最后到封装测试的全过程。旨在降低芯片在使用中发生故障的风险,以确保这些安全关键型设备符合在汽车中使用的要求。第 10 页车载 SoC 芯片产业分析报告1.3 应用场景目前,车载 SoC 芯片主要面向两大应用领域:智能驾驶和智能座舱。虽然现阶段座舱 SoC 芯片和智驾 SoC 芯片尚处在独立发展阶段,但随着整车架构向更集中的跨域融合架构演进,以及车企
18、在架构设计和软件开发能力上的不断提升,智能座舱和智能驾驶的融合也将逐渐由上层应用融合过渡到下层的硬件融合。与此同时,车载 SoC 芯片也必然会随着两者融合的变化而进行迭代升级,届时,舱驾一体 SoC 甚至是中央计算 SoC 将逐渐成为市场的主流产品形态。1)智能座舱智能座舱是指在传统电子座舱的基础上进行了升级,使得乘坐体验和交互体验更加智能化。通常,智能座舱可以实现:车载信息娱乐系统全液晶仪表系统+抬头显示系统(HUD)+流媒体后视镜(CMS)+车联网系统+车内乘员监控系统(DMS/OMS)等一系列复杂功能。这些功能的实现不仅需要车载计算芯片具备强大的 CPU 算力来提高任务处理能力,也需要更
19、强的 GPU 算力来处理视频、图片等非结构化数据,还需要较大的 AI 算力来满足越来越智能化的人机交互体验需求。智能座舱功能实现(图片来源:公开网络)然而,传统的 MCU 芯片已经难以满足智能座舱在各类型算力上的需求,智能座舱控制器所使用的主控芯片已经开始从 MCU 向具有更高集成度、更高算力的 SoC 芯片转变。座舱 SoC 芯片的性能决定了座舱域控制器的数据处理能力、图像渲染能力,从而决定了座舱内屏显数量、分辨率、运行流畅度,舱内交互体验,以及能够整合多少 ADAS 功能。当前,智能座舱的应用场景趋势如下:舱内显示:在电子座舱时代,座舱内是小尺寸中控显示屏和物理指针式的仪表盘,现在座舱的中
20、控屏和仪表盘基本都是全液晶数字化大屏,甚至,有的高端座舱还增加有 AR-HUD、流媒体显示屏、后排娱乐屏等,总之,车内显示屏幕呈现多屏化、大屏化和高清化。userid:520426,docid:166114,date:2024-06-28,第 11 页车载 SoC 芯片产业分析报告舱内交互:舱内的交互方式变得多样化,传统电子座舱基本是通过物理按键进行交互,现在舱内物理实体按键越来越少,触控式按键、语音交互、手势控制等多模态的交互方式成为主流。舱驾融合:座舱和智驾原来基本是相互独立的两个部分,现在座舱和智驾之间的融合越来越多,正逐步由“舱泊一体”向“舱驾一体”演进。2)智能驾驶智能驾驶按功能体系
21、应用,通常可分为行车和泊车两大类应用场景。在行车场景下,最开始是采用前视一体机或毫米波雷达模块来实现 L1 等级的基础 ADAS 功能,比如,a.前视一体机:实现车道偏离预警 LKW、车道居中保持 LKA、交通标识识别 TSR 等功能;b.前置毫米波雷达:实现前向碰撞预警 FCW、自适应巡航控制 ACC、车辆自动紧急制动 AEB 等功能;c.角毫米波雷达:实现盲区检测BSD、变道辅助LCA以及前/后方横向来车碰撞预警FCTA/RCTA等功能。在上述行车场景应用中,控制芯片一般是放置在传感器内部。再往后发展,随着车载 SoC 芯片集成的异构资源日渐丰富,以及核心处理器 CPU/GPU/NPU 算
22、力的大幅提升,传感器中的控制芯片逐渐被剥离出来,集成到独立的控制器中去完成任务。并且,出现了一些 SoC 芯片能够独立完成行车和泊车的传感器数据处理、数据融合等软件算法,即所谓的单 SoC 行泊一体方案。泊车场景最开始是采用超声波雷达,也称为“倒车防撞雷达”,用于泊车时的防撞提醒。后来,泊车场景中引入摄像头,用于实现倒车影像功能。再往后发展,倒车后视升级到 360全景环视,通过拼接算法对 4 颗环视摄像头分别输出局部图像进行拼接,最后将拼接好的鸟瞰图传输到中控屏上进行显示。泊车场景中,泊车算法的集成形式主要有以下几种:不带 APA,只有 AVM 功能,泊车算法集成到车机。带 APA 和 AVM
23、 功能,泊车算法集成到独立的泊车控制器。带 APA 和 AVM 功能,并且配置有座舱域控制器,则泊车算法集成到座舱域控制器。除了带 APA 和 AVM 功能外,还带有 HPA 以及 AVP 等功能安全要求比较高的泊车功能,则泊车算法集成到智能驾驶域控制器。第一种和第三种形式是直接集成到座舱了,这里便不再展开来讲。第二种形式正在逐渐消失,在国内刚开始流行的时候,主机厂的主流方案是基于 TDA2 等小算力 SoC 芯片来完成。对于第四种形式,智驾域控制器的芯片方案通常为:n*SoC+MCU 的形式。第 12 页车载 SoC 芯片产业分析报告2.车载 SoC 芯片产业链分析2.1 产业链结构图车载
24、SoC 芯片的整个产业链可梳理为:上游:IP 核授权和 EDA 软件等设计工具厂商、半导体材料以及设备厂商中游:芯片设计、晶圆制造以及封装测试厂商下游:Tier1 和主机厂车载 SOC 芯片产业链结构示意图2.2 上游产业分析芯片设计企业的上游主要包括:IP 核授权和 EDA 软件等设计工具厂商,这些设计工具厂商能够赋能芯片设计厂商,助力其加快芯片的开发周期和上市时间;晶圆制造和封测企业的上游主要包括:EDA 软件、半导体材料以及半导体设备厂商。2.2.1 芯片 IP1)什么是芯片 IP芯片 IP 是由专门的公司针对特定功能需求而开发的、标准的芯片功能模块,特点是经过验证的、成熟可靠的、可重复
25、使用的标准化产品。它的作用在于能够帮助芯片设计公司提升设计效率,缩短开发周期,同时还能降低设计风险、设计成本和开发难度。第 13 页车载 SoC 芯片产业分析报告一款 SoC 芯片的内部通常都是由不同的功能模块构成。高重复度使用的功能模块就会被设计成标准的“积木”模块-芯片 IP。这样,芯片设计公司在做 SoC 芯片设计的时候,对于一些高度标准化的功能模块,可以通过 IP 授权的方式,直接购买一些现成的、合适的“积木”模块进行组合设计。2)芯片 IP 的分类在做车载 SoC 芯片设计的时候,芯片设计公司会根据不同的系统规格和应用场景,采用不同类型的 IP 进行组合设计。通常情况下,汽车芯片 I
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