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深入了解汽车系统级芯片SoC连载之一：汽车系统级芯片概览及AEC-Q100车规

2022-01-08 20:02:54·  来源：佐思汽车研究  作者：周彦武  
　
SoC，系统级芯片，汽车系统级SoC主要面向两个领域，一是座舱，二是智能驾驶，这两者的界限现在正变得越来越模糊。随着汽车电子架构的演进，新出现了网关SoC，典
SoC，系统级芯片，汽车系统级SoC主要面向两个领域，一是座舱，二是智能驾驶，这两者的界限现在正变得越来越模糊。随着汽车电子架构的演进，新出现了网关SoC，典型代表NXP的S32G274A。通常网关SoC不需要太强算力，不过S32G274A有4个Cortex-A53内核，达到低端座舱的水准。
英伟达Orin的内部框架图
图片来源：互联网
Orin是一个典型的智能驾驶SoC，包含存储管理、外围、CPU、GPU和加速器。CPU、GPU、AI加速器以及连接子系统的总线或片上网络(NoC)是SoC的核心，因此本连载将对应这四个部分分四个章节带大家深入了解汽车SoC。目录如下：
系统级芯片白皮书
第一章
汽车SoC定义与简介
1.1、汽车SoC定义
1.2、SoC设计流程
1.3、车规认证之AEC-Q100
1.4、AEC-Q100测试流程及说明
1.5、目前与未来常见座舱与智能驾驶SoC算力统计
1.6、汽车芯片代工
第二章
CPU微架构
2.1、ARM架构CPU
2.2、现代计算机运算架构
2.3、冯诺伊曼架构Von Neumann Architecture
2.4、哈佛架构 Harvard Architecture
2.5、CPU微架构
2.6、定点与浮点
2.7、缓存与TLB
2.8、超标量计算
2.9、超流水线Super Pipeline
2.10、乱序执行OoOE
2.11、重排序缓存ROB
2.12、分支预测
2.13、CISC与RISC
2.14、微操作μ-op与宏操作marco-op
2.15、发射与执行
2.16、特斯拉座舱用AMD Zen2 CPU微架构分析
2.17、汽车功能安全的关键：ARM的多核调度DSU
2.18、RISC-V
2.19、ARMHPC专用平台
2.20、FPGA
第三章

GPU微架构与实例

3.1、GPU概览
3.2、GPU物理架构
3.3、SIMD与SIMT
3.4、GPU的CPU开销即Draw Call驱动开销
3.5、GPU的图形处理逻辑管线
3.6、CUDA
3.7、ARMMALI GPU
3.8、ARMMALI-G710

第四章

AI加速器

4.1、机器学习基础
4.2、深度学习基础概念
4.3、AI加速器门槛最低
4.4、存储最重要
4.5、高通AI100 加速器
4.6、AI芯片的关键是封装

第五章

芯片内互联NoC与Die间互联

5.1、ARM的片上总线
5.2、NoC（Network on Chip）片上网络
5.3、为什么要用NoC
5.4、汽车SoC的NoC IP霸主供应商——Arteris
5.5、Chiplet小芯片
5.6、Chiplet接口标准
5.7、CCIX缓存一致性联盟
5.8、CXL联盟

1.1

汽车SoC定义

广义而言，汽车领域算力稍强（2K DMIPS以上）的MCU都可算是SoC。
平均每辆车23个SoC


图片来源：Arteris

上图是SoC IP供应商Arteris 的IPO材料，Arteris认为平均每辆车有23个SoC。
一个典型的SoC结构包括以下部分：
  • 至少一个微处理器(MPU)或数字信号处理器(DSP)，但也可以有多个处理器内核;
  • 存储器可以是RAM、ROM、EEPROM和闪存中的一种或多种;
  • 用于提供时间脉冲信号的振荡器和锁相环电路;
  • 由计数器和计时器、电源电路组成的外设;
  • 不同标准的连线接口，如USB、火线、以太网、通用异步收发和序列周边接口等;
  • 电压调理电路及稳压器。
1.2

SoC设计流程

SoC设计流程



图片来源：新思科技
一个完整的系统级芯片由硬件和软件两部分组成，其中软件用于控制硬件部分的微控制器、微处理器或数字信号处理器内核，以及外部设备和接口。系统级芯片的设计流程主要是其硬件和软件的协同设计。
由于系统级芯片的集成度越来越高，设计工程师必须尽可能采取可复用的设计思路。现今大部分SoC都使用预定义的IP核(包括软核、硬核和固核)，以可复用设计的方式来完成快速设计。在软件开发方面，协议栈是一个重要的概念，它用来驱动USB等行业标准接口。在硬件设计方面，设计人员通常使用EDA工具将已经设计好(或者购买)的IP核连接在一起，在一个集成开发环境(IDE)下集成各种子功能模块。
芯片设计在被送到晶圆厂进行流片生产之前，设计人员会采取不同方式对其逻辑功能进行验证。仿真与验证是SoC设计流程中最复杂、最耗时的环节，约占整个芯片开发周期的50%～80% ，采用先进的设计与仿真验证方法已成为SoC设计成功的关键。
1.3

车规认证之AEC-Q100

汽车电子委员会(AEC- Automotive Electronics Council)由克莱斯勒(Chrysler) 、福特(Ford) 和通用汽车公司(General Motors)成立，旨在制定电气元件的通用质量标准。第一版AEC标准是1994年推出的，100针对集成电路，101针对分离元件，102针对光电元件，104针对MCM模块，200针对被动元件。

AEC-Q100标准地位



图片来源：MPS
AEC-Q100是使用最广泛最基础的车规级标准，几乎是强制性的标准，功能安全不是强制性标准，只是建议性标准。
AEC-Q100 环境运行温度范围标准


图片来源：AEC委员会
温度范围是AEC-Q100核心标准之一。
AEC-Q100 关键测试类别包括：

1） AcceleratedEnvironment Stress （加速环境压力）
2） Accelerate LifetimeSimulation （加速寿命仿真）
3） Packaging/Assembly （封装/组装）
4） Die Fabrication （芯片制程）
5） ElectricalVerification （电气验证）
6） Defect Screening （不良品筛选）
7） Cavity PackageIntegrity （腔体封装完整性）

1.4

AEC-Q100测试流程及说明

AEC-Q100认证流程



图片来源：AEC委员会
AEC-Q100环境压力测试



图片来源：AEC委员会
AEC-Q100 加速寿命模拟测试



图片来源：AEC委员会
AEC-Q100封装完整性测试


图片来源：AEC委员会

最有意思的是D，没有测试标准和方法，主要是芯片制造领域的测试，可能是因为芯片制造领域变化太快或其他因素，因此AEC-Q100只提出了测试项，分别是电迁移即EM、经介质击穿TDDB、热载流子注入HCI、负偏压温度不稳定性NBTI、压力迁移SM。测试标准和方法是空白，AEC委员会附加说明The data, test method, calculations and internal criteria should beavailable to the user upon request for new technologies.意思就是用户看着办吧。
AEC-Q100电特性测试


图片来源：AEC委员会
AEC-Q100 F与G组测试

图片来源：AEC委员会
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