下一代汽車電子電氣架構需要複雜的集中式運算單元來應對日益增長的功能需求。融合晶片（Fusion chips）和基於芯粒（chiplet-based）的設計是潛在的推動因素。軟體定義汽車(SDV) 的下一代電氣/電子(E/E) 架構正在向集中化發展。麥肯錫分析估計，到2032 年，全球生產的所有汽車中30% 將採用具有區域控制器的E/E 架構（圖1）。對於半導體產業來說，重要的是，這種轉變將需要集中的高效能運算單元。

在未來十年內，汽車微元件和邏輯半導體市場預計將在2032 年成長到600 億美元。預計整個汽車半導體市場將在同一時期內從600 億美元成長到1,400 億美元。其10% 的複合年增長率超過了半導體市場的所有其他垂直市場。

集中式高效能運算單元通常為進階駕駛輔助系統(ADAS) 或未來的自動駕駛(AD) 提供功能，以及資訊娛樂和車輛運動任務。兩種原型——獨立的、特定領域的運算單元和跨領域的中央運算單元——將主導下一代E/E 架構（圖2）。根據這種性質，OEM 和一級供應商可以透過不同的方式實現集中式運算單元，例如透過基於機架的設定、具有多個晶片的印刷電路板(PCB) 或用於多個域的融合晶片.

在所有情況下，選擇最高效的底層系統單晶片(SoC) 或系統級封裝(SiP) 至關重要，原因如下：

首先，SoC 和SiP 實現了自動駕駛汽車所需的基本計算（例如，透過實現識別其他車輛和交通參與者的感知功能），此外還提供尖端的資訊娛樂服務並支援生成式人工智慧(gen AI)用例（例如，用於車載助理）。

其次，SoC 和SiP 是成本的主要驅動因素，並且極大地影響了整體物料清單(BOM)。最後，它們的功耗可能在確保車輛節能運作方面發揮作用，這對於向電池電動車(BEV) 的過渡尤其重要。

因此，汽車OEM 高度投入，不斷提高運算能力和效率。於是，ADAS/AD 和資訊娛樂領域的兩個新興趨勢在即將到來的E/E 架構的概念階段獲得了關注：融合晶片和基於芯粒的晶片設計。

本文將討論融合晶片和基於芯粒的晶片設計作為未來E/E 架構中集中運算的推動因素，並討論為什麼它們成為首席技術長在製定有關集中運算的策略決策時的重要因素。

透過融合晶片推進ADAS/AD 和資訊娛樂領域的集中運算

融合晶片可被視為提高SDV 功能和運算整合的合理下一步。也就是說，融合晶片將資訊娛樂和ADAS/AD 的功能合併到一塊矽片上，形成一個單一的「融合」晶片。

乍一看，這種整合的技術要求似乎很合理。如今，ADAS/AD 和資訊娛樂領域都需要最先進的多核心中央處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)、AI 加速器和數位訊號處理器，並且這兩個領域都旨在以非常小的節點尺寸（即小於10 奈米）實現，以提高運算能力和能源效率。同時，這種整合的幾個面向揭示了這兩個領域的差異：

雖然資訊娛樂領域有一些與功能安全相關的應用（例如，支援駕駛艙叢集），但在ADAS/AD 領域，對汽車安全完整性等級B (ASIL-B) 和ASIL-D 功能安全合規性的需求更為明顯，因為該領域必須執行許多即時關鍵功能（例如，執行器控制任務）。純粹基於安全島的方法在這裡可能不夠，因為資訊娛樂通常採用這種方法。

在ADAS/AD 領域，對硬體/軟體(HW/SW) 進行緊密協同設計的需求尤其明顯，以便為實現感知元素的特定神經網路架構（例如捲積神經網路和變壓器）優化計算硬體（例如AI 加速器）。

在過去的兩年中，儘管融合晶片設計面臨著許多挑戰，但無晶圓廠半導體廠商和新進業者已經將這個理論想法變成了現實。此外，幾家一級供應商已經展示了使用融合晶片的運算單元設計，並在SDV 環境下宣揚其優勢。

透過使用融合晶片，OEM 可以減少實體運算單元的總數，並進一步簡化運算邏輯的整體整合和整合。例如，這種方法對於在整個車輛生命週期中促進無線(OTA) 更新至關重要，這是SDV 的關鍵推動因素。此外，OEM 可以簡化資訊娛樂和ADAS/AD 領域的工具鏈和開發框架，從長遠來看具有預期的成本優勢。

麥肯錫與全球半導體聯盟（GSA）合作，對整個汽車半導體價值鏈的利害關係人進行了調查。受訪者表示，便利的開發模式（如開發環境和工具鏈）和成本原因（如節省智慧財產權和封裝成本）是他們決定採用結合ADAS/AD 和資訊娛樂功能的融合晶片的首要因素（分別為28% 和57%）。

同時，向融合晶片的過渡也將帶來一些挑戰。首先，融合晶片需要更高的技術複雜性（例如，驗證工作）才能確保不受干擾，這是因為資訊娛樂和ADAS/AD 必須分開，並且一個域的任何計算要求都不能幹擾另一個域。此外，在資訊娛樂和ADAS 域之間的協調需求方面，組織負擔將增加。

二是滿足L3以上自動駕駛系統的冗餘度要求的問題。 L3級系統需要有條件自動駕駛、計算冗餘、執行器（煞車和轉向）和電源。當資訊娛樂和ADAS/AD 的運算功能組合到一個高度整合的晶片上時，可能不需要部署第二個晶片，因為在主晶片發生故障的情況下，資訊娛樂域不需要額外的運算能力。在這種情況下，部署第二個晶片可能會產生開銷。

額外的挑戰在於，由於相關的功能安全要求，電磁相容性(EMC) 的一致性要求更加複雜；單獨優化的可能性有限，例如功能安全要求和專用加速器；以及失去為兩個領域選擇最佳供應商的能力和更高的鎖定效應。

在調查中，參與者也指出，採用融合SoC 面臨的三大挑戰是確保不受干擾（33%）、處理組織原因（25%），以及解決ADAS/AD 的冗餘要求（19%）。運算能力方面的可擴展性以及物理和製造難度（分別有13% 和10%）被認為挑戰性較小。

考慮到更高等級自動駕駛的冗餘要求，融合晶片可能是一種特別可行的解決方案，適用於針對L0 到L2 應用（例如自適應巡航控制[ACC]、車道偏離警告[LDW] 和自動緊急煞車[AEB]）的部署場景，而不是針對L3 及以上應用（例如放手和放眼場景）的場景，尤其是在2030 年之前。此外，融合SoC 可能會接管兩個領域之間的功能，例如駕駛員監控和乘員檢測——鑑於歐洲即將出台的新車評估計劃(NCAP) 法規，這些領域變得越來越重要。

在資訊娛樂方面，融合晶片非常適合控制廣泛的功能，例如駕駛艙集群、中央堆疊和乘客顯示器、擴增實境顯示器、環視停車、後座娛樂和電子後視鏡。

根據最近的公開公告，針對系列車輛的融合晶片預計將在2026 年至2027 年期間首次部署，主要採用者是注重成本效益的批量原始設備製造商以及技術遺產有限且對技術創新更開放的顛覆者。

採用Chiplet進行汽車客製化晶片設計

從廣義上講，「chiplet」是指一種先進的封裝形式—即用於增強半導體裝置性能、功能和整合的創新技術，超越了傳統的封裝方法。晶片組架構代表了半導體設計的典範轉移，能夠將多個專用晶片模組化整合到一個封裝中。晶片組允許OEM 為每個子組件選擇最佳技術解決方案，這突顯出並非所有組件都需要在尖端節點尺寸上製造。因此，在專用ADAS/AD 和資訊娛樂晶片以及融合晶片中都可以使用基於晶片組的設計。

由於實現了靈活性，人們甚至可以考慮在整體晶片設計為支援不同運算負載（例如，透過使用專用CPU 晶片）的情況下使用晶片。因此，區域控制器也可能構成一個有趣的應用領域，因為它們的計算要求因原型而異（例如，簡單的輸入/輸出聚合器與成熟的計算單元）。

現代晶片的所有功能（例如CPU、記憶體、AI 加速器、串列器和反串行器）並非都整合在一塊矽片上，而是使用最適合應用且經濟可行的技術節點大小分別實現晶片組的各個組件（圖3）。這意味著CPU 和加速器子系統可能採用可用的最小節點大小，而其他功能可能在更大的節點大小上實現。為了確保單獨製造的組件仍能協同工作，需要一個通用介面標準，例如通用晶片組互連標準(UCIe)。如後文所述，許多創建這些標準的努力正在進行中。

在汽車領域，專家最常提到基於芯粒的晶片設計的兩個優點：

整體晶片尺寸減小。使用芯粒可避免單片設計方法增加晶片尺寸（面積）。在過去五年中，複雜晶片的晶片面積不斷增大，幾乎達到極紫外光刻的掩模版極限，即858 平方毫米。對於資料中心使用的GPU，這個問題變得特別突出，因為更大的晶片尺寸允許容納更多電晶體，從而可以增強運算能力和處理能力。請記住，製程的良率受缺陷密度（單位面積缺陷數量）的限制，較大的晶片更有可能包含一個或多個缺陷，因為它們覆蓋的面積較大。即使一個缺陷也會導致晶片無法正常工作。長遠來看，較小的晶片尺寸可以提高良率，從而降低成本。

雖然這種效應是芯粒的重要優勢，但汽車晶片預計在2030 年代中期之前不會達到這樣的尺寸。相反，對於汽車垂直產業來說，樂高原（Lego principle）則更為重要。

樂高原則（或由標準實現的模組化晶片設計）允許汽車OEM 混合搭配現有設計池或庫中的組件，以滿足其特定需求。此原則的好處包括能夠重複使用組件。由於汽車產業的製造量低於其他細分市場（例如，每年汽車產量接近1 億輛，而智慧型手機出貨量接近15 億部），因此客製化重複使用組件將提高目標晶片設計的成本效率。其他好處包括加快新晶片的上市時間，透過選擇真正需要的組件來提高可擴展性，以及為加速器等專用晶片提供更多供應商選擇。

調查顯示，汽車半導體價值鏈中的大部分受訪者（61%）表示，透過混合搭配或樂高原理設計最佳晶片的靈活性是業界採用芯粒的主要動機。降低總營運成本和提高單一IP 組件的產量被視為基於芯粒的設計的重要優勢，但影響較小（19%）。

生態系對於Chiplet 的成功至關重要。這些生態系統促進了標準化，並創造了一個鼓勵Chiplet 在不同垂直產業（例如資料中心和汽車）中採用的環境。

UCIe 標準是標準化領域最重要的進展之一。自2022 年3 月發布第一個標準(UCIe 1.0) 以來，我們成立了一個汽車工作小組，為標準的修訂做出了針對汽車的貢獻。

除了標準化之外，新興生態系統在促進其採用方面也發揮作用。例如，由獨立奈米電子研發中心Imec 贊助的汽車芯粒聯盟聚集了50 多家汽車半導體價值鏈參與者，討論和交流汽車芯粒設計進展的想法。

Chiplet 科技尚屬新興科技。 OEM 必須考慮使用Chiplet 的挑戰，尤其是在考慮系列部署時。

汽車就緒性（Automotive readiness）：為了滿足汽車就緒性，晶片設計必須滿足所有必需的設備和製造規範（例如AEC-Q100 和IATF 16949），並能承受惡劣環境，包括振動和溫度。與汽車製造相比，資料中心目前的用例提供了更穩定的環境和更少的挑戰。

互連標準化（Interconnect standardization）：如前所述，生態系統參與者應考慮制定一個共同的標準，以便可以組合設計。目前，業界的大型參與者正在組建不同的聯盟和標準。一個全球性的、被廣泛接受的標準對於實現樂高原則的概念至關重要。

採用新的開發模式和開放性（Adoption of new development paradigms and openness）：為了確保成功採用芯粒，價值鏈上的各參與者（知識產權、代工廠、整合設備製造商和封裝）可以尋求新的合作模式。雖然所有參與者都認為這是關鍵要素，但可能難以及時實現。這在一定程度上是由於智慧財產權方面的挑戰以及有關責任的懸而未決的問題，例如確定哪一方將負責晶片的整體可靠運行，而各方都提供其構建模組。從驗證和確認的角度來看，價值鏈參與者認為混合搭配的「商店」芯粒創建方法是不切實際的。

價值鏈中的大多數高層領導預計，未來十年內，芯粒將得到更廣泛的採用。在調查中，48% 的行業領導者預計，汽車應用的芯粒將在2027 年至2030 年之間出現，而38% 的行業領導者則預測將在2030 年至2035 年之間出現。只有8% 的人預計該技術將更快發展，即在2025 年至2027 年之間。考慮到汽車產業的整體成長和發展時間，這種延遲並不令人意外。

此外，預計晶片的過渡將是漸進的。雖然樂高原則很有吸引力，但第一批晶片設計很可能是同質的。在這些設計中，智慧財產權模組將來自同一供應商，並使用專有或既定標準，例如外圍組件互連快速(PCIe)。下一步很可能是使用來自外部一方的構建塊進行設計，這也有助於解決責任問題。真正的異質設計，具有真正的多供應商或多技術節點大小組合，很可能在2030 年代中期及以後出現。

基於晶片的設計的重要性顯而易見，因為它們允許晶片在運算需求增加時繞過現有界限，同時保持成本效益。一旦晶片生態系統和標準得以實現，利害關係人應該量化目前應用場景的效益和機會。

融合晶片和芯粒對整個汽車半導體價值鏈參與者的影響

SDV 的興起和供應鏈問題促使汽車OEM 更深入地涉足半導體價值鏈。 OEM 認識到，全面了解半導體技術以實現自動駕駛和資訊娛樂領域的最先進功能對於保持競爭力至關重要。

這一趨勢對汽車半導體領域的所有參與者都有影響，尤其是OEM、一級供應商、IDM 和無晶圓廠參與者。如前所述，採用融合晶片的決定很可能需要在未來兩到四年內做出，而實施芯粒的問題可能會在未來進一步解決。

汽車計算單元市場預計將從2023 年的960 億美元成長到2030 年的1,480 億美元，複合年增長率為6%（圖4）。

具體而言，集中化和整合趨勢導致車身和底盤領域的成長有限，每年僅成長1% 至2%，動力總成單元甚至會略有下降。鑑於這些單元的功能將在區域控制器或集中式運算單元（如車輛運動計算單元）中實現，這些單元甚至可能會下降。 ADAS/AD 和資訊娛樂單元的複合年增長率分別為22% 和6%。前者是由越來越多的具有L2+ 及以上功能（例如放手、放眼和有條件自動駕駛）的車輛推動的。

根據麥肯錫分析，預計2030年區域控制器的市值將達到30億美元，而集中式運算單元（如融合SoC和車輛運動運算單元）的市值將達到80億美元。

一、對原始設備製造商的影響

在決定是否採用融合SoC 時，OEM 應該考慮以下具有策略意義的領域：

軟體專業知識。是否有足夠的專業知識和對這兩個領域的軟體架構的控制來滿足整合需求？

ADAS/AD。應該支援什麼等級的自動駕駛，融合SoC 上應該承載什麼樣的功能？

治理。資訊娛樂和ADAS/AD 小組是如何設定的？協調開發和發佈時間表的可行性如何？

採購策略。從同一家供應商採購ADAS/AD 和資訊娛樂晶片是否會妨礙任何策略採購決策和供應鏈彈性主題？

BOM 與總擁有成本經濟性。 BOM基礎上可以節省多少成本？從總擁有成本角度考慮，並考慮投資前幾年的要求（例如新的開發模式和新的工具），商業案例是什麼樣的？

關於芯粒，有三種可行的做法：首先，OEM 可以簡單地依靠其IDM 和無晶圓廠合作夥伴來推動芯粒的發展；其次，OEM 可以透過加入標準化機構（例如UCIe）積極參與，並確保納入具體要求；第三，OEM 可以積極自行開發芯粒；然而，這種選擇需要大量資源，包括建立專門的專業團隊。

二、對一級供應商的影響

一級供應商可能會跟進融合SoC 趨勢，利用融合SoC 創建自己的集中式運算單元設計。他們可以使用這些設計向OEM 展示潛在的技術和商業利益。幾家一級供應商正在實施這項策略，為2026 年至2028 年即將開始的生產做準備。

一級供應商提供的晶片選項範圍與OEM 類似。一級供應商可能希望儘早與OEM 接洽，將他們對晶片的需求納入下一代集中式運算單元的開發路線圖中。

三、對代工廠、IDM 和無晶圓廠廠商的影響

雖然融合晶片的影響和興起很可能對代工廠、IDM 和無晶圓廠廠商產生有限的影響，但芯粒的相關性將引發更廣泛的問題，即最終製造的晶片的責任和「所有權」。除了技術主題之外，以下戰略領域可能最為相關：

生態系。哪些生態系和標準是成功的？哪些標準值得早期投資和參與？

智慧財產權所有權。誰將持有用於製造最終晶片的智慧財產權「樂高積木」組合？

責任。如果問題只出現在現場，誰將對晶片的最終功能負責？此外，該方是否負責製造晶片和處理互連，還是由提供智慧財產權的一方負責？

發展。需要哪些額外的工具和方法來促進多供應商晶片生態系統？基於晶片的系統的設計驗證和確認流程需要如何改變？

商業模式。定價和授權方案是什麼樣的？誰會得到什麼補償？

未來，半導體將在集中式運算單元中發揮越來越重要的作用。因此，OEM 正在深入汽車半導體價值鏈，並更積極參與組件、功能和規格的選擇。對融合晶片和基於晶片的設計技術、其優勢和挑戰以及潛在考慮因素的深入了解將使整個汽車半導體價值鏈的利益相關者在下一代軟體驅動汽車中保持靈活性和競爭力。