[原创] 特斯拉狂奔背后的半导体
2022-01-22
14:00:23
来源: 半导体行业观察
2021年对特斯拉来说，注定是不平凡的一年。虽然经历了4月份的“车顶维权”事件，但这丝毫不影响其市值的飙升。10月份，在赫兹环球(Hertz Global) 宣布将购买10万辆特斯拉电动汽车之后（该消息后来遭到否认），特斯拉的市值首次突破1万亿美元，超过了通用、福特、丰田、大众、宝马等11家汽车制造商的总和。
不仅如此，在全年销量方面，作为“话题王”的特斯拉也没有让“吃瓜群众”失望，不仅以全年销量增长完美收官，更是创造了交付了93.6万辆汽车，销量大幅增长87%的新纪录。仅第四季度，特斯拉就交付了超过30.8万辆汽车，比去年同期增长了71%，用实力碾压了此前华尔街分析师所作出的四季度交付量约为26.6万辆，全年约为85.5万辆的预测。
最强自动驾驶芯片
首先要说的当然就是特斯拉FSD系统中最重要的FSD芯片，可以说，芯片研发是特斯拉实现自动驾驶的关键。特斯拉独有的自动驾驶技术路线使得市面上的芯片很难满足他的需求。
早前在2014年的时候，特斯拉还是使用的Mobileye 新一代辅助驾驶芯片EyeQ3，但自从2016年特斯拉Model S撞卡车事件发生后，特斯拉与Mobileye分道扬镳，并转向了英伟达Drive PX 2的怀抱。但即便是号称超级车载电脑的Drive PX 2也没能成为马斯克眼中的“完美自驾芯片”，依然存在着高成本、高功耗，算力还无法完全满足需求这三个问题。想要实现马斯克理想中的FSD，自研芯片可以说是必然趋势，因此特斯拉也成为了第一个专门为自动驾驶开发芯片的OEM。
FSD芯片全称为full self-driving芯片，该芯片的设计和规划始于2016年，也就是说当还在与英伟达处于“甜蜜期”的时候，特斯拉就已经开始悄悄自研芯片了。
FSD芯片项目由半导体业界传奇人物、有着硅仙人之称的吉姆 · 凯勒以及Pete Bannon还有其他架构师牵头，并于2019年4月正式发布。Pete Bannon在发布会上透露了芯片研发的过程，我们也由此知道，FSD芯片开发过程经过18个月，于2017年8月第一版流片，2017年12月芯片返回，点亮，最终在2019年3月和4月分别在Model S & X以及Model 3上批量交付。
作为一款专为特斯拉服务的自动驾驶产品，FSD芯片的需求主要有以下几点，依次是功耗，算力，Barch size（latency），安全性。在安全性方面，FSD芯片做了大量的冗余设计，同一块板卡上的两颗芯片的供电和数据通道都是独立且互为备份的，因此板卡上的任何部分出现故障都不会影响基本的汽车行驶。
从架构上来看，FSD芯片不但有传统的CPU和GPU部分，还加入了特别定制的NNP（Neural Network Processor）、ISP等部分，共同组成了一个庞大的SoC芯片。其中CPU采用的是Cortex-A72架构，三组、每组4个核心，一共有12个核心，最高运行频率为2.2GHz，这部分处理器核心用于通用的计算和任务。GPU方面，特斯拉设计了一个支持FP32和FP64的GPU模块，主频最高1GHz，最高计算能力约为600GFLPS。
而NNP是整个芯片自研中最重要的部分。每颗芯片有两个NNP，每个NNP有一个96x96个MAC的矩阵，32MB SRAM，工作在2GHz。所以一个NNP的处理能力是96x96x2(OPs)x2(GHz) = 36.864TOPS，单芯片72TOPS，板卡144TOPS。
FSD芯片刚推出来时采用的是三星14nm工艺，面积为260平方毫米，封装了大约60亿个晶体管。不过此前有媒体报道，三星电子已经开始为特斯拉高级辅助驾驶系统 FSD 生产芯片，主要是HW 4.0芯片的代工合同，采用7nm制程工艺。
FSD芯片生命力到底有多长久呢？从2019年推出至今，比HW3.0版Model 3更晚的车型都已切换计算芯片，FSD芯片却仍将承载特斯拉新的视觉神经网络、更复杂场景下庞大的计算量。甚至特斯拉2021年新推出的机器人Tesla Bot，他的“大脑”也依旧是这款2019年发布的FSD芯片。
虽然FSD芯片可能不是最领先的自动驾驶芯片，但却无疑是最适合特斯拉的芯片。在这里，笔者不经感叹下，“吉姆 · 凯勒出手，必是精品”。
通往纯视觉的超算
目前全球自动驾驶领域分为两种流派：视觉主导路线和激光雷达主导路线。毫无疑问，坚持“纯视觉感知才是通往真实世界 AI 的道路”的特斯拉就是不二的视觉党派，以摄像头为主导，配合深度学习，多传感器冗余，实现360°全天候监测。
此前的特斯拉还是走视觉主导雷达配合的路线，但随着自动驾驶技术的快速更迭，特斯拉开始向纯视觉路线迈进。2021年7月，特斯拉FSD Beta V9.0版本在北美地区进行发布，而这版本最大的特点就是不依赖于雷达传感器，使用了摄像头和AI智能算法的纯视觉自动辅助驾驶技术路线。
诚然，仅用摄像头的纯视觉路线确实有着不小的优点。例如，摄像头成本比激光雷达低得多，这无疑降低了自动驾驶汽车的成本，与特斯拉想要成为“跑遍大马路的平民汽车”的目标不谋而合。不仅如此，摄像头适应性更好，不会被雾、雪、雨等天气干扰。而从形态上看，摄像头还可以轻松融入汽车的设计中并隐藏结构中，从而不影响汽车外形。
但摄像头也有着它致命的弱点，那就是仅能将原始图像数据反馈给系统，没办法直接提供物体精确距离和位置，所以时常会出现在无人环境中感应出行人这种乌龙事件。因此，想要走纯视觉路线，特斯拉必须要有强大的计算机视觉能力，可以针对图像进行准确处理，Dojo 超级计算机也就此诞生。
Dojo来源于日语，意思是“道场”，也就是训练场的意思。作为特斯拉实现FSD之路上必不可少的一环，Dojo专攻自动驾驶领域，从全球超100万辆的特斯拉车辆上的摄像头收集车辆的行驶数据，通过深度学习和分析海量的特斯拉车队数据不断成长。而在此训练过程中，Dojo可以自动模拟开车、自动寻找问题最优解，从而完成自我进化，最终实现以纯视觉为基础的完全自动驾驶。
据了解，Dojo 基于特斯拉自定义计算芯片 D1 芯片打造，训练节点（超级计算机中使用的最小规模实体）是一个 64 位 CPU，针对机器学习工作负载进行了全面优化。尽管这是 Dojo 中使用的最小计算元素，但它能够进行超过 1 teraflop 的计算。
不同于FSD芯片，D1 芯片采用台积电7nm制造工艺，核心面积达645mm
2
，热设计功耗仅为400W，集成了四个64位超标量CPU核心，拥有多达354个训练节点，特别用于8×8乘法，支持FP32、BFP64、CFP8、INT16、INT8等各种数据指令格式，具有 362 teraflops 的处理能力。此外，高 IO 带宽也是D1芯片最重要的特性之一，据特斯拉称，D1的IO带宽大约是最先进的网络交换芯片的两倍。
从目前的消息来看，Dojo可能会在 2022 年投入使用，在Dojo加持下特斯拉今年能否再创奇迹？
超越布加迪的功臣：碳化硅
作为汽车界的“带货王”，同时也是率先实现碳化硅上车的车企，特斯拉不仅将全球汽车行业带向智能电动化，也让碳化硅成为了全球的关注焦点，助燃第三代半导体发展热度。
对于电动汽车，电力电子设备至关重要，逆变器作为动力总成系统的关键部件，能够将存储在电池中的直流电能转换电机需要的三相交流电，还能在制动过程中将电动机回收的交流电转换为直流电提供给电池使用。
据上海汽车报报道，碳化硅用在车用逆变器上，在相同功率等级下，全碳化硅模块的封装尺寸显著小于硅模块，同时也可以使开关损耗降低75％。在相同的封装下，全碳化硅模块具备更高的电流输出能力，支持逆变器达到更高功率。对于车载充电器和快速充电桩，碳化硅半导体与传统硅器件相比，在充电过程中减少了能量损失，也减少了所需电容和电感的数量。
从当前搜寻的资料来看，不少媒体都认为，特斯拉能取得如今的成就，碳化硅功不可没。事实也确是如此。IDTechEx数据显示，采用SiC后，特斯拉Model 3的逆变器和永磁电机组合的效率高达97%，可能是全球最高效率之一（甚至可以去掉“之一”），续航能力比之前的方案提升了6%左右。此外，碳化硅可还以加快充电速度，充电时间也可以降低50%。据介绍，Model S Plaid满电续航640公里，充电15分钟可以跑301公里。
种种优势之下，碳化硅也自然而然成为了特斯拉的宠儿。自2018年在 Model 3中采用了 SIC MOSFET逆变器之后，2020年推出的Model Y的动力模块后轮驱动也采用了SiC MOSFET。而2021年推出的Model S Plaid速度更是超越了布加迪，仅2.1秒就可以完成零到百公里加速，最高时速可达322km/h，据业内人士分析，碳化硅则是特斯拉车速超越布加迪的关键因素之一。
如同其他新型器件一样，碳化硅逆变器也面临着高昂的成本问题，但在特斯拉看来，这或许不会再成为困扰所在。IDTechEx根据2018年Model 3逆变器和2020年Model Y第二代逆变器的成本估算，在过去短短三年内，特拉斯的SiC逆变器成本大幅下降，其成本几乎与2019款日产聆风和捷豹I-PACE 的硅基IGBT模块相当。
性能和成本并驾齐驱，碳化硅逆变器无疑也是特斯拉成功的幕后功臣之一。
写在最后
就像乔布斯定义了什么是“智能手机”，马斯克将“智能汽车”的理想照进现实，向我们展示了什么才是“自动驾驶汽车”。无论是自研FSD芯片还是走纯视觉路线，又或者是碳化硅上车，特斯拉都是第一个吃螃蟹的人。鲁迅先生曾经说过：“第一个吃螃蟹的人是令人佩服的，不是勇士谁敢去吃它呢？”
虽然特斯拉充满了争议和矛盾，但我们不能否认正是他的技术创新重新定义了汽车行业，而这也是特斯拉成功背后的真正秘诀，技术创新才是品牌崛起之魂。
本来文章到这里应该就结束了，但是笔者提到了技术创新欸！说到技术创新怎么能少得中国芯。
最后引用牲产队《特斯拉没有核心技术，为什么还是全球第一？》中的一段话，“特斯拉表面上看起来是一个美国品牌，可它有50%的供应商都在中国。买特斯拉，还是不买特斯拉，其实并不重要。重要的是，国产品牌能否在市场化的常规竞争中，制造出物美价廉的优质智能电动车，让中国老百姓都能享受到电动汽车技术革命带来的品质生活。如果所有人都抵制外国品牌，是没有意义的。它只会让国产品牌堕落，没有充分的竞争，就没有高度发达的商业。历史的经验一再告诉我们，国产品牌崛起，都离不开本土产业技术的创新。脱离技术创新空谈爱国营销，那是误国误民！”
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