特斯拉狂奔背后的半導體

來源：半導體行業(yè)觀察

作者：龔佳佳 

2021年對特斯拉來說，注定是不平凡的一年。雖然經歷了4月份的“車頂維權”事件，但這絲毫不影響其市值的飆升。10月份，在赫茲環(huán)球(Hertz Global) 宣布將購買10萬輛特斯拉電動汽車之后（該消息后來遭到否認），特斯拉的市值首次突破1萬億美元，超過了通用、福特、豐田、大眾、寶馬等11家汽車制造商的總和。
不僅如此，在全年銷量方面，作為“話題王”的特斯拉也沒有讓“吃瓜群眾”失望，不僅以全年銷量增長完美收官，更是創(chuàng)造了交付了93.6萬輛汽車，銷量大幅增長87%的新紀錄。僅第四季度，特斯拉就交付了超過30.8萬輛汽車，比去年同期增長了71%，用實力碾壓了此前華爾街分析師所作出的四季度交付量約為26.6萬輛，全年約為85.5萬輛的預測。
同樣是純電動汽車，為何特斯拉如此優(yōu)秀？
01最強自動駕駛芯片
首先要說的當然就是特斯拉FSD系統(tǒng)中最重要的FSD芯片，可以說，芯片研發(fā)是特斯拉實現(xiàn)自動駕駛的關鍵。特斯拉獨有的自動駕駛技術路線使得市面上的芯片很難滿足他的需求。
早前在2014年的時候，特斯拉還是使用的Mobileye 新一代輔助駕駛芯片EyeQ3，但自從2016年特斯拉Model S撞卡車事件發(fā)生后，特斯拉與Mobileye分道揚鑣，并轉向了英偉達Drive PX 2的懷抱。但即便是號稱超級車載電腦的Drive PX 2也沒能成為馬斯克眼中的“完美自駕芯片”，依然存在著高成本、高功耗，算力還無法完全滿足需求這三個問題。想要實現(xiàn)馬斯克理想中的FSD，自研芯片可以說是必然趨勢，因此特斯拉也成為了第一個專門為自動駕駛開發(fā)芯片的OEM。
FSD芯片全稱為full self-driving芯片，該芯片的設計和規(guī)劃始于2016年，也就是說當還在與英偉達處于“甜蜜期”的時候，特斯拉就已經開始悄悄自研芯片了。FSD芯片項目由半導體業(yè)界傳奇人物、有著硅仙人之稱的吉姆 · 凱勒以及Pete Bannon還有其他架構師牽頭，并于2019年4月正式發(fā)布。Pete Bannon在發(fā)布會上透露了芯片研發(fā)的過程，我們也由此知道，F(xiàn)SD芯片開發(fā)過程經過18個月，于2017年8月第一版流片，2017年12月芯片返回，點亮，最終在2019年3月和4月分別在Model S & X以及Model 3上批量交付。
作為一款專為特斯拉服務的自動駕駛產品，F(xiàn)SD芯片的需求主要有以下幾點，依次是功耗，算力，Barch size（latency），安全性。在安全性方面，F(xiàn)SD芯片做了大量的冗余設計，同一塊板卡上的兩顆芯片的供電和數(shù)據通道都是獨立且互為備份的，因此板卡上的任何部分出現(xiàn)故障都不會影響基本的汽車行駛。

從架構上來看，F(xiàn)SD芯片不但有傳統(tǒng)的CPU和GPU部分，還加入了特別定制的NNP（Neural Network Processor）、ISP等部分，共同組成了一個龐大的SoC芯片。其中CPU采用的是Cortex-A72架構，三組、每組4個核心，一共有12個核心，最高運行頻率為2.2GHz，這部分處理器核心用于通用的計算和任務。GPU方面，特斯拉設計了一個支持FP32和FP64的GPU模塊，主頻最高1GHz，最高計算能力約為600GFLPS。

而NNP是整個芯片自研中最重要的部分。每顆芯片有兩個NNP，每個NNP有一個96x96個MAC的矩陣，32MB SRAM，工作在2GHz。所以一個NNP的處理能力是96x96x2(OPs)x2(GHz) = 36.864TOPS，單芯片72TOPS，板卡144TOPS。
FSD芯片剛推出來時采用的是三星14nm工藝，面積為260平方毫米，封裝了大約60億個晶體管。不過此前有媒體報道，三星電子已經開始為特斯拉高級輔助駕駛系統(tǒng) FSD 生產芯片，主要是HW 4.0芯片的代工合同，采用7nm制程工藝。
FSD芯片生命力到底有多長久呢？從2019年推出至今，比HW3.0版Model 3更晚的車型都已切換計算芯片，F(xiàn)SD芯片卻仍將承載特斯拉新的視覺神經網絡、更復雜場景下龐大的計算量。甚至特斯拉2021年新推出的機器人Tesla Bot，他的“大腦”也依舊是這款2019年發(fā)布的FSD芯片。
雖然FSD芯片可能不是最領先的自動駕駛芯片，但卻無疑是最適合特斯拉的芯片。在這里，筆者不經感嘆下，“吉姆 · 凱勒出手，必是精品”。
02通往純視覺的超算
目前全球自動駕駛領域分為兩種流派：視覺主導路線和激光雷達主導路線。毫無疑問，堅持“純視覺感知才是通往真實世界 AI 的道路”的特斯拉就是不二的視覺黨派，以攝像頭為主導，配合深度學習，多傳感器冗余，實現(xiàn)360°全天候監(jiān)測。
此前的特斯拉還是走視覺主導雷達配合的路線，但隨著自動駕駛技術的快速更迭，特斯拉開始向純視覺路線邁進。2021年7月，特斯拉FSD Beta V9.0版本在北美地區(qū)進行發(fā)布，而這版本最大的特點就是不依賴于雷達傳感器，使用了攝像頭和AI智能算法的純視覺自動輔助駕駛技術路線。
誠然，僅用攝像頭的純視覺路線確實有著不小的優(yōu)點。例如，攝像頭成本比激光雷達低得多，這無疑降低了自動駕駛汽車的成本，與特斯拉想要成為“跑遍大馬路的平民汽車”的目標不謀而合。不僅如此，攝像頭適應性更好，不會被霧、雪、雨等天氣干擾。而從形態(tài)上看，攝像頭還可以輕松融入汽車的設計中并隱藏結構中，從而不影響汽車外形。
但攝像頭也有著它致命的弱點，那就是僅能將原始圖像數(shù)據反饋給系統(tǒng)，沒辦法直接提供物體精確距離和位置，所以時常會出現(xiàn)在無人環(huán)境中感應出行人這種烏龍事件。因此，想要走純視覺路線，特斯拉必須要有強大的計算機視覺能力，可以針對圖像進行準確處理，Dojo 超級計算機也就此誕生。
Dojo來源于日語，意思是“道場”，也就是訓練場的意思。作為特斯拉實現(xiàn)FSD之路上必不可少的一環(huán)，Dojo專攻自動駕駛領域，從全球超100萬輛的特斯拉車輛上的攝像頭收集車輛的行駛數(shù)據，通過深度學習和分析海量的特斯拉車隊數(shù)據不斷成長。而在此訓練過程中，Dojo可以自動模擬開車、自動尋找問題最優(yōu)解，從而完成自我進化，最終實現(xiàn)以純視覺為基礎的完全自動駕駛。
據了解，Dojo 基于特斯拉自定義計算芯片 D1 芯片打造，訓練節(jié)點（超級計算機中使用的最小規(guī)模實體）是一個 64 位 CPU，針對機器學習工作負載進行了全面優(yōu)化。盡管這是 Dojo 中使用的最小計算元素，但它能夠進行超過 1 teraflop 的計算。不同于FSD芯片，D1 芯片采用臺積電7nm制造工藝，核心面積達645mm²，熱設計功耗僅為400W，集成了四個64位超標量CPU核心，擁有多達354個訓練節(jié)點，特別用于8×8乘法，支持FP32、BFP64、CFP8、INT16、INT8等各種數(shù)據指令格式，具有 362 teraflops 的處理能力。此外，高 IO 帶寬也是D1芯片最重要的特性之一，據特斯拉稱，D1的IO帶寬大約是最先進的網絡交換芯片的兩倍。
從目前的消息來看，Dojo可能會在 2022 年投入使用，在Dojo加持下特斯拉今年能否再創(chuàng)奇跡？
03超越布加迪的功臣：碳化硅
作為汽車界的“帶貨王”，同時也是率先實現(xiàn)碳化硅上車的車企，特斯拉不僅將全球汽車行業(yè)帶向智能電動化，也讓碳化硅成為了全球的關注焦點，助燃第三代半導體發(fā)展熱度。
對于電動汽車，電力電子設備至關重要，逆變器作為動力總成系統(tǒng)的關鍵部件，能夠將存儲在電池中的直流電能轉換電機需要的三相交流電，還能在制動過程中將電動機回收的交流電轉換為直流電提供給電池使用。
據上海汽車報報道，碳化硅用在車用逆變器上，在相同功率等級下，全碳化硅模塊的封裝尺寸顯著小于硅模塊，同時也可以使開關損耗降低75％。在相同的封裝下，全碳化硅模塊具備更高的電流輸出能力，支持逆變器達到更高功率。對于車載充電器和快速充電樁，碳化硅半導體與傳統(tǒng)硅器件相比，在充電過程中減少了能量損失，也減少了所需電容和電感的數(shù)量。
從當前搜尋的資料來看，不少媒體都認為，特斯拉能取得如今的成就，碳化硅功不可沒。事實也確是如此。IDTechEx數(shù)據顯示，采用SiC后，特斯拉Model 3的逆變器和永磁電機組合的效率高達97%，可能是全球最高效率之一（甚至可以去掉“之一”），續(xù)航能力比之前的方案提升了6%左右。此外，碳化硅可還以加快充電速度，充電時間也可以降低50%。據介紹，Model S Plaid滿電續(xù)航640公里，充電15分鐘可以跑301公里。
種種優(yōu)勢之下，碳化硅也自然而然成為了特斯拉的寵兒。自2018年在 Model 3中采用了 SIC MOSFET逆變器之后，2020年推出的Model Y的動力模塊后輪驅動也采用了SiC MOSFET。而2021年推出的Model S Plaid速度更是超越了布加迪，僅2.1秒就可以完成零到百公里加速，最高時速可達322km/h，據業(yè)內人士分析，碳化硅則是特斯拉車速超越布加迪的關鍵因素之一。
如同其他新型器件一樣，碳化硅逆變器也面臨著高昂的成本問題，但在特斯拉看來，這或許不會再成為困擾所在。IDTechEx根據2018年Model 3逆變器和2020年Model Y第二代逆變器的成本估算，在過去短短三年內，特拉斯的SiC逆變器成本大幅下降，其成本幾乎與2019款日產聆風和捷豹I-PACE 的硅基IGBT模塊相當。
性能和成本并駕齊驅，碳化硅逆變器無疑也是特斯拉成功的幕后功臣之一。
04寫在最后
就像喬布斯定義了什么是“智能手機”，馬斯克將“智能汽車”的理想照進現(xiàn)實，向我們展示了什么才是“自動駕駛汽車”。無論是自研FSD芯片還是走純視覺路線，又或者是碳化硅上車，特斯拉都是第一個吃螃蟹的人。魯迅先生曾經說過：“第一個吃螃蟹的人是令人佩服的，不是勇士誰敢去吃它呢？”
雖然特斯拉充滿了爭議和矛盾，但我們不能否認正是他的技術創(chuàng)新重新定義了汽車行業(yè)，而這也是特斯拉成功背后的真正秘訣，技術創(chuàng)新才是品牌崛起之魂。本來文章到這里應該就結束了，但是筆者提到了技術創(chuàng)新欸！說到技術創(chuàng)新怎么能少得中國芯。
最后引用牲產隊《特斯拉沒有核心技術，為什么還是全球第一？》中的一段話，“特斯拉表面上看起來是一個美國品牌，可它有50%的供應商都在中國。買特斯拉，還是不買特斯拉，其實并不重要。重要的是，國產品牌能否在市場化的常規(guī)競爭中，制造出物美價廉的優(yōu)質智能電動車，讓中國老百姓都能享受到電動汽車技術革命帶來的品質生活。如果所有人都抵制外國品牌，是沒有意義的。它只會讓國產品牌墮落，沒有充分的競爭，就沒有高度發(fā)達的商業(yè)。歷史的經驗一再告訴我們，國產品牌崛起，都離不開本土產業(yè)技術的創(chuàng)新。脫離技術創(chuàng)新空談愛國營銷，那是誤國誤民！”