特斯拉狂奔背后的半导体

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  文/龚佳佳

  来源:半导体行业仔细观察

  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“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(HertzGlobal)宣告将购买10万辆特斯拉电动后(该消息后来遭到否认),特斯拉的市值首次突破1万亿美元,多达了通用、福特、丰田、大众、宝马等11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“不吃瓜群众”沮丧,不仅以全年销量增长完美收官,更是建构了交付了93.6万辆,销量大幅快速增长87%的新纪录。仅第四季度,特斯拉就交付给了多达30.8万辆,比去年同期快速增长了71%,用实力碾压了此前华尔街分析师所做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。

  同样是纯电动,为何特斯拉如此杰出?

  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。特斯拉独特的自动驾驶技术路线使得市面上的芯片很难符合他的需求。

  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ModelS撞卡事件再次发生后,特斯拉与Mobileye分道扬镳,并改向了英伟达DrivePX2的深爱。但即便是堪称超级载电脑的DrivePX2也没能沦为马斯克眼中的“极致自驾芯片”,依然不存在着高成本、高功耗,算力还无法几乎符合需求这三个问题。想要构建马斯克理想中的FSD,自研芯片可以说道是必然趋势,因此特斯拉也成为了第一个专门为自动驾驶研发芯片的OEM。

  FSD芯片仅有称为fullself-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、具有硅仙人称的吉姆·凯勒以及PeteBannon还有其他架构师牵头,并于2019年4月正式发布。PeteBannon在发布会上透漏了芯片研发的过程,我们也由此告诉,FSD芯片研发过程经过18个月,于2017年8月第一版流片,2017年12月芯片回到,点亮,最终在2019年3月和4月分别在ModelS&X以及Model3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,Barchsize(latency),安全性。在安全性方面,FSD芯片做到了大量的冗余设计,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经常出现故障都会影响基本的行经。

图片来源:特斯拉

  从架构上来看,FSD芯片不但有传统的CPU和GPU部分,还加入了特别自定义的NNP(NeuralNetworkProcessor)、ISP等部分,共同组成了一个庞大的SoC芯片。其中CPU使用的是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作通用的计算和任务。GPU方面,特斯拉设计了一个反对FP32和FP64的GPU模块,主频最高1GHz,最高计算能力约为600GFLPS。

特斯拉FSD芯片内部架构简图

  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,32MBSRAM,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。

图片来源:特斯拉

  FSD芯片刚发售来时采用的是三星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HW4.0芯片的代工合约,使用7nm制程工艺。

  FSD芯片生命力到底有多长久呢?从2019年发售至今,比HW3.0版Model3更晚的型都已切换计算芯片,FSD芯片却仍将支撑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年新的发售的机器人TeslaBot,他的“大脑”也依旧是这款2019年发布的FSD芯片。

  虽然FSD芯片有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,笔者不经感慨下,“吉姆·凯勒出手,必是精品”。

  通往显视觉的超算

  目前全球自动驾驶领域分成两种流派:视觉主导路线和激光雷达主导路线。毫无疑问,坚持“显视觉感官才是通往真实世界AI的道路”的特斯拉就是不二的视觉党派,以摄像头为主导,配合深度自学,多传感器冗余,构建360°全天候监测。

  此前的特斯拉还是回头视觉主导雷达因应的路线,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FSDBetaV9.0版本在北美地区展开公布,而这版本最大的特点就是不依赖雷达传感器,用于了摄像头和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显然有着不小的优点。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的成本,与特斯拉想沦为“走遍大马路的平民”的目标不谋而合。不仅如此,摄像头适应性更好,不会被雾、雪、雨等天气阻碍。而从形态上看,摄像头还可以轻松带入的设计中并隐蔽结构中,从而不影响外形。

  但摄像头也具有它可怕的弱点,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准确距离和方位,所以时常不会经常出现在无人环境中感应出行人这种乌龙事件。因此,想走纯视觉路线,特斯拉必须要有强劲的计算机视觉能力,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100万辆的特斯拉辆上的摄像头收集辆的行经数据,通过深度学习和分析海量的特斯拉队数据不断茁壮。而在此训练过程中,Dojo可以自动仿真开、自动寻找问题最优解法,从而完成自我演化,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出来芯片D1芯片打造出,训练节点(超级计算机中用于的最小规模实体)是一个64位CPU,针对机器学习工作阻抗进行了全面优化。尽管这是Dojo中使用的最小计算出来元素,但它需要展开多达1teraflop的计算。

训练节点的框图

  不同于FSD芯片,D1芯片使用台积电7nm生产工艺,核心面积约645mm2,热设计功耗仅为400W,集成了四个64位超标量CPU核心,享有多达354个训练节点,特别用作8×8乘法,反对FP32、BFP64、CFP8、INT16、INT8等各种数据指令格式,具有362teraflops的处理能力。此外,高IO比特率也是D1芯片最重要的特性一,据特斯拉称,D1的IO带宽大约是最先进设备的网络互相交换芯片的两倍。

  从目前的消息来看,Dojo可能会在2022年投入使用,在Dojo护持下特斯拉今年能否再创奇迹?

  打破布加迪的功臣:碳化硅

  作为界的“带货王”,同时也是率先构建碳化硅上的企,特斯拉不仅将全球行业带上向智能电动化,也让碳化硅沦为了全球的注目焦点,助燃第三代半导体发展热度。

  对于电动,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,需要将存储在电池中的直流电能转换电机必须的三相交流电,还能在制动器过程中将电动机重复使用的交流电切换为直流电获取给电池使用。

  据上海报报道,碳化硅用在用逆变器上,在相同功率等级下,仅有碳化硅模块的PCB尺寸显著小于硅模块,同时也可以使开关损耗减少75%。在相同的封装下,全碳化硅模块具备更高的电流输入能力,支持逆变器达到更高功率。对于载充电器和快速充电桩,碳化硅半导体与传统硅器件相比,在电池过程中减少了能量损失,也减少了所须要电容和电感的数量。

  从当前搜寻的资料来看,不少媒体都指出,特斯拉能获得如今的成就,碳化硅功不可没。事实也确是如此。IDTechEx数据显示,使用SiC后,特斯拉Model3的逆变器和永磁电机人组的效率高达97%,有可能是全球最低效率一(甚至可以去掉“一”),续航能力比前的方案提升了6%左右。此外,碳化硅可还以减缓电池速度,电池时间也可以降低50%。据介绍,ModelSPlaid满电续航640公里,电池15分钟可以跑完301公里。

  种种优势下,碳化硅也自然而然成为了特斯拉的宠儿。自2018年在Model3中采用了SICMOSFET逆变器后,2020年发售的ModelY的动力模块后轮驱动也采用了SiCMOSFET。而2021年发售的ModelSPlaid速度更是打破了布加迪,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,碳化硅则是特斯拉速打破布加迪的关键因素一。

  如同其他新型器件一样,碳化硅逆变器也面对着高昂的成本问题,但在特斯拉显然,这或许会再沦为困扰所在。IDTechEx根据2018年Model3逆变器和2020年ModelY第二代逆变器的成本估计,在过去短短三年内,特拉斯的SiC逆变器成本大幅上升,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。

图片来源:IDTechEx

  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”的理想照进现实,向我们展出了什么才是“自动驾驶”。无论是自研FSD芯片还是回头显视觉路线,又或者是碳化硅上,特斯拉都是第一个吃螃蟹的人。鲁迅先生曾经说道过:“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行业,而这也是特斯拉顺利背后的真正秘诀,技术创新才是品牌崛起魂。

  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。

  最后提到牲产队《特斯拉没核心技术,为什么还是全球第一?》中的一段话,“特斯拉表面上看上去是一个美国品牌,可它有50%的供应商都在中国。买特斯拉,还是不买特斯拉,其实并不最重要。重要的是,国产品牌能否在市场化的常规竞争中,制造出有物美价廉的优质智能电动,让中国老百姓都能享受到电动技术革命带给的品质生活。如果所有人都杯葛外国品牌,是没意义的。它只会让国产品牌邪恶,没有充份的竞争,就没高度发达的商业。历史的经验一再告诉我们,国产品牌兴起,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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