Autopilot硬件4.0 会是史上最强自动驾驶芯片吗？

　　北京时间 17 号，根据台湾媒体报道，台积电已经接到了博通和特斯拉的联合订单，具体量产时间定在 2021 年四季度。

　　报道表示，台积电将为特斯拉打造高性能计算机（HPC）芯片，博通则会参与芯片设计。特斯拉的全新芯片将会基于 7 纳米工艺打造，并采用台积电 InFo-SOW 封装技术。

　　继上个月广汽首发的高通 SA8155 ，是数字座舱的 7 纳米首作；而 Autopilot 4.0，则有可能是 第一个 7 纳米的 ADAS 方案（英伟达 Orin 的计划是 2022 之后）。

　　考虑到如今距离特斯拉发布第一代 FSD 芯片仅仅过去了 16 个月，马斯克快得简直不像车企 CEO。

　　如果计划不出差错，Autopilot 硬件 4.0 将在 2022 年上半年到来，届时它将与英伟达 Drive AGX Orin、Mobileye EyeQ5 同台竞技，三者的目标基本一致——L5 级别全自动驾驶。

　　作为自动驾驶技术公司，特斯拉的芯片方案能否保持算力优势？作为车企 CEO，马斯克的「自动驾驶」牛皮能否凭借新芯片照进现实？作为消费者，我们两年后可以体会到什么级别的技术跃进？

　　我们今天来聊聊这个。

面积最大的自动驾驶芯片？

　　根据台媒报道，应用了台积电的 InFo-SOW 技术之后，每一片 12 英寸的晶圆只能切割出 25 块特斯拉的定制芯片——这句话怎么理解？

　　晶圆，指的是二氧化硅提纯、加热、整形后的单晶硅圆柱切割出来的硅片。12 英寸指的是晶圆的直径，还有 8 英寸等不同规格。芯片就是用光刻机先在晶圆上「雕」出来，再切割的。

　　一个直径是 12 英寸的圆面积大约是 70650 平方毫米，除以 25 就是 2826 平方毫米，当然，晶圆在切割过程中存在一定损耗，实际数字会小一点。

　　做个比较，英伟达的自动驾驶计算芯片 Xavier，核心面积为 350 平方毫米，特斯拉自己的初代 FSD 芯片，面积为 260 平方毫米。即使算上损耗，4.0 的单芯片面积也是板上钉钉地大得多。

　　但是，把芯片做这么大有什么用？

来自台积电的工程魔法

　　同等制程下，芯片越大，能容纳的晶体管就越多，计算能力也就越强。

　　但之所以没有产生芯片面积争霸赛，是因为把芯片做大有很多风险，包括热量堆积、晶圆切割损耗、封装难度等等。

　　台积电首先解决的是热量问题。

　　摩尔定律中明确表示，只有芯片晶体管数量翻一倍才能算「一代」，于是芯片工艺领域就以芯片总面积不变，但单个晶体管面积减半的工艺升级称为「新一代」。

　　想让单个矩形晶体管截面积缩小一半，就需要边长乘以 0.7。这就是半导体工艺的迭代法则，比如 14 纳米下一代是 14x0.7≈10 纳米,10 纳米下一代是 7 纳米。

　　特斯拉初代 FSD 芯片使用的是三星 14 纳米工艺，而二代芯片采用的是台积电的 7 纳米工艺，中间隔了两代工艺。

　　然而同样是 7 纳米，不同的「流派」也会有不一样的效果，比如台积电就将自家 7 纳米分成 N7/N7+/N7P 三代。其中 iPhone XS A12 芯片用的就是第一代 N7 7 纳米工艺，iPhone 12 系列 A13 芯片就是 N7P 优化版工艺。

　　我们算得保守点，台积电初代 7 纳米工艺相对于传统 14 纳米工艺，根据台积电的官方说法，同样晶体管数量下，理论功耗降低超过 60%。而如果特斯拉采用 N7+或者 N7P 工艺，还能再降 20% 左右。

　　其次是封装问题。

　　芯片自己没办法干活，它需要通电，需要连接储存器、输出设备，才能组成完整的计算机。为了做到这一点，台积电需要将芯片「粘」到一块有连接针脚的板子上，这个过程叫封装。

　　特斯拉给台积电下的单，就是要用难度极高，但性能也极好的 InFo SOW，全名 Integrated FanOut System-on-Wafer，集成扇出晶圆上系统封装。

　　根据台积电的技术文件，InFo 扇出封装相比以往的扇入封装，可以容纳更多针脚，数据连接速度更快。从苹果 iPhone 7 的 A10 芯片开始，台积电这一封装技术正式走向商用。

　　那 SOW 又是什么？

　　2012 年，台积电第一次将 4 个 28 纳米工艺的芯片未经独立切割粘贴在一块硅基板上面，这就是 CoWoS 技术（Chip-on-Wafer-on-Substrate，基板上晶圆级封装）。8 年之后，CoWoS 已经成为高端芯片的首选，比如战胜柯洁的 Alpha Go 里面的 TPU 2.0。

　　虽然传输速度极佳，但 CoWoS 的成本实在太高，于是曲高和寡的台积电基于 InFo 技术推出了 SOW 封装技术。SOW 的特点在于基于扇出封装，成本更低。

　　与此同时，InFo 可以实现功能模组和芯片的一体封装，包括供电、导热介质等。这意味着同样使用水冷，Autopilot 硬件 4.0 的密封性可以做得更好，安全性更高。

　　总结一下台积电对 Autopilot 硬件进化的贡献就是：功耗、功能，以及安全。

　　那么在全球最大半导体代工厂帮助下，二代 Autopilot 硬件的性能会达到什么程度？

不仅更强，目标最强

　　想要初步领略硬件 4.0 的能力，我们得回过头，看看硬件 3.0。

　　参数方面，硬件 3.0 FSD 单芯片面积为 260 平方毫米，容纳 60 亿个晶体管，内置 32MB SRAM，单芯片算力 72TOPS。

　　而硬件 4.0 的芯片只能在 70650 平方毫米的晶圆上切下来 25 块，加上 7 纳米带来的晶体管单位面积缩小，马斯克的疯点子有太多发挥空间了。

　　晶体管为计算服务，更为存储服务。

　　2019 年 FSD 芯片发布会上，特斯拉花了很大篇幅强调存储带宽的重要性。32MB SRAM 为 144TOPS 总算力的 FSD 芯片带来了 2TB 每秒的内交流带宽，Peter Bannon 表示已经远超自动驾驶 1TB 起步的要求。

　　但到了硬件 4.0，特斯拉也许能实现指数级别的进化。

　　目前世界上最大的半导体芯片，是 Cerebras Systems 的 Wafer Scale Engine 深度学习芯片，在 46225 平方毫米的面积里塞下 1.2 万亿个晶体管（包括储存芯片的晶体管数量）。

　　巨大的面积不仅用于计算，Cerebras Systems 还在芯片里内置了足足 18GB 的 SRAM（一般和处理芯片封装在一起，比运行内存 DRAM 速度快很多，同时成本也高很多）。

　　超大容量的 SRAM 可以承受极高的带宽压力，Cerebras Systems 的官方数据是「9.6PB 每秒」，是 FSD 芯片 2TB 的 4915 倍（当然，两者芯片面积差距太大，这里只是简单比较一下）。

　　基于同样工艺的特斯拉 Autopilot 硬件 4.0 ，也理应拥有如此巨大的想象空间。

　　如果可以实现如此大尺度的性能飞跃，也许只有激光雷达，才可以止住马斯克前进的脚步——英伟达的 Orin 算力「仅有」 200TOPS，EyeQ5 甚至还没有详细参数。

　　这一段术语太多，简单总结一下硬件 4.0 进化的可能性，就是：晶体管数量和内存带宽/容量暴增，由此带来自动驾驶计算能力飞跃——暴增的意思是，比英伟达 Xavier 强 10倍，踩一踩 Orin ，都没啥问题。

　　或者更简单点，牛逼就完事儿了。

One More Thing

　　消息里面还提到一点：博通 Broadcom 参与芯片设计。

　　乍听上去有点反逻辑——马斯克不是喜欢亲力亲为吗？为什么刚离开英伟达几年，又扯上了博通？

　　我们先了解下博通是干嘛的。

　　2017-2019 年，博通连续三年蝉联了全球无晶圆厂 IC 设计营收排行榜首。所以特斯拉和博通合作没毛病，老大就应该和老大做朋友。

　　但博通之于特斯拉，作用也许不止设计芯片这么简单。

　　除了芯片 IC 设计业务称雄以外，博通还是全球最大的网络半导体芯片公司之一。更有意思的是，全球首款 7 纳米有线网络芯片，就出自博通之手。

　　台积电代工，名为 Tomahawk 4 的网络芯片是博通的王牌产品。单颗芯片内集成了 310 亿晶体管之后，Tomahawk 4 可以用一颗芯片带动 64 个 40 万兆的光纤接口。简单换算一下，就是 3.2PB 的带宽。

　　容我打个岔。

　　2019 年 7 月 22 日，特斯拉在一项专利中展示了线束高度简化的操作，比如一扇车门只保留一个多功能传感器等。特斯拉在专利中表示：

　　「传统汽车接线方案是零碎的。通常是由不同的线束，将电气组件连接到中央电池或电源。每个组件都通电，但需要多个线束才能进行通信和信号传输。在单个车辆中，导线的总长度可能很长。」

　　马斯克曾经表示 Model 3 的线束从 Model S 的 3 公里减少到了 1.5 公里，他还说 Model Y 可以实现 100 米的线束长度，但至今仍未证明自己。

　　所以，同样基于台积电 7 纳米工艺，博通的网络芯片会否成为马斯克梦想的最后一块拼图？

　　要知道 CAN 总线的带宽仅有 2Mbps，3.2PB 带宽的网络中枢假如放进车里，划时代都不足以形容这样的质变。

　　马斯克曾说过未来汽车就应该是「轮上电脑」，而如今汽油车里动辄 3-4 公里的线束长度，各个 MCU 之间的布线复杂度，都远不像是「轮上电脑」该有的样子。

　　所以，马斯克的终极智能汽车愿景，会由强大运算能力的单中枢+高带宽的车内信息交互+极简的布线共同实现吗？

　　我们明年就会知道了。

写在最后

　　7 月 1 日，Autopilot FSD 选装包正式涨价，美国从 7000 美元涨到 8000，中国从 5.6 万元涨到 6.4 万。

　　Autopilot 的能力大家有褒有贬，也正是因为它还不够完美，「每年涨价一次」的规定引来了更大的争议。按照这个逻辑，2022 年的 FSD 选装包价格将达到 8 万元。

　　软件方面，特斯拉 AI 总监 Andrej Karpathy 即将带着「近乎重写」的 Autopilot 软件新版本登场；至于大家印象中迭代速度明显更慢的硬件，Peter Bannon 则希望颠覆大家对车载芯片的印象。

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