Почему автомобильные чипы все еще в дефиците?

К настоящему времени почти все знают, что автомобильной промышленности по-прежнему не хватает полупроводниковых микросхем, хотя ситуация, похоже, улучшается. Хотя то, что в электромобилях используется больше полупроводников, в значительной степени является само собой разумеющимся, почему автомобили с бензиновым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) используют так много микросхем? И есть ли у этих чипов характеристики, которые затрудняют увеличение производственных мощностей, когда их не хватает? Это то, что эта статья попытается объяснить.

Почему в автомобилях используется так много полупроводниковых микросхем?

Ассоциация New York TimesСООБЩЕНИЕ
сказал, что современный автомобиль может использовать до 3,000 полупроводниковых чипов, в то время как другой источник сказал более 1000. Я уверен, что это зависит от того, что вы считаете, но еще в 1960-х электроника в автомобилях была в значительной степени ограничена автомобильным радио. Как продукт, который не так давно был почти полностью механическим, оказался с таким количеством чипов? Ответ состоит из нескольких частей и отражает общий рост использования чипов в широком спектре потребительских и промышленных продуктов: производительность, стоимость и перенос функциональности с аппаратного на программное.

Что касается автомобилей, огромный толчок к улучшению экономии топлива после нефтяного кризиса 1973 года привел к быстрому увеличению использования электроники в органах управления двигателем. Хотя электронные системы зажигания начали появляться в конце 1960-х годов, использование микросхем микроконтроллеров для управления двигателем продемонстрировало возможности цифрового подхода. Используя датчики для контроля таких показателей, как температура, положение коленчатого вала, массовый расход воздуха, положение дроссельной заслонки и концентрация кислорода в выхлопных газах, автопроизводители смогли значительно улучшить экономию топлива и профиль выбросов своих автомобилей. Микросхемы контроллера на лету выполняли расчеты для оптимизации работы двигателя, что было невозможно сделать с механическими датчиками и рычажными механизмами.

Это выдвигает на первый план один из основных факторов роста использования полупроводниковых микросхем: реализацию многих функций с помощью программного обеспечения, которое было бы трудно (или даже невозможно) реализовать с помощью одного лишь аппаратного обеспечения. Расчет оптимальной скорости подачи топлива на форсунки может включать решение сложных уравнений в режиме реального времени или поиск чисел в таблицах. Это легко (и недорого) сделать с помощью компьютерных чипов и некоторого программного обеспечения. Точно так же мы получили более совершенные автоматические коробки передач, используя программное обеспечение для реализации сложных схем управления, таких как переключение на пониженную передачу при движении под уклон. Микросхема контроллера, прикрепленная к датчикам скорости, посылает сигналы на полупроводниковые силовые переключатели, которые управляют соленоидами трансмиссии. Это подчеркивает роль силовых полупроводников, устройств, переключающих питание под цифровым управлением, которые широко используются в автомобиле. Если вы также считаете эти устройства «чипами» (как, вероятно, сделала New York Times), количество полупроводниковых устройств в автомобиле значительно возрастет.

Полупроводниковые микросхемы автомобильного класса и связанные с ними переключатели и устройства, которыми они управляют, более надежны, чем их механические аналоги. Помню, когда я был намного моложе, друг показал мне последовательные поворотники в багажнике своего Mercury Cougar 1968 года. Красные указатели поворота, по-видимому, были подключены к маленькому вращающемуся переключателю с электроприводом, который «звучал как стиральная машина». Как только контакты изнашивались или подвергались коррозии, все превращалось в беспорядок. Переход к полупроводниковым переключателям и простой схеме таймера сделал подобные механизмы гораздо более надежными.

Другой пример: несколько лет назад я арендовал Volkswagen Beetle, и когда я запрыгнул в машину и закрыл дверь, окно со стороны водителя немного опустилось, когда дверь собиралась закрыться, а затем снова поднялось. Это выровняло давление в салоне, чтобы уши не заложило. Такую функциональность было бы очень сложно реализовать чисто механически, но с микрочипом, вероятно, это было бы всего несколько строк кода. Электроника кузова автомобиля - электрические стеклоподъемники, дверные замки, зеркала заднего вида обычно подключаются к микросхеме модуля управления кузовом (BCM). BCM также взаимодействует с другими электронными блоками по всему автомобилю, такими как комбинация приборов и множество датчиков. И, конечно же, информационно-развлекательные системы используют большое количество микросхем.

Еще одно замечание о программной реализации вместо аппаратной: вы можете модифицировать продукт после его отправки. Мы постоянно видим это в программном обеспечении нашего компьютера и телефона — кажется, каждую десятую встречу Zoom я получаю новое обновление программного обеспечения. Но оборудование? Tesla продемонстрировала возможности «беспроводных обновлений», которые изменяют функции автомобиля. Я помню, что GE Aviation также внесла исправление в программное обеспечение, чтобы временно решить проблему обледенения на большой высоте своих турбовентиляторных двигателей GEnx, используемых на Boeing.BA
787 и 747-8. С программным обеспечением? Вау, это было впечатляюще!

Что уникального в том, как разрабатываются и производятся автомобильные чипы?

У автомобильных чипов есть несколько выдающихся особенностей. Во-первых, они должны работать в течение длительного времени при значительных экстремальных температурах, подвергаясь множеству ударов и вибраций. Автопроизводители рассчитывают на срок службы 15 лет и допускают количество отказов, равное нулю деталей на миллиард в течение этого времени. Они также хотят, чтобы запасные части были доступны в течение 30 лет. У большинства бытовых электронных устройств (таких как ваш телефон) частота отказов измеряется в частях на миллион, и они будут считаться устаревшими через пять лет. Если на вашем компьютере возникла ошибка, перезагрузите его и попробуйте еще раз. Если ваш контроллер двигателя внезапно выходит из строя, вы не останавливаетесь на обочине и не перезагружаетесь (хотя я слышал о чем-то подобном, происходящем с информационно-развлекательной системой электромобиля). Совет автомобильной электроники (учрежденный Детройтской большой тройкой) поддерживает ряд квалификационных стандартов для микросхем. Для рабочих температур он определяет рабочие диапазоны классов 0, 1, 2 и 3, при этом класс 1 охватывает от -40°C до +125°C, а класс 2 — от -40°C до +105°C. Между прочим, верхний предел выше температуры кипящей воды. Это значительно более сложный диапазон, чем у большинства потребительских чипов. Чипы должны быть надежными, поэтому они должны быть разработаны и протестированы так, чтобы иметь достаточный срок службы в экстремальных условиях.

Второе требование заключается в том, что они должны быть спроектированы с учетом требований безопасности. Многое из этого покрыто ISO 26262 – Стандарты функциональной безопасности, которые охватывают целый ряд вопросов, начиная с того, как они разработаны, и заканчивая тем, как устраняются сбои.

Наконец, процессы изготовления чипов на полупроводниковых фабриках должны пройти «аттестацию», что обычно занимает шесть месяцев. Заводам также необходимо внести изменения в свои комплекты проектирования технологических процессов для высокотемпературных моделей устройств, более толстых межсоединений и других элементов, повышающих надежность. После этого чипы должны быть тщательно протестированы, прежде чем их можно будет встраивать в автомобили. Это означает ускоренные испытания на срок службы при повышенных температурах и суровых условиях для имитации многолетней службы. Основные автопроизводители потратили 3-5 лет на разработку, тестирование и проверку новых чипов.

I отметил, Раньше многие автомобильные микроконтроллеры использовали технологию 90 нм, и было сложно увеличить мощность. Нехватка за последние два года побудила некоторых поставщиков автомобильных чипов перейти на 65/55-нм узлы, а некоторые даже перескочили на 40-нм. Но DigiTimes говорит Новым чипам, построенным по 40-нм техпроцессу, потребуется целых пять лет, чтобы пройти процессы проверки и установить их в новые автомобили, а это означает, что существующая технология будет использоваться еще какое-то время. И именно поэтому о нехватке автомобильных чипов говорят дольше, чем о других.