為什么汽車用的半導(dǎo)體芯片那么多?

　　紐約時(shí)報(bào)說現(xiàn)代汽車可以使用多達(dá) 3,000 個(gè)半導(dǎo)體芯片，而另一個(gè)消息來源說超過 1000 個(gè)。我敢肯定這取決于你在計(jì)算什么，但就在 1960 年代，汽車中的電子設(shè)備還非常局限于汽車收音機(jī). 不久前幾乎完全是機(jī)械的產(chǎn)品怎么會(huì)有這么多芯片?答案有幾個(gè)部分，它反映了芯片在廣泛的消費(fèi)和工業(yè)產(chǎn)品中的使用普遍增加：性能、成本以及功能從硬件到軟件的遷移。

　　對(duì)于汽車而言，1973 年石油危機(jī)后對(duì)提高燃油經(jīng)濟(jì)性的大力推動(dòng)導(dǎo)致電子設(shè)備在發(fā)動(dòng)機(jī)控制中的使用迅速增加。雖然電子點(diǎn)火裝置在 1960 年代后期開始出現(xiàn)，但使用微控制器芯片進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)控制證明了數(shù)字方法的可能性。使用傳感器監(jiān)測溫度、曲軸位置、空氣質(zhì)量流量、節(jié)氣門位置和廢氣中的氧氣濃度等信息，汽車制造商能夠顯著改善其車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放狀況。控制器芯片進(jìn)行即時(shí)計(jì)算以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能，這是機(jī)械傳感器和聯(lián)動(dòng)裝置無法做到的。

　　這凸顯了半導(dǎo)體芯片使用增長背后的一大推動(dòng)力：使用軟件實(shí)現(xiàn)許多僅靠硬件可能難以(甚至不可能)實(shí)現(xiàn)的功能。計(jì)算向燃油噴射器供油的最佳速率可能涉及實(shí)時(shí)求解復(fù)雜的方程式或查找表格中的數(shù)字。使用計(jì)算機(jī)芯片和一些軟件很容易(而且成本低廉)。這也是我們?nèi)绾潍@得更復(fù)雜的自動(dòng)變速器，使用軟件來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制方案，例如下坡時(shí)降檔。連接到速度傳感器的控制器芯片將信號(hào)發(fā)送到控制變速箱螺線管的半導(dǎo)體電源開關(guān)。這凸顯了功率半導(dǎo)體、在數(shù)字控制下切換功率的設(shè)備的作用，在整個(gè)車輛中廣泛使用。如果您將這些設(shè)備也算作“芯片”(正如紐約時(shí)報(bào)可能所做的那樣)，那么車輛中的半導(dǎo)體設(shè)備數(shù)量就會(huì)增加。

　　汽車級(jí)半導(dǎo)體芯片及其控制的相關(guān)開關(guān)和設(shè)備比機(jī)械芯片更可靠。我記得在我年輕很多的時(shí)候，一位朋友向我展示了他們 1968 年 Mercury Cougar 后備箱中的順序轉(zhuǎn)向信號(hào)燈。紅色轉(zhuǎn)向燈顯然連接到一個(gè)“聽起來像洗衣機(jī)”的小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)。一旦觸點(diǎn)磨損或腐蝕，那東西就一團(tuán)糟。轉(zhuǎn)向半導(dǎo)體開關(guān)和一個(gè)簡單的定時(shí)器電路使這樣的機(jī)制更加可靠。

　　再舉個(gè)例子，幾年前，我租了一輛大眾甲殼蟲，當(dāng)我跳進(jìn)車?yán)镪P(guān)上車門時(shí)，駕駛座的車窗在車門即將關(guān)上時(shí)搖下了一點(diǎn)，然后又彈了回來。這平衡了乘客艙內(nèi)的壓力，所以你的耳朵不會(huì)爆裂。純機(jī)械地實(shí)現(xiàn)這種功能確實(shí)具有挑戰(zhàn)性，但使用微芯片可能只需要幾行代碼。車輛的車身電子設(shè)備——電動(dòng)車窗、門鎖、側(cè)視鏡通常連接到車身控制模塊 (BCM) 芯片。BCM 還與整個(gè)汽車的其他電子單元進(jìn)行通信，例如儀表盤和許多傳感器。當(dāng)然，信息娛樂系統(tǒng)使用大量芯片。

　　關(guān)于用軟件而不是硬件實(shí)現(xiàn)事物的另一件事：您可以在發(fā)布產(chǎn)品后對(duì)其進(jìn)行修改。我們一直在我們的計(jì)算機(jī)和電話軟件中看到這一點(diǎn)——似乎每十次 Zoom 會(huì)議我都會(huì)得到一個(gè)新的軟件更新。但是硬件?特斯拉已經(jīng)展示了“無線更新”的強(qiáng)大功能，它可以修改汽車的功能。我記得 GE Aviation 還進(jìn)行了軟件修復(fù)，以暫時(shí)解決波音公司使用的 GEnx 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高空結(jié)冰問題。用軟件?哇，令人印象深刻!

　　汽車芯片的設(shè)計(jì)和制造有何獨(dú)特之處?

　　汽車芯片有幾個(gè)突出的特點(diǎn)。

　　首先是它們必須在廣泛的極端溫度條件下長時(shí)間運(yùn)行，同時(shí)承受大量沖擊和振動(dòng)。汽車制造商預(yù)計(jì)其使用壽命為 15 年，并且在此期間可以容忍十億分之零的故障率。他們還希望更換零件可以使用 30 年。大多數(shù)消費(fèi)電子設(shè)備(如您的手機(jī))的故障率以百萬分之幾計(jì)，五年后將被視為過時(shí)。如果您的 PC 遇到錯(cuò)誤，請(qǐng)重新啟動(dòng)并再試一次。如果你的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器突然失靈，你不會(huì)把車停在路邊重新啟動(dòng)(盡管我聽說電動(dòng)汽車的信息娛樂系統(tǒng)會(huì)發(fā)生類似的事情)。

　　汽車電子委員會(huì)(由底特律三巨頭建立)維護(hù)著一系列芯片資格標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于工作溫度，它定義了 0、1、2 和 3 級(jí)工作范圍，其中 1 級(jí)涵蓋 -40oC 至 +125oC，2 級(jí)涵蓋 -40oC 至 +105oC。順便說一句，它的上限比沸水的溫度還要高。這是一個(gè)比大多數(shù)消費(fèi)類芯片所見過的更具挑戰(zhàn)性的范圍。芯片需要可靠，因此必須對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和測試，以在極端條件下具有足夠的使用壽命。

　　第二個(gè)要求是它們的設(shè)計(jì)必須考慮到安全性。ISO 26262——功能安全標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了其中的很多內(nèi)容，它涵蓋了一系列內(nèi)容，從它們的設(shè)計(jì)方式到如何處理故障。

　　最后，半導(dǎo)體工廠的芯片制造工藝必須“合格”，這通常需要六個(gè)月的時(shí)間。晶圓廠還需要針對(duì)高溫設(shè)備模型、更厚的互連和其他增強(qiáng)可靠性的東西修改他們的工藝設(shè)計(jì)套件。之后，芯片必須經(jīng)過廣泛測試才能安裝到車輛中。這意味著在高溫和惡劣條件下進(jìn)行加速壽命測試，以模擬多年的服務(wù)。主流汽車制造商需要長達(dá) 3-5 年的時(shí)間來設(shè)計(jì)、測試和驗(yàn)證新芯片。

　　正如我前面指出，許多汽車微控制器采用90納米技術(shù)，并且已經(jīng)難以增加容量。近兩年的短缺促使一些汽車芯片供應(yīng)商轉(zhuǎn)向65/55nm節(jié)點(diǎn)，有的甚至躍升至40nm。但 DigiTimes表示，采用 40 納米工藝制造的新芯片最多需要五年時(shí)間才能通過驗(yàn)證流程并投入新車，這意味著現(xiàn)有技術(shù)將在未來一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)使用。這就是為什么汽車芯片短缺問題的緩解時(shí)間比大多數(shù)人都長。