為什么汽車用的半導體芯片那么多?

　　紐約時報說現(xiàn)代汽車可以使用多達 3,000 個半導體芯片，而另一個消息來源說超過 1000 個。我敢肯定這取決于你在計算什么，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. 不久前幾乎完全是機械的產(chǎn)品怎么會有這么多芯片?答案有幾個部分，它反映了芯片在廣泛的消費和工業(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。

　　對于汽車而言，1973 年石油危機后對提高燃油經(jīng)濟性的大力推動導致電子設(shè)備在發(fā)動機控制中的使用迅速增加。雖然電子點火裝置在 1960 年代后期開始出現(xiàn)，但使用微控制器芯片進行發(fā)動機控制證明了數(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)濟性和排放狀況?？刂破餍酒M行即時計算以優(yōu)化發(fā)動機性能，這是機械傳感器和聯(lián)動裝置無法做到的。

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

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

　　再舉個例子，幾年前，我租了一輛大眾甲殼蟲，當我跳進車里關(guān)上車門時，駕駛座的車窗在車門即將關(guān)上時搖下了一點，然后又彈了回來。這平衡了乘客艙內(nèi)的壓力，所以你的耳朵不會爆裂。純機械地實現(xiàn)這種功能確實具有挑戰(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 還與整個汽車的其他電子單元進行通信，例如儀表盤和許多傳感器。當然，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現(xiàn)事物的另一件事：您可以在發(fā)布產(chǎn)品后對其進行修改。我們一直在我們的計算機和電話軟件中看到這一點——似乎每十次 Zoom 會議我都會得到一個新的軟件更新。但是硬件?特斯拉已經(jīng)展示了“無線更新”的強大功能，它可以修改汽車的功能。我記得 GE Aviation 還進行了軟件修復，以暫時解決波音公司使用的 GEnx 渦輪風扇發(fā)動機的高空結(jié)冰問題。用軟件?哇，令人印象深刻!

　　汽車芯片的設(shè)計和制造有何獨特之處?

　　汽車芯片有幾個突出的特點。

　　首先是它們必須在廣泛的極端溫度條件下長時間運行，同時承受大量沖擊和振動。汽車制造商預計其使用壽命為 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)消費電子設(shè)備(如您的手機)的故障率以百萬分之幾計，五年后將被視為過時。如果您的 PC 遇到錯誤，請重新啟動并再試一次。如果你的發(fā)動機控制器突然失靈，你不會把車停在路邊重新啟動(盡管我聽說電動汽車的信息娛樂系統(tǒng)會發(fā)生類似的事情)。

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

　　第二個要求是它們的設(shè)計必須考慮到安全性。ISO 26262——功能安全標準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)計方式到如何處理故障。

　　最后，半導體工廠的芯片制造工藝必須“合格”，這通常需要六個月的時間。晶圓廠還需要針對高溫設(shè)備模型、更厚的互連和其他增強可靠性的東西修改他們的工藝設(shè)計套件。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行加速壽命測試，以模擬多年的服務。主流汽車制造商需要長達 3-5 年的時間來設(shè)計、測試和驗證新芯片。

　　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商轉(zhuǎn)向65/55nm節(jié)點，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間才能通過驗證流程并投入新車，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間比大多數(shù)人都長。