Чаму аўтамабільных чыпаў усё яшчэ не хапае?

У цяперашні час амаль усе ведаюць, што аўтамабільная прамысловасць па-ранейшаму мае кароткія паўправадніковыя чыпы, хоць сітуацыя, здаецца, паляпшаецца. Нягледзячы на ​​тое, што ў электрамабілях выкарыстоўваецца больш паўправаднікоў, вядома, чаму ў аўтамабілях з бензінавым рухавіком унутранага згарання (ДВС) выкарыстоўваецца так шмат чыпаў? І ці ёсць у гэтых чыпаў характарыстыкі, якія ўскладняюць павелічэнне вытворчых магутнасцей, калі іх не хапае? Вось што гэты артыкул паспрабуе растлумачыць.

Чаму так шмат паўправадніковых чыпаў выкарыстоўваецца ў аўтамабілях?

,en Нью-Ёрк ТаймсНью-Ёрк Таймс
сказаў, што ў сучасным аўтамабілі можна выкарыстоўваць да 3,000 паўправадніковых чыпаў іншая крыніца сказаў больш за 1000. Я ўпэўнены, што гэта залежыць ад таго, што вы разлічваеце, але яшчэ ў 1960-х гадах электроніка ў транспартных сродках была ў значнай ступені абмежаваная аўтамабільным радыё. Як у прадукце, які яшчэ нядаўна быў амаль цалкам механічным, атрымалася так шмат чыпаў? Адказ складаецца з некалькіх частак, і ён адлюстроўвае агульны рост выкарыстання чыпаў у шырокім спектры спажывецкіх і прамысловых прадуктаў: ​​прадукцыйнасць, кошт і пераход функцыянальнасці з апаратнага забеспячэння на праграмнае забеспячэнне.

Для аўтамабіляў велізарны штуршок да паляпшэння эканоміі паліва пасля нафтавага крызісу 1973 г. прывёў да хуткага росту выкарыстання электронікі ў органах кіравання рухавіком. У той час як электронныя сістэмы запальвання пачалі з'яўляцца ў канцы 1960-х гадоў, выкарыстанне чыпаў мікракантролера для кіравання рухавіком прадэманстравала, што магчыма з дапамогай лічбавага падыходу. Выкарыстоўваючы датчыкі для маніторынгу такіх рэчаў, як тэмпература, становішча каленчатага вала, масавы расход паветра, становішча дросельнай засланкі і канцэнтрацыя кіслароду ў выхлапных газах, аўтавытворцы змаглі значна палепшыць эканомію паліва і профілі выкідаў сваіх аўтамабіляў. Мікрасхемы кантролера праводзілі на хаду разлікі для аптымізацыі прадукцыйнасці рухавіка, што было немагчыма зрабіць з механічнымі датчыкамі і сувязямі.

Гэта падкрэслівае адзін з асноўных фактараў росту выкарыстання паўправадніковых чыпаў: рэалізацыя многіх функцый з дапамогай праграмнага забеспячэння, што было б цяжка (ці нават немагчыма) выканаць толькі з апаратным забеспячэннем. Разлік аптымальнай хуткасці для падачы паліўных фарсунак можа ўключаць рашэнне складаных ураўненняў у рэжыме рэальнага часу або пошук лікаў у табліцах. Гэта лёгка (і нядорага) з кампутарнымі чыпамі і некаторым праграмным забеспячэннем. Гэта таксама тое, як мы атрымалі больш складаныя аўтаматычныя каробкі перадач з выкарыстаннем праграмнага забеспячэння для рэалізацыі складаных схем кіравання, такіх як пераключэнне на паніжаную перадачу пры спуску. Мікрасхема кантролера, прымацаваная да датчыкаў хуткасці, пасылае сігналы на паўправадніковыя выключальнікі харчавання, якія кіруюць саленоідамі трансмісіі. Гэта падкрэслівае ролю сілавых паўправаднікоў, прылад, якія пераключаюць магутнасць пад лічбавым кіраваннем, якія шырока выкарыстоўваюцца ва ўсім аўтамабілі. Калі лічыць гэтыя прылады таксама «чыпамі» (як, верагодна, зрабіла New York Times), колькасць паўправадніковых прылад у аўтамабілі значна ўзрасце.

Аўтамабільныя паўправадніковыя мікрасхемы і звязаныя з імі пераключальнікі і прылады, якімі яны кіруюць, больш надзейныя, чым іх механічныя аналагі. Я памятаю, калі я быў нашмат маладзейшым, сябар паказаў мне паслядоўныя сігналы павароту ў багажніку іх Mercury Cougar 1968 года. Чырвоныя паваротнікі, відаць, былі падлучаныя да маленькага паваротнага выключальніка з рухавіком, які «гучаў як пральная машына». Як толькі кантакты зношваліся або падвяргаліся карозіі, гэтая рэч была ў беспарадку. Пераход да паўправадніковых перамыкачоў і простай схемы таймера зрабіў падобныя механізмы значна больш надзейнымі.

Іншы прыклад: некалькі гадоў таму я ўзяў напракат Volkswagen Beetle, і калі я сеў у машыну і зачыніў дзверы, акно з боку кіроўцы крыху апусцілася ўніз, калі дзверы збіраліся зачыніцца, а потым зноў закацілася. Гэта выраўноўвала ціск у салоне, так што ў вушах не лязгала. Такую функцыянальнасць было б вельмі складана выканаць чыста механічна, але з мікрачыпам гэта, верагодна, складала ўсяго некалькі радкоў кода. Электроніка кузава аўтамабіля - электрычныя шклапад'ёмнікі, дзвярныя замкі, бакавыя люстэркі звычайна падключаюцца да мікрасхемы модуля кіравання кузавам (BCM). BCM таксама ўзаемадзейнічае з іншымі электроннымі блокамі па ўсім аўтамабілі - напрыклад, прыборнай панэллю і мноствам датчыкаў. І, вядома, у інфармацыйна-забаўляльных сістэмах выкарыстоўваецца вялікая колькасць чыпаў.

Яшчэ адна рэч аб укараненні рэчаў у праграмнае забеспячэнне замест апаратнага забеспячэння: вы можаце змяніць прадукт пасля адпраўкі. Мы ўвесь час бачым гэта ў праграмным забеспячэнні нашага камп'ютара і тэлефона - здаецца, кожную дзясятую сустрэчу Zoom я атрымліваю новае абнаўленне праграмнага забеспячэння. Але абсталяванне? Кампанія Tesla прадэманстравала моц «абнаўленняў па паветры», якія змяняюць функцыі аўтамабіля. Я памятаю, што кампанія GE Aviation таксама выправіла праграмнае забеспячэнне, каб часова выправіць праблему з абледзяненнем на вялікай вышыні на сваіх турбавентылятарных рухавіках GEnx, якія выкарыстоўваюцца на BoeingBA
787-я і 747-8-я. З праграмным забеспячэннем? Нічога сабе, гэта было ўражліва!

Што ўнікальнага ў тым, як распрацоўваюцца і вырабляюцца аўтамабільныя мікрасхемы?

Ёсць некалькі выдатных функцый аўтамабільных чыпаў. Па-першае, яны павінны працаваць на працягу доўгага часу пры экстрэмальных тэмпературах, падвяргаючыся моцным ударам і вібрацыі. Аўтавытворцы разлічваюць на тэрмін службы 15 гадоў і дапускаюць частату адмоваў нуль частак на мільярд на працягу гэтага часу. Яны таксама хочуць, каб запасныя часткі былі даступныя на працягу 30 гадоў. У большасці спажывецкіх электронных прылад (напрыклад, вашага тэлефона) узровень адмоваў вымяраецца ў частках на мільён, і яны будуць лічыцца састарэлымі праз пяць гадоў. Калі ваш кампутар сутыкнуўся з памылкай, перазагрузіце яго і зноў закруціце яго. Калі ваш кантролер рухавіка раптам выходзіць з ладу, вы не спыняйцеся на ўзбочыне і не перазагружайцеся (хаця я чуў, што нешта падобнае адбывалася з інфармацыйна-забаўляльнай сістэмай электрамабіля). Савет аўтамабільнай электронікі (створаны вялікай тройкай Дэтройта) падтрымлівае шэраг кваліфікацыйных стандартаў для мікрасхем. Для працоўнай тэмпературы ён вызначае працоўныя дыяпазоны класаў 0, 1, 2 і 3, прычым клас 1 ахоплівае ад -40ºC да +125ºC, а клас 2 - ад -40ºC да +105ºC. Між іншым, у яго максімальны ліміт вышэй, чым тэмпература кіпячай вады. Гэта значна больш складаны дыяпазон, чым калі-небудзь убачаць большасць спажывецкіх чыпаў. Мікрасхемы павінны быць надзейнымі, таму яны павінны быць распрацаваны і выпрабаваны, каб мець дастатковы тэрмін службы ў экстрэмальных умовах.

Другое патрабаванне - яны павінны быць распрацаваны з улікам бяспекі. Шмат што з гэтага пакрыта ISO 26262 – Функцыянальныя стандарты бяспекі, якія ахопліваюць шэраг рэчаў, пачынаючы з таго, як яны распрацаваны, і заканчваючы тым, як апрацоўваюцца збоі.

Нарэшце, працэсы вырабу чыпаў на паўправадніковых заводах павінны прайсці "кваліфікацыю", што звычайна займае шэсць месяцаў. Вытворчыя прадпрыемствы таксама павінны мець мадыфікацыі ў сваіх наборах праектавання працэсаў для высокатэмпературных мадэляў прылад, больш тоўстых злучэнняў і іншых рэчаў, якія павышаюць надзейнасць. Пасля гэтага чыпы павінны быць старанна пратэставаны, перш чым іх можна будзе ўбудаваць у аўтамабілі. Гэта азначае паскоранае выпрабаванне тэрміну службы пры павышаных тэмпературах і цяжкіх умовах для імітацыі шматгадовай службы. Масавым аўтавытворцам спатрэбілася 3-5 гадоў на распрацоўку, тэставанне і праверку новых чыпаў.

I адзначыў, раней многія аўтамабільныя мікракантролеры выкарыстоўваюць тэхналогію 90 нм, і было цяжка павялічыць ёмістасць. Дэфіцыт за апошнія два гады падштурхнуў некаторых вытворцаў аўтамабільных чыпаў да пераходу на вузлы 65/55 нм, а некаторыя нават перайшлі да 40 нм. Але DigiTimes кажа спатрэбіцца цэлых пяць гадоў, каб новыя чыпы, створаныя з выкарыстаннем 40-нанананаметрачнага працэсу, прайшлі праверку і ўкараніліся ў новыя транспартныя сродкі, што азначае, што існуючая тэхналогія будзе выкарыстоўвацца яшчэ некаторы час. І таму дэфіцыт аўтаматычных чыпаў размаўляе даўжэй, чым большасць, каб палегчыць яго.