汽車科普:為什麼晶片會短缺?還要短缺多久?

汽車科普:為什麼晶片會短缺?還要短缺多久?

撰文

/ 馬曉蕾

編輯

/ 周 洲

設計

/ 師玉超

/ 福布斯,作者:Willy Shih

汽車行業還在“缺芯”。電動汽車會用到更多的半導體,燃油車也會用到很多晶片。而這些晶片在供不應求時,很難提高製造能力。

為什麼汽車中使用了這麼多的半導體晶片?

《紐約時報》說,如今,一輛汽車可以使用多達3000個半導體晶片,另一家媒體的說法是1000多個,這取決於需要計算的內容。

但在20世紀60年代,汽車中的電子產品幾乎只有一個汽車收音機。一個在不久前幾乎完全機械化的產品,現在怎麼會用到這麼多晶片?這其實反映了晶片應用在大量消費和工業產品中普遍上升:效能、成本和功能從硬體遷移到軟體。

汽車科普:為什麼晶片會短缺?還要短缺多久?

就汽車行業而言,1973年石油危機後,改善燃油經濟性的巨大努力迅速增加了電子技術在發動機控制中的應用。雖然電子點火裝置在20世紀60年代末已經開始出現,但將微控制器晶片用於發動機控制時,就已經展示了數字化的潛力。

使用感測器來監測溫度、曲軸位置、質量空氣流量(mass air flow)、節氣門位置(throttle position)和廢氣中的氧氣濃度等,汽車製造商能夠極大地改善車輛的燃油經濟性和排放情況。控制器晶片進行即時計算,以最佳化發動機效能,這是機械感測器和連線裝置無法做到的。

這凸顯了半導體晶片使用增長背後的一個重要驅動力:使用軟體實現許多功能,而這些功能單靠硬體可能很難做到,甚至不可能做到。

計算噴油器的最佳進料速率可能需要實時求解複雜的方程或在表格中查詢數字。用計算機晶片和一些軟體就可以很容易、很便宜地做到。這也是自動變速箱的由來,它使用軟體來實現下坡時降擋等複雜的控制方案。控制器晶片連線到速度感測器,將訊號傳送到控制變速器螺線管的半導體功率開關。

功率半導體是在數字控制下開關電源的器件,廣泛用於整個車輛。如果你把這些裝置也算作“晶片”,車輛中的半導體裝置數量就會大大增加。

汽車級半導體晶片及其控制的相關開關和器件比機械級半導體晶片更可靠。以1968年款水星美洲獅的後備廂外的轉向燈為例,轉向燈與一個小的電機驅動的旋轉開關相連線,一旦觸點被磨損或腐蝕就會出問題。採用半導體開關和一個簡單的定時器電路,能夠使這樣的機制更加可靠。

車輛中的資訊娛樂系統使用了大量的晶片▼

汽車科普:為什麼晶片會短缺?還要短缺多久?

又比如大眾甲殼蟲上的一個功能,當駕駛員跳進車內關上車門時,駕駛員一側的窗戶在車門即將關閉時降了一點,車門關閉後又自動升回來。這平衡了乘客艙內的壓力,保護駕駛員的耳朵。這種功能如果純粹以機械方式實現,確實有點難,但用微晶片可能只是幾行程式碼的事。

汽車的車身電子裝置電動窗、門鎖、側視鏡通常與車身控制模組(BCM)晶片相連。BCM還與整個汽車的其他電子單元進行通訊,如儀表盤和許多感測器。當然,資訊娛樂系統也使用大量的晶片。

用軟體代替硬體實現各種功能的另一大優勢是:你可以在發貨後繼續修改產品。電腦和手機軟體中經常會有這種情況,每隔一段時間就會得到一個新的軟體更新。特斯拉已經展示了OTA的魅力,它修改了汽車的功能。

通用電氣航空集團(GE Aviation)也做過一個軟體修復,暫時糾正了波音公司787和747-8飛機上使用的該公司GEnx渦輪風扇發動機的高空結冰問題。

汽車晶片的設計和製造方式有什麼獨特之處?

汽車晶片有幾個突出特點。首先,它們必須在極端溫度下長期執行,同時要承受大量的衝擊和振動。汽車製造商預期汽車晶片有15年的工作壽命,在這期間需要達到零故障率。它們還希望替換零件可以使用30年。

大多數消費類電子裝置(如手機)的故障率是百萬分之幾,五年後就會被認為是過時了。然而,電腦出了故障可以重啟,如果發動機控制器出了故障,難道也把車停在路邊重新啟動?

晶片需要可靠性,所以它們必須經過設計和測試,以便在極端條件下有足夠的工作壽命。

汽車電子委員會(Automotive Electronics Council,由底特律三巨頭建立)為晶片制定了一系列的質量標準。對於工作溫度,它定義了0級、1級、2級和3級的工作範圍,其中1級為-40ºC至+125ºC,2級為-40ºC至+105ºC。

這是一個比大多數消費類晶片更具挑戰性的範圍。

位於日本茨城縣常陸的瑞薩電子那珂工廠是一個關鍵的供應商▼

汽車科普:為什麼晶片會短缺?還要短缺多久?

第二個要求是它們的設計必須考慮到安全問題。ISO 26262功能安全標準涵蓋了很多這方面的內容,其中包括從如何設計到如何處理故障等一系列內容。

最後,在半導體工廠製造晶片的過程必須是合規的,這通常需要6個月。工廠還需要對工藝設計套件進行除錯,以適應高溫裝置模型和其他提高可靠性的東西。

之後,晶片必須經過廣泛的測試,如在高溫和惡劣條件下的加速壽命測試以後,才能被嵌入汽車中。主流汽車製造商已經花了長達3-5年的時間來設計、測試和驗證新晶片。

許多汽車微控制器使用90奈米技術,而且一直很難增加產能。過去兩年的短缺促使一些汽車晶片供應商遷移到65/55奈米節點,有些甚至已經跳到40奈米。

但中國臺灣的《電子時報》表示,用40奈米工藝製造的新晶片需要多達五年的時間才能透過驗證程式。這意味著現有技術將在未來一段時間內使用。而這就是為什麼汽車晶片短缺問題的持續時間比大多數人認為的要長得多。

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