汽车电子模块和车规级芯片

车规级芯片

“芯片”这个词最近是否在您的供应链(任何制造活动的脊梁)下发出震颤?如果没有,那么你一定非常幸运,是一个有远见的超级规划师!!尽管如此,人们不必担心——这是一个完全暂时的现象,很快就会过去。

芯片或半导体技术在过去克服了严重的挑战 - 无论是在技术和市场方面 - 现在正以龙卷风的速度发展。每个人都有兴趣从中分一杯羹,并在平等国家中占据至高无上的地位。不用说,各国通过一系列激励措施、补贴和其他“胡萝卜”招揽投资,充分说明了这一计划。自从罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)在60多年前在仙童(Fairchild)推出第一个集成器件(之前是晶体管的发明)以来,这个“奇迹沙束”的发展是惊人的,在今天的现实中,没有产品或用例不受其影响。想想无处不在的手机、路由器、大型数据中心、电网、交通元件,甚至是我们孩子玩的玩具,包括制造所有这些由芯片驱动的工厂。该列表可能会继续下去,但在本文的上下文中将仅限于汽车。

 

汽车电子的曙光

我们每个人在某个时间点都以某种形式使用汽车作为我们日常生活的一部分。回想一下戴姆勒发明的汽油发动机,奔驰为他的三轮汽车(1号型)申请了专利,后来福特有效地开创了(汽车)传说中的移动装配线,用于T型车的批量生产,使其更实惠。在汽车中使用电子设备的开端可以追溯到 1955 年,当时 Philco 的全晶体管(准确地说是 12 个)收音机被加载到克莱斯勒的帝国车型上。随后在较轻的交流发电机中使用硅二极管整流器,该交流发电机开始取代发电机,从而能够处理更大的电气负载。在美国,德国和日本的各种制造商中进行了许多研究活动,从而即兴创作了当时他们的车辆面临的当前问题。点火系统配备了分立式固态电子设备,减少了机械磨损,提高了发动机效率。使用电子设备的下一个重大成功是引入了计算机化的ABS,有助于提高车辆安全性。与此同时,MOSFET的发明彻底改变了半导体领域,微处理器(尽管实际的始作俑者可能是模糊的)诞生了——大多数电子系统的大脑(或者有些人可能会说是心脏)。这被认为是工程界的分水岭之一,也是我们今天都知道的半导体巨头的出现。

随着晶体管和微处理器的发明,内燃机从纯机械到机电再到全电子控制解决方案,推动了对效率和优化的追求,并满足日益严格的CAFE规范。自从通用汽车在1980年左右在汽车中引入第一个基于微处理器的电子系统以来,这确实是一段漫长的旅程,尽管电子控制模块(ECM)在电子设备有限之前就已经存在了。更进一步,安全气囊、变速箱控制、导航、信息娱乐、安全和舒适应用等其他领域在具有自己控制单元的车辆中不断发展。随着时间的推移,电子控制单元(ECU)已经发展成为一个紧凑而复杂的模块或子系统,不断挑战汽车电子现有创新的界限。那么什么是ECU?

顾名思义,ECU是控制车辆内特定功能的设备。它们通常由芯片或集成电路以及其他电子元件构建,这些电子元件通常接收各种输入,根据规范进行处理,并为适当的输出响应提供必要的指令。除了硬件内容外,每个ECU都有特定的软件或固件,具有各种接口和通信协议,以有效地执行其给定的功能。实际上,它是一个嵌入式系统,用于控制车辆内部的电气系统,并且最近进展到与其他车辆和基础设施以及云的连接。通常,现代汽车根据车辆上可用的功能和选项在其架构中封装了大约 70 ~ 150 个 ECU。发现的一些更常见的ECU是发动机控制模块(ECM),车身控制模块(BCM),安全气囊模块,动力总成控制模块(PCM),变速箱控制模块(TCM),远程信息处理控制模块,悬架控制模块(SCM),信息娱乐模块(IVI),电池管理系统(BMS)等,每个都有自己的处理器,内存和软件。村田制作所提供了大量构成这些模块关键要素的汽车级设备。

车辆中的常见ECU
车辆中的常见ECU

 

各用途设备可用性
各用途设备可用性


半导体技术开发

虽然汽车系统开发本身很复杂,各个子系统之间具有无缝互操作性;半导体技术必须在创新周期中保持领先地位,以补充汽车原始设备制造商的努力。值得注意的是,汽车应用所需的芯片比消费类产品高出一个档次,因此推动了更高的成本来满足这些规格;一些关键属性如下。

更高的温度要求 – 通常需要 -40°C 至 125°C 的支持

可靠性要求 – AEC Q100

功能安全 – ASIL 安全级别

PPAP – 一致性和变更/风险管理

半导体技术在晶体管密度、封装、外形尺寸、制造工艺等各个方面都发生了指数级变化,几乎所有应用对推动自动化水平的更多创新的需求不断推动芯片开发的革命。这种需求已经超越了对新材料的寻找,以超越硅的饱和度,因为它可能达到摩尔定律的极限。半导体材料的研究正在快速发展,GaN、石墨烯、黄铁矿等新化合物正在开发中,作为硅和砷化镓的潜在替代品。然后,这种纳米级芯片需要改进热管理,因为它们变得更小,具有多倍的强大功能,创造了影响性能的热点。加州大学洛杉矶分校的研究人员正在发现像砷化硼(BAs)这样的材料,这些材料可以集成到半导体芯片设计中,以便在未来的电子封装中以满载性能提供更好的热管理。芯片技术将继续发展,IBM和MIT / TSMC发布2nm公告的最新消息阐明了下一个逻辑节点的一些突破。我们是否正在通往埃(Å)的道路上!!!

 

车辆架构转型

与此同时,车辆本身正在转变为智能智能机器,除了运输之外,还可以满足人类需求的许多其他方面。这些机器正在变得绿色、平均、精益、自我驱动和完全连接。迄今为止,随着每一代新产品和功能的增强,车辆架构已经创造了一个相当庞大而复杂的网络ECU迷宫,不再提供灵活性和扩展的空间。这导致了重新考虑车辆架构的转折点,因为在新功能中添加更多控制模块变得不可持续。汽车原始设备制造商和一级供应商已经在研究替代车辆架构,半导体制造商同步推动并推动行业协作,以定义协议和发布芯片,以实现这些新的集中式架构。我们中的许多人现在都熟悉域控制器和区域控制器等术语,这些术语正在推动车辆网络架构的转变。一些知名的原始设备制造商/一级供应商已经发布了域控制器的公告,甚至我们自己的本土汽车制造商也开始考虑过渡。域控制器将来自多个ECU的功能整合到一个域中,从而提高效率,合并功能和软件平台,加快通信速度以及OTA更新,以便将来扩展。区域建筑在将多个不相关的功能与空间方向集成方面领先一步,从而压缩线束、连接器并减轻重量。预计具有相同处理器架构的控制器将更少,用于软件兼容性和平台迁移以实现新功能集成。渐进式路径是在未来考虑完整的区域架构,但在完全过渡之前,采用混合模型来引导和优化收益是否谨慎。这是否会导致完全集中的处理架构,如果是这样,汽车行业何时以及将接受它?再加上电信界推出5G(6G)网络,AI和ML以及复杂传感器设备的可用性的发展,这一趋势有增无减。对于模块的演变来说是如此之多。

快速浏览我公司村田电子在连接领域的汽车模块产品,用于某些目标应用。

汽车模块的应用领域
汽车模块的应用领域

 

创新和功能增强不仅在四轮车或 CV 领域,我国密集的摩托车手人口在对技术吸收到他们快乐的 2 轮骑行的需求方面也不甘落后。我们提供的一个这样的解决方案是与汽车领域领先的芯片创新者合作,为任何原始设备制造商/一级供应商定制一个完全连接的集群设计;快速浏览如下。

从原型到批量生产
可扩展的集群/远程信息处理连接平台概念,从原型到批量生产

 

未来的道路

汽车电子趋势清楚地表明了完全联网汽车的时代,主要是电动和自动驾驶,刺激了对高性能半导体和模块的需求,这些半导体和模块将从根本上确保其内部和外部乘客的安全。预计未来的车辆将成为“车轮上的移动”,专注于骑手体验而不是驾驶员体验,这与提高舒适性、氛围和生产力的需求相呼应。车辆内的平均半导体含量估计约为350美元(电动汽车的2倍),预计全自动驾驶汽车将高达3000美元,正如一些行业报告所假设的那样。几位专家认为,到2030年,所有销售的汽车中有一半以上将是电动汽车,这并不遥远。这些新要求和未来愿望(包括地缘政治)将推动创建一个更具协作性的生态系统,开发多种技术的高度强大和集成的设备 - 芯片,模块,MEMS,测距,电池,无线技术,能量收集甚至氢燃料电池。鉴于持续的芯片供应形势和正在定义的新车辆架构,汽车原始设备制造商正在增加与半导体供应商合作的直接机会,到目前为止,半导体供应商一直是其一级供应商的领域,而一级供应商又正在考虑投资自己的晶圆厂和芯片。

一个重要的方面将是汽车价值链的明显变化,它将从现有的(供应商)层级过渡到中心辐射模式,进一步转向参与者(供应商、电信公司、科技巨头、OEM)和产品周期(从设计到售后)之间的矩阵融合。这将使生态系统中新参与者的出现和维持成为可能,以及制定相关商业模式的需求。其中一些包括转向在线销售,按使用付费,订阅模式,最重要的是将连接时代产生的大量数据货币化,这些数据可能实现高达50%的收入。软件将在车辆的发展中发挥关键作用,在今天的汽车中,大约有1亿行代码。随着车辆变得越来越自动化和软件定义(在硬件支持的更轻的静脉上),可能需要近5亿行代码才能平稳运行未来的汽车。所有这些都将推动一些新进入生态系统的人,提高在这个游乐场内建立战略多层次链接合作伙伴关系的需求,以获得最佳的用户体验。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-11-07 14:42
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