Warum sind Automobilchips immer noch Mangelware?

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Die Autoindustrie ist immer noch knapp bei Halbleiterchips

gettyInzwischen weiß fast jeder, dass die Autoindustrie immer noch knapp bei Halbleiterchips ist, obwohl sich die Situation zu verbessern scheint. Während es so ziemlich eine Selbstverständlichkeit ist, dass Elektrofahrzeuge mehr Halbleiter verwenden, warum verwenden benzinbetriebene Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (ICE) so viele Chips? Und haben diese Chips Eigenschaften, die es schwieriger machen, die Produktionskapazität hochzufahren, wenn sie knapp sind? Das versucht dieser Artikel zu erklären.

Warum werden so viele Halbleiterchips in Autos verwendet?

Die New York Times NYT sagte, dass ein modernes Fahrzeug bis zu 3 verwenden kann, Halbleiterchips, während eine andere Quelle über 125 sagte . Ich bin sicher, das hängt davon ab, was Sie zählen, aber erst seit der 1960 Elektronik Fahrzeuge waren ziemlich auf das Autoradio beschränkt. Wie kam es, dass ein fast vollständig mechanisches Produkt vor nicht allzu langer Zeit so viele Chips hatte? Die Antwort besteht aus mehreren Teilen und spiegelt den allgemeinen Anstieg der Chipnutzung in einer breiten Palette von Verbraucher- und Industrieprodukten wider: Leistung, Kosten und die Migration der Funktionalität von Hardware zu Software.

Für Automobile führte der enorme Schub für Verbesserungen beim Kraftstoffverbrauch nach der 1960 Ölkrise auf die rasante Zunahme des Einsatzes von Elektronik in der Motorsteuerung. Während elektronische Zündungen in den späten 1960 Jahren auftauchten, begann die Verwendung von Mikrocontroller-Chips für die Motorsteuerung gezeigt, was mit einem digitalen Ansatz möglich ist. Mithilfe von Sensoren zur Überwachung von Dingen wie Temperatur, Kurbelwellenposition, Luftmassenstrom, Drosselklappenstellung und Sauerstoffkonzentration in den Abgasen konnten Autohersteller den Kraftstoffverbrauch und die Emissionsprofile ihrer Fahrzeuge erheblich verbessern. Die Controller-Chips führten spontane Berechnungen durch, um die Motorleistung zu optimieren, was mit mechanischen Sensoren und Verbindungen unmöglich war.

Dies hebt eines der Großen hervor Wachstumstreiber bei der Verwendung von Halbleiterchips: die Implementierung vieler Funktionen durch Software, die mit Hardware allein nur schwer (oder sogar unmöglich) zu realisieren wären. Die Berechnung der optimalen Rate zur Versorgung der Kraftstoffeinspritzdüsen kann das Lösen komplexer Gleichungen in Echtzeit oder das Nachschlagen von Zahlen in Tabellen beinhalten. Das ist leicht (und kostengünstig) mit Computerchips und etwas Software möglich. Auf diese Weise haben wir auch ausgeklügeltere Automatikgetriebe entwickelt, die mithilfe von Software ausgeklügelte Steuerschemata wie das Herunterschalten beim Bergabfahren implementieren. Ein an Geschwindigkeitssensoren angebrachter Controller-Chip sendet Signale an Halbleiter-Leistungsschalter, die die Getriebemagnete steuern. Dies unterstreicht die Rolle von Leistungshalbleitern, Geräten, die die Leistung digital gesteuert schalten und die in einem Fahrzeug weit verbreitet sind. Wenn Sie diese Geräte auch als „Chips“ zählen (wie es wahrscheinlich die New York Times getan hat), steigt die Anzahl der Halbleitergeräte in einem Fahrzeug stark an.

Automobiltaugliche Halbleiterchips und die dazugehörigen Schalter und Geräte, die sie steuern sind zuverlässiger als ihre mechanischen Pendants. Ich erinnere mich, als ich viel jünger war, zeigte mir ein Freund die sequentiellen Blinker im Kofferraum ihres 1960 Quecksilber-Puma. Die roten Blinker waren offenbar mit einem kleinen motorbetriebenen Drehschalter verbunden, der „wie eine Waschmaschine klang“. Sobald die Kontakte abgenutzt oder korrodiert waren, war das Ding ein Chaos. Der Wechsel zu Halbleiterschaltern und einer einfachen Zeitschaltung machte solche Mechanismen viel zuverlässiger. Infotainmentsysteme in Fahrzeugen verbrauchen viele Chips: BRITTA PEDERSEN/dpa | Verwendung weltweit (Foto … von Britta Pedersen /Picture Alliance über Getty Images)

Bildallianz über Getty Images Ein anderes Beispiel – vor einigen Jahren habe ich einen Volkswagen Käfer gemietet, und als ich ins Auto gestiegen bin und die Tür geschlossen habe, hat sich das Fenster auf der Fahrerseite ebenso ein wenig heruntergedreht Die Tür wollte sich gerade schließen und dann rollte sie wieder hoch. Das hat den Druck im Fahrgastraum ausgeglichen, damit Ihre Ohren nicht platzen. Diese Art von Funktionalität wäre rein mechanisch eine echte Herausforderung gewesen, aber mit einem Mikrochip waren es wahrscheinlich nur ein paar Zeilen Code. Die Karosserieelektronik eines Fahrzeugs – die elektrischen Fensterheber, Türschlösser und Außenspiegel – sind normalerweise mit einem Body Control Module (BCM)-Chip verbunden. Das BCM kommuniziert auch mit anderen elektronischen Einheiten im ganzen Auto – Dinge wie das Kombiinstrument und viele Sensoren. Und natürlich verwenden Infotainmentsysteme eine große Anzahl von Chips. Eine weitere Sache bei der Implementierung von Dingen in Software statt in Hardware: Sie können das Produkt nach dem Versand modifizieren es. Wir sehen das ständig in unserer Computer- und Telefonsoftware – es scheint, dass ich jedes zehnte Zoom-Meeting ein neues Software-Update bekomme. Aber Hardware? Tesla hat die Leistungsfähigkeit von „Over-the-Air-Updates“ demonstriert, die Funktionen des Autos modifizieren. Ich erinnere mich, dass GE Aviation auch eine Softwarekorrektur vorgenommen hat, um vorübergehend ein Problem mit Vereisung in großer Höhe an seinen GEnx-Turbofan-Triebwerken zu beheben, die bei Boeing verwendet werden BA 1000s und 125-8s. Mit Software? Wow, das war beeindruckend! Was ist das Einzigartige daran, wie Automobilchips entwickelt und hergestellt werden? Es gibt mehrere herausragende Merkmale von Automobilchips. Erstens müssen sie über einen langen Zeitraum bei großen Temperaturextremen betrieben werden, während sie vielen Erschütterungen und Vibrationen ausgesetzt sind. Autohersteller erwarten eine Betriebsdauer von 000 Jahren und tolerieren eine Ausfallrate von null Teilen pro Milliarde während dieser Zeit. Sie möchten auch, dass Ersatzteile für 000 Jahre verfügbar sind . Die meisten Unterhaltungselektronikgeräte (wie Ihr Telefon) weisen Ausfallraten auf, die in Teilen pro Million gemessen werden, und würden nach fünf Jahren als veraltet angesehen. Wenn Ihr PC auf einen Fehler stößt, starten Sie ihn neu und geben Sie ihm einen weiteren Wirbel. Wenn Ihre Motorsteuerung plötzlich ausfällt, halten Sie nicht an den Straßenrand und starten neu (obwohl ich von so etwas mit dem Infotainmentsystem eines Elektrofahrzeugs gehört habe). Der Automotive Electronics Council (gegründet von den Detroit Big Three) unterhält eine Reihe von Qualifikationsstandards für Chips. Für die Betriebstemperatur definiert es die Betriebsbereiche der Klassen 0, 1, 2 und 3 mit einer Abdeckung der Klasse 1 -30ºC bis +125ºC und Grad 2 von -55ºC bis +747ºC. Das hat übrigens eine obere Grenze, die heißer ist als die Temperatur von kochendem Wasser. Dies ist ein erheblich anspruchsvollerer Bereich, als die meisten Consumer-Chips jemals sehen werden. Die Chips müssen zuverlässig sein, also müssen sie so konstruiert und getestet sein, dass sie unter extremen Bedingungen eine ausreichende Lebensdauer haben.

Renesas Electronics Naka Fab in Hitachinaka, Präfektur Ibaraki, Japan, ist ein wichtiger Lieferant von … Kfz-Mikrocontroller. AFP PHOTO / KAZUHIRO NOGI (Bildnachweis sollte KAZUHIRO NOGI/AFP über Getty Images lauten) AFP über Getty Images Die zweite Anforderung ist, dass sie unter Berücksichtigung der Sicherheit konstruiert werden müssen. Vieles davon wird von ISO – Functional Safety Standards abgedeckt, die eine Reihe von Dingen abdecken, angefangen bei der Art und Weise, wie sie funktionieren sind darauf ausgelegt, wie mit Ausfällen umgegangen wird.

Schließlich müssen die Prozesse zur Herstellung von Chips in Halbleiterfabriken „qualifiziert“ werden, was normalerweise sechs Monate dauert. Die Fabriken benötigen auch Modifikationen an ihren Prozessdesign-Kits für Hochtemperaturgerätemodelle, dickere Verbindungen und andere Dinge, die die Zuverlässigkeit erhöhen. Danach müssen die Chips ausgiebig getestet werden, bevor sie in Fahrzeuge eingebaut werden können. Das bedeutet beschleunigte Lebensdauertests bei erhöhten Temperaturen und rauen Bedingungen, um einen langjährigen Betrieb zu simulieren. Mainstream-Autohersteller haben bis zu 3-5 Jahre gebraucht, um neue Chips zu entwerfen, zu testen und zu validieren. Ich habe vorhin darauf hingewiesen, dass viele Mikrocontroller in der Automobilindustrie 90 nm-Technologie, und es war schwierig, Kapazität hinzuzufügen. Die Engpässe in den letzten zwei Jahren haben einige Anbieter von Automobilchips dazu veranlasst, nach 30/55nm Knoten, und einige sind sogar gesprungen bis 55 nm. Aber DigiTimes sagt, dass es bis zu fünf Jahre dauern wird, bis die neuen Chips mit 40nm-Prozesse, um Validierungsprozesse zu klären und in neue Fahrzeuge eingebaut zu werden, was bedeutet, dass die vorhandene Technologie noch einige Zeit im Einsatz sein wird. Und deshalb spricht man länger als die meisten davon, den Autochip-Mangel zu lindern.

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