汽車電子模塊和車規級芯片

“芯片”這個詞最近是否在您的供應鏈（任何制造活動的脊梁）下發出震顫？如果沒有，那么你一定非常幸運，是一個有遠見的超級規劃師??！盡管如此，人們不必擔心——這是一個完全暫時的現象，很快就會過去。

芯片或半導體技術在過去克服了嚴重的挑戰 - 無論是在技術和市場方面 - 現在正以龍卷風的速度發展。每個人都有興趣從中分一杯羹，并在平等國家中占據至高無上的地位。不用說，各國通過一系列激勵措施、補貼和其他“胡蘿卜”招攬投資，充分說明了這一計劃。自從羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）在60多年前在仙童（Fairchild）推出第一個集成器件（之前是晶體管的發明）以來，這個“奇跡沙束”的發展是驚人的，在今天的現實中，沒有產品或用例不受其影響。想想無處不在的手機、路由器、大型數據中心、電網、交通元件，甚至是我們孩子玩的玩具，包括制造所有這些由芯片驅動的工廠。該列表可能會繼續下去，但在本文的上下文中將僅限于汽車。

汽車電子的曙光

我們每個人在某個時間點都以某種形式使用汽車作為我們日常生活的一部分?；叵胍幌麓髂防瞻l明的汽油發動機，奔馳為他的三輪汽車（1號型）申請了專利，后來福特有效地開創了（汽車）傳說中的移動裝配線，用于T型車的批量生產，使其更實惠。在汽車中使用電子設備的開端可以追溯到 1955 年，當時 Philco 的全晶體管（準確地說是 12 個）收音機被加載到克萊斯勒的帝國車型上。隨后在較輕的交流發電機中使用硅二極管整流器，該交流發電機開始取代發電機，從而能夠處理更大的電氣負載。在美國，德國和日本的各種制造商中進行了許多研究活動，從而即興創作了當時他們的車輛面臨的當前問題。點火系統配備了分立式固態電子設備，減少了機械磨損，提高了發動機效率。使用電子設備的下一個重大成功是引入了計算機化的ABS，有助于提高車輛安全性。與此同時，MOSFET的發明徹底改變了半導體領域，微處理器（盡管實際的始作俑者可能是模糊的）誕生了——大多數電子系統的大腦（或者有些人可能會說是心臟）。這被認為是工程界的分水嶺之一，也是我們今天都知道的半導體巨頭的出現。

隨著晶體管和微處理器的發明，內燃機從純機械到機電再到全電子控制解決方案，推動了對效率和優化的追求，并滿足日益嚴格的CAFE規范。自從通用汽車在1980年左右在汽車中引入第一個基于微處理器的電子系統以來，這確實是一段漫長的旅程，盡管電子控制模塊（ECM）在電子設備有限之前就已經存在了。更進一步，安全氣囊、變速箱控制、導航、信息娛樂、安全和舒適應用等其他領域在具有自己控制單元的車輛中不斷發展。隨著時間的推移，電子控制單元（ECU）已經發展成為一個緊湊而復雜的模塊或子系統，不斷挑戰汽車電子現有創新的界限。那么什么是ECU？

顧名思義，ECU是控制車輛內特定功能的設備。它們通常由芯片或集成電路以及其他電子元件構建，這些電子元件通常接收各種輸入，根據規范進行處理，并為適當的輸出響應提供必要的指令。除了硬件內容外，每個ECU都有特定的軟件或固件，具有各種接口和通信協議，以有效地執行其給定的功能。實際上，它是一個嵌入式系統，用于控制車輛內部的電氣系統，并且最近進展到與其他車輛和基礎設施以及云的連接。通常，現代汽車根據車輛上可用的功能和選項在其架構中封裝了大約 70 ~ 150 個 ECU。發現的一些更常見的ECU是發動機控制模塊（ECM），車身控制模塊（BCM），安全氣囊模塊，動力總成控制模塊（PCM），變速箱控制模塊（TCM），遠程信息處理控制模塊，懸架控制模塊（SCM），信息娛樂模塊（IVI），電池管理系統（BMS）等，每個都有自己的處理器，內存和軟件。村田制作所提供了大量構成這些模塊關鍵要素的汽車級設備。

車輛中的常見ECU

各用途設備可用性

半導體技術開發

雖然汽車系統開發本身很復雜，各個子系統之間具有無縫互操作性;半導體技術必須在創新周期中保持領先地位，以補充汽車原始設備制造商的努力。值得注意的是，汽車應用所需的芯片比消費類產品高出一個檔次，因此推動了更高的成本來滿足這些規格;一些關鍵屬性如下。

更高的溫度要求 – 通常需要 -40°C 至 125°C 的支持

可靠性要求 – AEC Q100

功能安全 – ASIL 安全級別

PPAP – 一致性和變更/風險管理

半導體技術在晶體管密度、封裝、外形尺寸、制造工藝等各個方面都發生了指數級變化，幾乎所有應用對推動自動化水平的更多創新的需求不斷推動芯片開發的革命。這種需求已經超越了對新材料的尋找，以超越硅的飽和度，因為它可能達到摩爾定律的極限。半導體材料的研究正在快速發展，GaN、石墨烯、黃鐵礦等新化合物正在開發中，作為硅和砷化鎵的潛在替代品。然后，這種納米級芯片需要改進熱管理，因為它們變得更小，具有多倍的強大功能，創造了影響性能的熱點。加州大學洛杉磯分校的研究人員正在發現像砷化硼（BAs）這樣的材料，這些材料可以集成到半導體芯片設計中，以便在未來的電子封裝中以滿載性能提供更好的熱管理。芯片技術將繼續發展，IBM和MIT / TSMC發布2nm公告的最新消息闡明了下一個邏輯節點的一些突破。我們是否正在通往埃（Å）的道路上!!!

車輛架構轉型

與此同時，車輛本身正在轉變為智能智能機器，除了運輸之外，還可以滿足人類需求的許多其他方面。這些機器正在變得綠色、平均、精益、自我驅動和完全連接。迄今為止，隨著每一代新產品和功能的增強，車輛架構已經創造了一個相當龐大而復雜的網絡ECU迷宮，不再提供靈活性和擴展的空間。這導致了重新考慮車輛架構的轉折點，因為在新功能中添加更多控制模塊變得不可持續。汽車原始設備制造商和一級供應商已經在研究替代車輛架構，半導體制造商同步推動并推動行業協作，以定義協議和發布芯片，以實現這些新的集中式架構。我們中的許多人現在都熟悉域控制器和區域控制器等術語，這些術語正在推動車輛網絡架構的轉變。一些知名的原始設備制造商/一級供應商已經發布了域控制器的公告，甚至我們自己的本土汽車制造商也開始考慮過渡。域控制器將來自多個ECU的功能整合到一個域中，從而提高效率，合并功能和軟件平臺，加快通信速度以及OTA更新，以便將來擴展。區域建筑在將多個不相關的功能與空間方向集成方面領先一步，從而壓縮線束、連接器并減輕重量。預計具有相同處理器架構的控制器將更少，用于軟件兼容性和平臺遷移以實現新功能集成。漸進式路徑是在未來考慮完整的區域架構，但在完全過渡之前，采用混合模型來引導和優化收益是否謹慎。這是否會導致完全集中的處理架構，如果是這樣，汽車行業何時以及將接受它？再加上電信界推出5G（6G）網絡，AI和ML以及復雜傳感器設備的可用性的發展，這一趨勢有增無減。對于模塊的演變來說是如此之多。

快速瀏覽我公司村田電子在連接領域的汽車模塊產品，用于某些目標應用。

汽車模塊的應用領域

創新和功能增強不僅在四輪車或 CV 領域，我國密集的摩托車手人口在對技術吸收到他們快樂的 2 輪騎行的需求方面也不甘落后。我們提供的一個這樣的解決方案是與汽車領域領先的芯片創新者合作，為任何原始設備制造商/一級供應商定制一個完全連接的集群設計;快速瀏覽如下。

可擴展的集群/遠程信息處理連接平臺概念，從原型到批量生產

未來的道路

汽車電子趨勢清楚地表明了完全聯網汽車的時代，主要是電動和自動駕駛，刺激了對高性能半導體和模塊的需求，這些半導體和模塊將從根本上確保其內部和外部乘客的安全。預計未來的車輛將成為“車輪上的移動”，專注于騎手體驗而不是駕駛員體驗，這與提高舒適性、氛圍和生產力的需求相呼應。車輛內的平均半導體含量估計約為350美元（電動汽車的2倍），預計全自動駕駛汽車將高達3000美元，正如一些行業報告所假設的那樣。幾位專家認為，到2030年，所有銷售的汽車中有一半以上將是電動汽車，這并不遙遠。這些新要求和未來愿望（包括地緣政治）將推動創建一個更具協作性的生態系統，開發多種技術的高度強大和集成的設備 - 芯片，模塊，MEMS，測距，電池，無線技術，能量收集甚至氫燃料電池。鑒于持續的芯片供應形勢和正在定義的新車輛架構，汽車原始設備制造商正在增加與半導體供應商合作的直接機會，到目前為止，半導體供應商一直是其一級供應商的領域，而一級供應商又正在考慮投資自己的晶圓廠和芯片。

一個重要的方面將是汽車價值鏈的明顯變化，它將從現有的（供應商）層級過渡到中心輻射模式，進一步轉向參與者（供應商、電信公司、科技巨頭、OEM）和產品周期（從設計到售后）之間的矩陣融合。這將使生態系統中新參與者的出現和維持成為可能，以及制定相關商業模式的需求。其中一些包括轉向在線銷售，按使用付費，訂閱模式，最重要的是將連接時代產生的大量數據貨幣化，這些數據可能實現高達50%的收入。軟件將在車輛的發展中發揮關鍵作用，在今天的汽車中，大約有1億行代碼。隨著車輛變得越來越自動化和軟件定義（在硬件支持的更輕的靜脈上），可能需要近5億行代碼才能平穩運行未來的汽車。所有這些都將推動一些新進入生態系統的人，提高在這個游樂場內建立戰略多層次鏈接合作伙伴關系的需求，以獲得最佳的用戶體驗。

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