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汽车,需要怎样的半导体?

作者:匿名    来源:未知   
浏览:558    发布:2022-02-23 09:57:49

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不仅是EV和油电混合车,对于纯燃油车而言,半导体也是必不可缺的零部件。这是人们有目共睹的事实。


用X射线观察被称为“Black Box(黑匣子)”的发动机ECU(Electronic Control Unit,电子控制单元,以下简称为“ECU”)后,可清晰地看清其内部基本结构。通过延伸到上部的金属线(Wire)使其与外部的连接器相连接。上图为用于摩托车的ECU,用于汽车的ECU也已实现小型化,基本结构是一样的。(图片出自:日本产经新闻)


就拿近期的洁净柴油车(Clean Diesel Vehicle)而言,其模式如下:每燃烧一次,要喷射五次左右的燃料,有效使用燃料、牵出转矩(Torque),虽然燃油量增加了,但是却可以尽可能地排出洁净的气体。


虽说以毫秒为单位进行控制,但对计算机而言却轻而易举。其实,“工作最繁忙”的还是接收计算机信号的燃料喷射器。


汽油发动机(Gasoline Engine)也会喷射多次燃料,通过同步火花塞(Spark Plug)的点火时间和吸排气凸轮轴链轮(Camshaft Sprocket),来调整配气相位(Valve Timing)。而且,会读取当时的车速、发动机转数、水温、油温、油门开度、驾驶员脚踩加速踏板的程度(加速度),来判断驾驶员的加速要求、进行必要的控制。


此外,还通过与变速箱进行良好的配合,顺利实现省油效果。想必很多读者会认为,需要一款高性能的计算机才可以实现以上效果。但是,由于ECU是车载专用控制单元,因此与当下的计算机相比,其计算能力并不是那么高。


不仅只有ECU才使用半导体,几乎所有的电子零部件都需要半导体。用于ADAS(Advanced Driving Assistance System,高级驾驶辅助系统)的缓解碰撞制动系统(Collision Mitigation Brake )和车道偏离警告系统的摄像头里也装有图像传感器(CMOS)、激光传感器、毫米波雷达发射器等都是由半导体构成的。


除此之外,还有电动车窗(Power Window)电机的微控制器(可以使车窗实现一触即开关)、用于控制扭矩的微控制器。因此,已经与之前的传统款式不一样,如果稍微更改一下款型,外表看起来是一样的零部件,但很多情况下是无法工作的。这正是因为装有微控制器的缘故,这也是为什么最近的汽车零件订单是通过底盘号精确管理的原因。


半导体之所以在汽车中“随处可见”,并不仅仅是因为汽车的功能增加了,还有以下原因:通过逐步简化车内排布的线束(Wire Harness)来控制汽车重量。在模拟信号时代,曾经出现过仅线束重量就超过100千克的的高档车型;而进入数字时代后,会从独立于各零部件的线束中解放出来,从而达到大幅度减少重量的效果。


众所周知,节流阀(Throttle Value)和油门踏板(Accelerator Pedal)已经不再使用电线(Wire Cable)传递信号,而是转为电信号后进行传递。如今,就连刹车系统、转向系统都开始采用电传线控(Drive By Wire)方式。以此实现复杂、自由的车辆控制效果。以上也是一种正是因为采用了半导体才得以实现的技术。


如今,汽车前灯系统也实现了模组化、ALH(Adaptive LED Headlight,主动式LED前照灯,)等车身附属部位也开始使用半导体。


再说点题外话,由于汽车前照灯性能较高、且装入了半导体,曾发生过多次汽车被盗事件。其犯罪手法大致如下:利用传达前照灯的信号线连接到主ECU,解除门锁,启动引擎,仅用几分钟就盗走了一辆汽车。正是因为使用了半导体、提高了车内电子控制系统,才使此次犯罪得逞。虽然在试图通过提高安全性以防止犯罪发生,但事实却是无济于事。


半导体的本质是什么?


通过上文分析,读者应该了解到对于汽车而言,半导体是不可或缺的产品。那么,半导体究竟是什么呢,至今还不是很明确,下面我们详细解说。


半导体是一种电子零部件,其种类繁多。根据性能大概分为三类:


其一为晶体管,用于放大信号和电流。


其二为交换器(Switching),具有流通和切断电流的作用。用于逆变器(Invertor,用于控制EV、油电混合车的驱动电机的电流)的正是交换器。


其三为二极管,用于调整电流。它不仅可以调整线路内的电流,还可以用于把交流电转为直流电等其他方向。LED(发光二极管,已经被广泛用作光源)也是半导体的一种。


IC 是把晶体管、二极管、对于电子线路极其重要的电容器和电阻器、排线等都埋入到硅晶圆上的集成线路,不仅用于模拟线路,还在ECU内发挥中转作用,如转换为数字信号后,并传达给CPU。


LSI(Large Scale Integration)是一种将嵌入了IC功能的线路做得更细的大规模集成线路。电脑、智能手机、汽车ECU等使用的用于计算的CPU即为具有代表性的LSI。近年来,得益于微缩化发展,节能化、高效化效果显著,电脑、智能手机的性能也得以加速提升。


但是,车载半导体工作环境苛刻,有些地区甚至出现了因车辆操作失效致使车内人员致死的现象,因此,信赖性、耐用性最重要,就优先顺序而言,如何提高半导体芯片的性能被排在了后面。


日本企业在大部分原料、材料、生产设备方面依旧占有优势


曾经的日本在半导体制造业中位居全球首位,但是一次次在价格上败给其他国家企业,如今除个别特殊领域的半导体之外,日本陷入了全靠进口半导体的境遇。就半导体完成品而言,日本不敌海外半导体厂家,但在上游的原材料、生产设备方面,日本企业甚是活跃。


如大家所熟知的一样,日本政府曾限制对韩国出口对于生产半导体极其重要的三项化学品一一氟化氢、光刻胶、氟聚酰亚胺,这令韩国政府一度“手忙脚乱”。然而日本企业具有优势的还不止以上三种材料。日本的材料厂家、设备厂家在半导体必须的材料、设备领域占有很大的优势。


就作为半导体基础的硅晶圆而言,日本供给了全球一半以上的量。此外,日本企业也在研发其他新型半导体基础材料,如性能更高的碳化硅、氮化镓、更具成本优势的氧化镓等。


但是,如今日本国内硅晶圆的消费量仅占生产量的10%。未来,日本也应该在扩大国内半导体生产方面注入更多精力。


未来车载ECU的发展呈现两极化趋势


如今,汽车上不仅有引擎ECU,根据车型还有用于车内设施、底盘的ECU,通过这些ECU,把信号传递给位于相应末端的微控制器,进行控制。未来,为了实现更精确的控制,应该如何发展呢,让我们翘首以待。


就未来车内网络发展的提案而言,主要有两个。其一,以高性能ECU为核心,构筑网络。准备一个或者两个HPC(High Performance Computer,高性能计算机),再通过用于中转的ECU,控制终端微控制器。


其二,通过提高微控制的性能,减少ECU的负担。通过提高微控制器的安全性,同时也会发挥一部分ECU的作用。


以上提案是汽车零部件厂家提出的?还是半导体厂家提出的?他们的立场迥异。如果是汽车零部件厂家提出的,说明他们试图将零部件实现模组化、以减少零部件的数量,进而实现高附加值、高价格的目标。如果是半导体厂家提出的,说明他们希望搭载更多的半导体,以提高产量、实现稳定运营的目标。


车内网络的发展也分为有线和无线两个方向。除了要考虑安全性,还存在其他诸多利弊(如防噪音对策带来的利弊),预计未来会根据汽车的价格区间、地区制定最佳方案。


假设未来十年继续生产燃油车,那么可以预测的是,电子控制方面的零部件还会在现在的基础上发展两代。即使是EV也不再需要引擎、变速箱等精密的控制元件,对车身的控制将会更精密。


如今,汽车的电动化发展突飞猛进,人们普遍关注的是电机和电池。但是不管是引擎还是电机,如果没有半导体,它们都无法工作。对于汽车而言,半导体就相当于人类的大脑、眼睛、耳朵。日本要想在未来继续在汽车行业有所作为,掌握半导体至关重要。

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