汽车科普：为什么芯片会短缺？还要短缺多久？
撰文 / 马晓蕾
编辑 / 周 洲
设计 / 师玉超
来源 / 福布斯，作者：Willy Shih
汽车行业还在“缺芯”。电动汽车会用到更多的半导体，燃油车也会用到很多芯片。而这些芯片在供不应求时，很难提高制造能力。
为什么汽车中使用了这么多的半导体芯片？
《纽约时报》说，如今，一辆汽车可以使用多达3000个半导体芯片，另一家媒体的说法是1000多个，这取决于需要计算的内容。
但在20世纪60年代，汽车中的电子产品几乎只有一个汽车收音机。一个在不久前几乎完全机械化的产品，现在怎么会用到这么多芯片？这其实反映了芯片应用在大量消费和工业产品中普遍上升：性能、成本和功能从硬件迁移到软件。
就汽车行业而言，1973年石油危机后，改善燃油经济性的巨大努力迅速增加了电子技术在发动机控制中的应用。虽然电子点火装置在20世纪60年代末已经开始出现，但将微控制器芯片用于发动机控制时，就已经展示了数字化的潜力。
使用传感器来监测温度、曲轴位置、质量空气流量（mass air flow）、节气门位置（throttle position）和废气中的氧气浓度等，汽车制造商能够极大地改善车辆的燃油经济性和排放情况。控制器芯片进行即时计算，以优化发动机性能，这是机械传感器和连接装置无法做到的。
这凸显了半导体芯片使用增长背后的一个重要驱动力：使用软件实现许多功能，而这些功能单靠硬件可能很难做到，甚至不可能做到。
计算喷油器的最佳进料速率可能需要实时求解复杂的方程或在表格中查找数字。用计算机芯片和一些软件就可以很容易、很便宜地做到。这也是自动变速箱的由来，它使用软件来实现下坡时降挡等复杂的控制方案。控制器芯片连接到速度传感器，将信号发送到控制变速器螺线管的半导体功率开关。
功率半导体是在数字控制下开关电源的器件，广泛用于整个车辆。如果你把这些设备也算作“芯片”，车辆中的半导体设备数量就会大大增加。
汽车级半导体芯片及其控制的相关开关和器件比机械级半导体芯片更可靠。以1968年款水星美洲狮的后备厢外的转向灯为例，转向灯与一个小的电机驱动的旋转开关相连接，一旦触点被磨损或腐蚀就会出问题。采用半导体开关和一个简单的定时器电路，能够使这样的机制更加可靠。
车辆中的信息娱乐系统使用了大量的芯片▼
又比如大众甲壳虫上的一个功能，当驾驶员跳进车内关上车门时，驾驶员一侧的窗户在车门即将关闭时降了一点，车门关闭后又自动升回来。这平衡了乘客舱内的压力，保护驾驶员的耳朵。这种功能如果纯粹以机械方式实现，确实有点难，但用微芯片可能只是几行代码的事。
汽车的车身电子设备电动窗、门锁、侧视镜通常与车身控制模块（BCM）芯片相连。BCM还与整个汽车的其他电子单元进行通信，如仪表盘和许多传感器。当然，信息娱乐系统也使用大量的芯片。
用软件代替硬件实现各种功能的另一大优势是：你可以在发货后继续修改产品。电脑和手机软件中经常会有这种情况，每隔一段时间就会得到一个新的软件更新。特斯拉已经展示了OTA的魅力，它修改了汽车的功能。
通用电气航空集团（GE Aviation）也做过一个软件修复，暂时纠正了波音公司787和747-8飞机上使用的该公司GEnx涡轮风扇发动机的高空结冰问题。
汽车芯片的设计和制造方式有什么独特之处？
汽车芯片有几个突出特点。首先，它们必须在极端温度下长期运行，同时要承受大量的冲击和振动。汽车制造商预期汽车芯片有15年的工作寿命，在这期间需要达到零故障率。
大多数消费类电子设备（如手机）的故障率是百万分之几，五年后就会被认为是过时了。然而，电脑出了故障可以重启，如果发动机控制器出了故障，难道也把车停在路边重新启动？
芯片需要可靠性，所以它们必须经过设计和测试，以便在极端条件下有足够的工作寿命。
汽车电子委员会（Automotive Electronics Council，由底特律三巨头建立）为芯片制定了一系列的质量标准。对于工作温度，它定义了0级、1级、2级和3级的工作范围，其中1级为-40ºC至+125ºC，2级为-40ºC至+105ºC。
这是一个比大多数消费类芯片更具挑战性的范围。
位于日本茨城县常陆的瑞萨电子那珂工厂是一个关键的供应商▼
第二个要求是它们的设计必须考虑到安全问题。ISO 26262功能安全标准涵盖了很多这方面的内容，其中包括从如何设计到如何处理故障等一系列内容。
最后，在半导体工厂制造芯片的过程必须是合规的，这通常需要6个月。工厂还需要对工艺设计套件进行调试，以适应高温设备模型和其他提高可靠性的东西。
之后，芯片必须经过广泛的测试，如在高温和恶劣条件下的加速寿命测试以后，才能被嵌入汽车中。主流汽车制造商已经花了长达3-5年的时间来设计、测试和验证新芯片。
许多汽车微控制器使用90纳米技术，而且一直很难增加产能。过去两年的短缺促使一些汽车芯片供应商迁移到65/55纳米节点，有些甚至已经跳到40纳米。
但中国台湾的《电子时报》表示，用40纳米工艺制造的新芯片需要多达五年的时间才能通过验证程序。这意味着现有技术将在未来一段时间内使用。而这就是为什么汽车芯片短缺问题的持续时间比大多数人认为的要长得多。
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