面向未來(lái)汽車(chē)應用的高可靠性創(chuàng )新半導體方案綜述

　　現在，汽車(chē)行業(yè)的創(chuàng )新幾乎完全由智能電子技術(shù)驅動(dòng)，很多情況下這也是唯一可以實(shí)現新功能特性的途徑。如今，一個(gè)裝備良好的高檔汽車(chē)一般帶有40～50個(gè)電子控制單元，頂級車(chē)型甚至有70個(gè)以上。每個(gè)控制單元至少有一個(gè)微型計算機和幾個(gè)模擬元器件。因此，近年來(lái)汽車(chē)行業(yè)已成為半導體行業(yè)的一個(gè)重要市場(chǎng)。今后幾年半導體技術(shù)將會(huì )怎樣呢？對汽車(chē)電子行業(yè)有何影響呢？ 　　

　　半導體工藝尺寸越來(lái)越小的趨勢會(huì )繼續延續。目前，針對汽車(chē)應用的MCU所用工藝范圍從0.5微米至0.18微米?；?.13微米工藝的MCU也已開(kāi)始啟用。 　　

　　批量生產(chǎn)預計于2005年開(kāi)始。飛思卡爾的MPC5200和MPC5500架構是這一工藝技術(shù)的典型代表。90nm和65nm工藝也正在開(kāi)發(fā)中。隨著(zhù)尺寸的縮小，每個(gè)晶圓上的芯片數目將大大增加，但相應的芯片掩膜和生產(chǎn)成本也會(huì )大幅提高。300mm晶圓的采用將進(jìn)一步增加成本。因此，只有大批量生產(chǎn)才能實(shí)現具有成本效益的設計和產(chǎn)品生產(chǎn)。長(cháng)遠來(lái)看，一個(gè)半導體產(chǎn)品系列的很多衍生型號都將遭受淘汰的命運。顯然，將來(lái)的趨勢是少品種、大批量。 　　

　　為了支持針對汽車(chē)應用的未來(lái)定制方案，就需要基于嵌入式閃存EEPROM技術(shù)的靈活、可配置且可編程的產(chǎn)品。因此，在專(zhuān)用ROM MCU的開(kāi)發(fā)中，eFlash技術(shù)將受到青睞，而且將來(lái)會(huì )取代簡(jiǎn)單的CMOS技術(shù)。此外，越來(lái)越多的EEPROM仿真基于標準eFlash存儲模塊。然而，EEPROM仿真仍需要高性能嵌入式閃存技術(shù)，以便獲得至少一萬(wàn)次的編程/擦寫(xiě)周期。再過(guò)幾年，一種全新的非易失存儲技術(shù)將用于汽車(chē)應用。MRAM存儲技術(shù)可滿(mǎn)足MCU存儲器的所有專(zhuān)用需求，而且不存在目前的存儲器劃分(如ROM、RAM和EEPROM)的限制。非易失存儲器可快速寫(xiě)入實(shí)時(shí)狀態(tài)數據的功能將打開(kāi)新的應用之門(mén)，如飛機黑匣子記錄功能。此外，各種低功耗待機模式將大大降低空閑模式下的功耗。飛思卡爾已經(jīng)推出第一批MRAM存儲器樣片。 　　

　　面向汽車(chē)創(chuàng )新應用的未來(lái)結構 　　

　　創(chuàng )新功能的實(shí)現通常需要越來(lái)越高性能的計算方案。與PC不同的是，在汽車(chē)應用中高性能計算能力不能簡(jiǎn)單地依靠增加時(shí)鐘速率來(lái)實(shí)現。在這里有很多因素在限制著(zhù)時(shí)鐘速度的提高，比如高達125C的周?chē)鷾囟?、缺乏散熱裝置及功耗的限制等。此外，汽車(chē)系統嚴格的實(shí)時(shí)要求大大降低了傳統高性能CPU的效率。頻繁的任務(wù)切換和大量的中斷使得CPU流水線(xiàn)或高速緩存應接不暇。將部分任務(wù)轉移給外圍器件可解決這類(lèi)問(wèn)題，如I/O處理器和狀態(tài)機等。在馬達管理應用中，專(zhuān)門(mén)的“時(shí)間處理單元”可承擔分析和生成復雜時(shí)序信號的責任。智能DMA模塊可自動(dòng)處理來(lái)自L(fǎng)IN或CAN網(wǎng)絡(luò )的通信數據，或靈活存儲模數轉換器(ADC)數據。依靠新的地址和數據總線(xiàn)架構可實(shí)現主CPU和I/O處理器或DMA模塊的并行運行。這種分布式智能架構最早在新近推出的32位MCU MPC5500、MPC5200和MAC7100中得以實(shí)現。在16位領(lǐng)域，新的方法也在探索之中。一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對汽車(chē)應用定制的I/O處理器模塊可掌管所有外圍模塊的處理，因此CPU得以解脫以處理純應用任務(wù)。針對時(shí)序、通信和ADC的外圍模塊控制完全交給了I/O處理器模塊。全新的16位HCS12X MCU系列就采用了這一稱(chēng)為X-GATE的新概念。 　　

　　可以說(shuō)針對汽車(chē)應用的定制MCU結構將會(huì )繼續發(fā)展，因為它們能以低功耗、適度的散熱及良好的程序存儲效率來(lái)滿(mǎn)足高性能計算等系統要求。帶I/O處理器模塊的智能外圍電路的另一個(gè)重要優(yōu)勢在于其高度的靈活性和可配置性。因此，單個(gè)MCU型號就可有效解決多種汽車(chē)應用的問(wèn)題，這也正好符合半導體行業(yè)逐漸減少衍生產(chǎn)品型號的發(fā)展趨勢。AUTOSAR軟件組件標準化項目也是這一行業(yè)趨勢的體現。飛思卡爾積極參與了所有與MCU相關(guān)的AUTOSAR工作組，以定義軟件和MCU硬件之間的最優(yōu)接口。 　　

　　汽車(chē)創(chuàng )新的未來(lái)概念 　　

　　通過(guò)LIN和CAN網(wǎng)絡(luò )互連汽車(chē)的各個(gè)控制單元已經(jīng)達到了一種極限?，F在，創(chuàng )新的功能需要快速且確定性的數據傳輸。FlexRay通信技術(shù)不但為汽車(chē)應用提供了快速且確定性的數據傳輸，而且可實(shí)現容錯分布式系統。該技術(shù)在汽車(chē)中的部署和應用本質(zhì)上依賴(lài)于具有成本效益的合適的半導體產(chǎn)品。為了服務(wù)于更廣泛的市場(chǎng)和應用，飛思卡爾決定開(kāi)發(fā)單片式FlexRay方案。MFR4200器件是一種集成的FlexRay協(xié)議控制器，主要面向汽車(chē)市場(chǎng)。該器件可與飛思卡爾的16位和32位MCU無(wú)縫接口，從而實(shí)現低成本的FlexRay控制單元網(wǎng)絡(luò )。只要簡(jiǎn)單地添加FlexRay控制器，就可將現有和新的控制單元集成進(jìn)FlexRay網(wǎng)絡(luò )。跟CAN類(lèi)似，FlexRay控制器功能將來(lái)也要集成到MCU中，從而進(jìn)一步降低成本。相應的產(chǎn)品已在開(kāi)發(fā)之中，預計明年將會(huì )面市。 　　

　　幾年前，線(xiàn)控(Drive-by-Wire)技術(shù)是汽車(chē)行業(yè)頗受爭議的一個(gè)創(chuàng )新。該技術(shù)正被一步步應用，如電動(dòng)－液壓剎車(chē)和電動(dòng)方向盤(pán)操縱系統，以及現今的“電子氣壓踏板”。電控伺服馬達和制動(dòng)器(actuator)在將來(lái)的線(xiàn)控系統中將發(fā)揮重要作用。有效的控制越來(lái)越需要DSP功能。DSP和MCU的集成將是實(shí)現低成本、高效率系統的關(guān)鍵。飛思卡爾開(kāi)發(fā)的MC56F8300 MCU結構正是針對這一應用領(lǐng)域，它不但集成了DSP和MCU功能，而且還集成了專(zhuān)用外圍電路模塊。這樣就可以采用簡(jiǎn)單的機械部件和低成本的電動(dòng)馬達。此外，速度和定位傳感器可以省去，或者作為容錯系統的額外一級冗余。 　　

　　半導體行業(yè)另一個(gè)重要趨勢是模擬功能和智能控制邏輯的集成。飛思卡爾先進(jìn)的0.25微米SmartMOS-8技術(shù)可實(shí)現數字CMOS邏輯與模擬雙極晶體管及橫向DMOS功率晶體管的高度集成。SmartMOS-8首次使用溝道技術(shù)獲得了極高的功率晶體管封裝密度，這表明多個(gè)功率開(kāi)關(guān)能以一種高效的方式集成在單個(gè)芯片上。即使小的MCU子系統也能以一種低成本的方式集成起來(lái)，從而實(shí)現全新的智能負載控制器概念，特別適用于照明和制動(dòng)器(actuator)。 　　

　　提高汽車(chē)可靠性的未來(lái)功能和概念 　　

　　除了創(chuàng )新的功能和技術(shù)外，汽車(chē)行業(yè)還有另一個(gè)重要要求：高可靠性。流行的術(shù)語(yǔ)叫做“零缺陷”項目。半導體器件自然在該領(lǐng)域起著(zhù)重要作用。汽車(chē)半導體從設計開(kāi)始就需要100%的測試覆蓋率，新的芯片開(kāi)發(fā)由最新的芯片設計方法和功能級驗證工具提供支持。在最后的半導體器件測試中，自動(dòng)測試模式生成和全掃描測試方法是檢測邏輯錯誤的最佳方式。此外，“內置自檢”模塊可用于檢測全掃描測試無(wú)法覆蓋的功能錯誤。 　　

　　不過(guò)，控制設備失敗的原因有可能不是由缺陷元器件造成的，而是由缺陷軟件、沒(méi)有編譯或錯誤解釋的規范，以及汽車(chē)的“噪聲”環(huán)境(如導致EMC問(wèn)題的毛刺及電源噪聲等)。為減少這類(lèi)失敗，飛思卡爾的新型MCU結構增加了安全和保險性。智能“時(shí)鐘監控”系統可監控時(shí)鐘質(zhì)量，以便檢測和濾除掉引起EMC問(wèn)題的噪聲。如果由于石英晶體毀壞等原因而導致整個(gè)時(shí)鐘失敗，一個(gè)內部VCO就會(huì )自動(dòng)激活以保持控制單元的正常工作。自動(dòng)化的“邊際驗證”功能可確保嵌入式閃速EEPROM存儲器的高質(zhì)量數據編程。程序和數據存儲器的錯誤可通過(guò)“糾錯編碼”技術(shù)被實(shí)時(shí)檢測和糾正。高速緩存系統還使用了互補奇偶信息。此外，被保護存儲區域的自動(dòng)簽名生成和驗證也可確保高度的數據完整性。存儲器保護單元可防止個(gè)別軟件任務(wù)非法訪(fǎng)問(wèn)存儲器和外設，并可用于檢測“軟件跑飛”情形的發(fā)生，從而可保證控制單元處于安全和穩定的工作狀態(tài)。這種安全和保險特性的不斷集成為汽車(chē)行業(yè)“零缺陷”項目的發(fā)展做出了貢獻。