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針對未來汽車應用的高可靠性創新半導體方案綜述

上網時間 : 2004年12月01日

現在，汽車產業的創新幾乎完全由智慧電子技術驅動，很多情況下這也是唯一可以實現新功能特性的途徑。如今，一個裝備良好的高級汽車一般具有40～50個電子控制單元，頂級車型甚至有70個以上。每個控制單元至少有一個微型電腦和幾個類比零件。因此，近年來汽車產業已成為半導體產業的一個重要市場。今後幾年半導體技術將會怎樣呢？對汽車電子產業有何影響呢？


半導體製程尺寸越來越小的趨勢會繼續延續。目前，針對汽車應用的MCU所用製程範圍從0.5微米至0.18微米。基於0.13微米製程的MCU也已開始啟用。


量產預計於2005年開始。飛思卡爾的MPC5200和MPC5500架構是這一製程技術的典型代表。90nm和65nm製程也正開發中。隨著尺寸的縮小，每個晶圓上的晶片數目將大幅增加，但相應的晶片光罩和生產成本也會大幅提高。300mm晶圓的採用將進一步增加成本。因此，只有大量產才能實現具有成本效益的設計和產品生產。長遠來看，一個半導體系列產品的很多衍生型號都將遭受淘汰的命運。顯然，將來的趨勢是少品種、大批量。


為了支援針對汽車應用的未來定製方案，就需要基於嵌入式快閃記憶體EEPROM技術的靈活、可配置且可程式的產品。因此，在專用ROM MCU的開發中，eFlash技術將受到青睞，而且將來會取代簡單的CMOS技術。此外，越來越多的EEPROM模擬基於標準eFlash儲存模組。然而，EEPROM模擬仍需要高性能嵌入式快閃記憶體技術，以便獲得至少一萬次的編程/擦寫周期。再過幾年，一種全新的非揮發儲存技術將用於汽車應用。MRAM儲存技術可滿足MCU記憶體的所有專用需求，而且不存在目前的記憶體劃分(如ROM、RAM和EEPROM)的限制。非揮發性記憶體可快速寫入即時狀態數據的功能將打開新的應用之門，如飛機黑匣子記錄功能。此外，各種低功耗待機模式將大幅降低閒置模式下的功耗。飛思卡爾已經推出第一批MRAM記憶體樣片。

圖1: 周邊模組控制完全由I/O控制器完成的X-GATE概念。

針對汽車創新應用的未來結構


創新功能的實現通常需要越來越高性能的運算方案。與PC不同的是，在汽車應用中高性能運算能力不能簡單地依靠增加時脈速率來實現。在這裡有很多因素在限制著時脈速度的提高，比如高達125℃的周圍溫度、缺乏散熱裝置及功耗的限制等。此外，汽車系統嚴格的即時要求大幅降低了傳統高性能CPU的效率。頻繁的任務切換和大量的中斷使得CPU管線或高速緩衝記憶體應接不暇。將部份任務轉移給周邊元件可解決這類問題，如I/O處理器和狀態機等。在馬達管理應用中，專門的‘時間處理單元’可負責分析和產生複雜時序訊號的責任。智慧DMA模組可自動處理來自LIN或CAN網路的通訊數據，或靈活儲存類比數位轉換器(ADC)數據。依靠新的地址和數據匯流排架構可實現主CPU和I/O處理器或DMA模組的平行執行。這種分佈式智慧架構最早在新近推出的32位元MCU MPC5500、MPC5200和MAC7100中得以實現。在16位元領域，新的方法也在探索之中。一個專門針對汽車應用定製的I/O處理器模組可掌管所有周邊模組的處理，因此CPU得以解脫以處理純應用任務。針對時序、通訊和ADC的周邊模組控制完全交給了I/O處理器模組。全新的16位元HCS12X MCU系列就採用了這一稱為X-GATE的新概念。


可以說針對汽車應用的定製MCU結構將會繼續發展，因為它們能以低功耗、適度的散熱及良好的程式儲存效率來滿足高性能運算等系統要求。帶I/O處理器模組的智慧周邊電路的另一個重要優勢在於其高度的靈活性和可配置性。因此，單個MCU型號就可有效解決多種汽車應用的問題，這也正好符合半導體產業逐漸減少衍生產品型號的發展趨勢。AUTOSAR軟體組件標準化計畫也是這一產業趨勢的體現。飛思卡爾積極參與了所有與MCU相關的AUTOSAR工作組，以定義軟體和MCU硬體之間的最優介面。


汽車創新的未來概念


透過LIN和CAN網路互連汽車的各個控制單元已經達到了一種極限。現在，創新的功能需要快速且確定性的數據傳輸。FlexRay通訊技術不但為汽車應用提供了快速且確定性的數據傳輸，而且可實現容錯分散式系統。該技術在汽車中的部署和應用本質上依賴於具有成本效益的合適的半導體產品。為了服務於更廣泛的市場和應用，飛思卡爾決定開發單片式FlexRay方案。MFR4200元件是一種整合的FlexRay協議控制器，主要針對汽車市場。該元件可與飛思卡爾的16位元和32位元MCU無縫介面，因而實現低成本的FlexRay控制單元網路。只要簡單地添加FlexRay控制器，就可將現有和新的控制單元整合進FlexRay網路。跟CAN類似，FlexRay控制器功能將來也要整合在MCU中，因而進一步降低成本。相應的產品已在開發之中，預計明年將會上市。


幾年前，線控(Drive-by-Wire)技術是汽車產業頗受爭議的一個創新。該技術正被一步步應用，如電動－液壓剎車和電動方向盤操縱系統，以及目前的‘電子氣壓踏板’。電控伺服馬達和制動器(actuator)在將來的線控系統中將發揮重要作用。有效的控制越來越需要DSP功能。DSP和MCU的整合將是實現低成本、高效率系統的關鍵。飛思卡爾開發的MC56F8300 MCU結構正是針對這一應用領域，它不但整合了DSP和MCU功能，而且還整合了專用周邊電路模組。這樣就可以採用簡單的機械元件和低成本的電動馬達。此外，速度和定位感測器可以省去，或者作為容錯系統的額外一級冗餘。


圖2： 整合了DSP和MCU功能以及專用周邊模組的16位元混合控制器56F8300框圖


半導體產業另一個重要趨勢是模擬功能和智慧控制邏輯的整合。飛思卡爾先進的0.25微米SmartMOS-8技術可實現數位CMOS邏輯與模擬雙載子電晶體及橫向DMOS功率電晶體的高度整合。SmartMOS-8首次使用通道技術獲得了極高的功率電晶體封裝密度，這顯示多個功率開關能以一種高效的方式整合在單個晶片上。即使小的MCU子系統也能以一種低成本的方式整合起來，因而實現全新的智慧負載控制器概念，特別適用於照明和制動器(actuator)。


提高汽車可靠性的未來功能和概念


除了創新的功能和技術外，汽車產業還有另一個重要要求：高可靠性。流行的術語叫做‘零缺陷’計畫。半導體元件自然在該領域起著重要作用。汽車半導體從設計開始就需要100%的測試覆蓋率，新的晶片開發由最新的晶片設計方法和功能級驗證工具提供支援。在最後的半導體元件測試中，自動測試模式產生和全掃描測試方法是檢測邏輯錯誤的最佳方式。此外，‘內建自檢’模組適用於檢測全掃描測試無法覆蓋的功能錯誤。


不過，控制設備失敗的原因有可能不是由缺陷零組件造成的，而是由缺陷軟體、沒有編譯或錯誤解釋的規格，以及汽車的‘噪音’環境(如導致EMC問題的突波及電源噪音等)。為減少這類失敗，飛思卡爾的新型MCU結構增加了安全和保險性。智慧‘時脈監控’系統可監控時脈品質，以便檢測和濾除掉引起EMC問題的噪音。如果由於石英晶體毀壞等原因而導致整個時脈失敗，一個內部VCO就會自動啟動以保持控制單元的正常工作。自動化的‘邊際驗證’功能可確保嵌入式閃速EEPROM記憶體的高品質數據編程。程式和數據記憶體的錯誤可透過‘糾錯編碼’技術被即時檢測和糾正。高速緩衝記憶體系統還使用了互補奇偶資訊。此外，被保護儲存區域的自動簽名產生和驗證也可確保高度的數據完整性。記憶體保護單元可防止個別軟體任務非法存取記憶體和週邊設備，並適用於檢測‘軟體跑飛’情形的產生，因而可保證控制單元處於安全和穩定的工作狀態。這種安全和保險特性的不斷整合為汽車產業‘零缺陷’計畫的發展做出了貢獻。


作者：Hans-Peter Heigl


技術總監


飛思卡爾半導體德國公司

posted by C.H. Chen @ 12:07 AM