面向未來汽車應用的高可靠性創(chuàng)新半導體方案綜述

現(xiàn)在，汽車行業(yè)的創(chuàng)新幾乎完全由智能電子技術驅(qū)動，很多情況下這也是唯一可以實現(xiàn)新功能特性的途徑。如今，一個裝備良好的高檔汽車一般帶有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計算機和幾個模擬元器件。因此，近年來汽車行業(yè)已成為半導體行業(yè)的一個重要市場。今后幾年半導體技術將會怎樣呢？對汽車電子行業(yè)有何影響呢？

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

批量生產(chǎn)預計于2005年開始。飛思卡爾的MPC5200和MPC5500架構(gòu)是這一工藝技術的典型代表。90nm和65nm工藝也正在開發(fā)中。隨著尺寸的縮小，每個晶圓上的芯片數(shù)目將大大增加，但相應的芯片掩膜和生產(chǎn)成本也會大幅提高。300mm晶圓的采用將進一步增加成本。因此，只有大批量生產(chǎn)才能實現(xiàn)具有成本效益的設計和產(chǎn)品生產(chǎn)。長遠來看，一個半導體產(chǎn)品系列的很多衍生型號都將遭受淘汰的命運。顯然，將來的趨勢是少品種、大批量。

為了支持針對汽車應用的未來定制方案，就需要基于嵌入式閃存EEPROM技術的靈活、可配置且可編程的產(chǎn)品。因此，在專用ROM MCU的開發(fā)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，以便獲得至少一萬次的編程/擦寫周期。再過幾年，一種全新的非易失存儲技術將用于汽車應用。MRAM存儲技術可滿足MCU存儲器的所有專用需求，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入實時狀態(tài)數(shù)據(jù)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。

面向汽車創(chuàng)新應用的未來結(jié)構(gòu)

創(chuàng)新功能的實現(xiàn)通常需要越來越高性能的計算方案。與PC不同的是，在汽車應用中高性能計算能力不能簡單地依靠增加時鐘速率來實現(xiàn)。在這里有很多因素在限制著時鐘速度的提高，比如高達125°C的周圍溫度、缺乏散熱裝置及功耗的限制等。此外，汽車系統(tǒng)嚴格的實時要求大大降低了傳統(tǒng)高性能CPU的效率。頻繁的任務切換和大量的中斷使得CPU流水線或高速緩存應接不暇。將部分任務轉(zhuǎn)移給外圍器件可解決這類問題，如I/O處理器和狀態(tài)機等。在馬達管理應用中，專門的“時間處理單元”可承擔分析和生成復雜時序信號的責任。智能DMA模塊可自動處理來自LIN或CAN網(wǎng)絡的通信數(shù)據(jù)，或靈活存儲模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)據(jù)。依靠新的地址和數(shù)據(jù)總線架構(gòu)可實現(xiàn)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(gòu)最早在新近推出的32位MCU MPC5500、MPC5200和MAC7100中得以實現(xiàn)。在16位領域，新的方法也在探索之中。一個專門針對汽車應用定制的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。針對時序、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為X-GATE的新概念。

可以說針對汽車應用的定制MCU結(jié)構(gòu)將會繼續(xù)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滿足高性能計算等系統(tǒng)要求。帶I/O處理器模塊的智能外圍電路的另一個重要優(yōu)勢在于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(xiàn)。飛思卡爾積極參與了所有與MCU相關的AUTOSAR工作組，以定義軟件和MCU硬件之間的最優(yōu)接口。

汽車創(chuàng)新的未來概念

通過LIN和CAN網(wǎng)絡互連汽車的各個控制單元已經(jīng)達到了一種極限?，F(xiàn)在，創(chuàng)新的功能需要快速且確定性的數(shù)據(jù)傳輸。FlexRay通信技術不但為汽車應用提供了快速且確定性的數(shù)據(jù)傳輸，而且可實現(xiàn)容錯分布式系統(tǒng)。該技術在汽車中的部署和應用本質(zhì)上依賴于具有成本效益的合適的半導體產(chǎn)品。為了服務于更廣泛的市場和應用，飛思卡爾決定開發(fā)單片式FlexRay方案。MFR4200器件是一種集成的FlexRay協(xié)議控制器，主要面向汽車市場。該器件可與飛思卡爾的16位和32位MCU無縫接口，從而實現(xiàn)低成本的FlexRay控制單元網(wǎng)絡。只要簡單地添加FlexRay控制器，就可將現(xiàn)有和新的控制單元集成進FlexRay網(wǎng)絡。跟CAN類似，F(xiàn)lexRay控制器功能將來也要集成到MCU中，從而進一步降低成本。相應的產(chǎn)品已在開發(fā)之中，預計明年將會面市。

幾年前，線控(Drive-by-Wire)技術是汽車行業(yè)頗受爭議的一個創(chuàng)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(tǒng)，以及現(xiàn)今的“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(tǒng)中將發(fā)揮重要作用。有效的控制越來越需要DSP功能。DSP和MCU的集成將是實現(xiàn)低成本、高效率系統(tǒng)的關鍵。飛思卡爾開發(fā)的MC56F8300 MCU結(jié)構(gòu)正是針對這一應用領域，它不但集成了DSP和MCU功能，而且還集成了專用外圍電路模塊。這樣就可以采用簡單的機械部件和低成本的電動馬達。此外，速度和定位傳感器可以省去，或者作為容錯系統(tǒng)的額外一級冗余。

半導體行業(yè)另一個重要趨勢是模擬功能和智能控制邏輯的集成。飛思卡爾先進的0.25微米SmartMOS-8技術可實現(xiàn)數(shù)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首次使用溝道技術獲得了極高的功率晶體管封裝密度，這表明多個功率開關能以一種高效的方式集成在單個芯片上。即使小的MCU子系統(tǒng)也能以一種低成本的方式集成起來，從而實現(xiàn)全新的智能負載控制器概念，特別適用于照明和制動器(actuator)。

提高汽車可靠性的未來功能和概念

除了創(chuàng)新的功能和技術外，汽車行業(yè)還有另一個重要要求：高可靠性。流行的術語叫做“零缺陷”項目。半導體器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，新的芯片開發(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(nèi)置自檢”模塊可用于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元器件造成的，而是由缺陷軟件、沒有編譯或錯誤解釋的規(guī)范，以及汽車的“噪聲”環(huán)境(如導致EMC問題的毛刺及電源噪聲等)。為減少這類失敗，飛思卡爾的新型MCU結(jié)構(gòu)增加了安全和保險性。智能“時鐘監(jiān)控”系統(tǒng)可監(jiān)控時鐘質(zhì)量，以便檢測和濾除掉引起EMC問題的噪聲。如果由于石英晶體毀壞等原因而導致整個時鐘失敗，一個內(nèi)部VCO就會自動激活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存儲器的高質(zhì)量數(shù)據(jù)編程。程序和數(shù)據(jù)存儲器的錯誤可通過“糾錯編碼”技術被實時檢測和糾正。高速緩存系統(tǒng)還使用了互補奇偶信息。此外，被保護存儲區(qū)域的自動簽名生成和驗證也可確保高度的數(shù)據(jù)完整性。存儲器保護單元可防止個別軟件任務非法訪問存儲器和外設，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(wěn)定的工作狀態(tài)。這種安全和保險特性的不斷集成為汽車行業(yè)“零缺陷”項目的發(fā)展做出了貢獻。

作者：Hans-Peter Heigl

技術總監(jiān)

飛思卡爾半導體德國公司