Роль SOI в автомобильных системах

Введение

В последние годы автомобильные технологии претерпели значительное развитие, особенно с появлением электромобилей (EV), автономного вождения и передовых систем помощи водителю (ADAS). По мере того как автомобили становятся все более сложными, растет спрос на полупроводниковые решения, способные решать сложные, высокопроизводительные вычислительные задачи, сохраняя при этом энергоэффективность и надежность.

Одной из наиболее важных инноваций, направленных на удовлетворение этой потребности, является технология "кремний на изоляторе" (SOI). SOI доказала свою важность в повышении производительности и надежности полупроводниковых устройств, особенно в автомобильных приложениях, где безопасность, эффективность и долговечность имеют первостепенное значение.

Что такое технология SOI

SOI - это технология производства полупроводников, при которой тонкий слой кремния наносится на изолирующую подложку, как правило, диоксид кремния (SiO2). Такая структура улучшает электрические характеристики транзисторов за счет снижения паразитной емкости, что, в свою очередь, повышает скорость работы, снижает энергопотребление и улучшает тепловую эффективность. Устройства на основе SOI широко используются в различных областях, включая бытовую электронику, телекоммуникации, а теперь все чаще и в автомобильных системах.

Похожие статьи: Сравнение SOI и кремниевых пластин: Что лучше для вашего полупроводникового проекта?

Почему SOI важен для автомобильных систем

Современные автомобили оснащены датчиками, контроллерами и системами связи, требующими высокой вычислительной мощности. Эти системы должны надежно работать в жестких условиях, выдерживая перепады температур, вибрации и электромагнитные помехи. Технология SOI обладает рядом ключевых преимуществ, которые делают ее идеальной для автомобильных приложений:

1. Низкое энергопотребление

Одним из ключевых преимуществ технологии SOI является ее способность работать при более низких уровнях энергопотребления. Энергоэффективность имеет решающее значение для автомобильных систем, особенно для электромобилей (EV) и гибридных электромобилей (HEV), где сохранение времени автономной работы является приоритетной задачей. Устройства SOI снижают ток утечки, что помогает минимизировать потери энергии и повышает общую эффективность. Согласно исследованию GlobalFoundries, чипы на основе SOI потребляют на 30 % меньше энергии, чем обычные кремниевые чипы, что делает их идеальными для чувствительных к питанию приложений, таких как ADAS и информационно-развлекательные системы.

2. Улучшенные тепловые характеристики

Автомобильная среда может быть экстремальной, компоненты часто подвергаются воздействию высоких температур. Изолирующий слой в SOI-структурах уменьшает теплопередачу между кремниевой подложкой и другими компонентами, что приводит к улучшению терморегулирования.

STMicroelectronics продемонстрировала, что устройства SOI могут работать при температурах до 200°C, что делает их особенно подходящими для автомобильных блоков управления трансмиссией и систем управления двигателем. Улучшенные тепловые характеристики увеличивают срок службы и надежность микросхем на основе SOI, обеспечивая стабильную работу в течение долгого времени.

3. Повышенная производительность для систем ADAS и автономного вождения

Системы ADAS и автономного вождения зависят от быстрой обработки большого количества данных, поступающих от различных датчиков, камер и радаров. Эти системы требуют высокоскоростной обработки и анализа данных в реальном времени для выполнения таких задач, как помощь при движении по полосе, автоматическое экстренное торможение и адаптивный круиз-контроль.

Недавнее исследование, проведенное французским исследовательским институтом Leti, показало, что технология SOI обеспечивает на 30 % более высокую скорость обработки данных в системах ADAS по сравнению с традиционными кремниевыми устройствами. Чипы на основе SOI не только быстрее, но и более энергоэффективны, что делает их идеальными для интеграции в модули ADAS.

4. Превосходная целостность сигнала и помехоустойчивость

Автомобильная среда часто бывает шумной с точки зрения электромагнитных помех (EMI) из-за различных электронных систем, работающих одновременно. Технология SOI по своей природе обеспечивает превосходную целостность сигнала и снижает восприимчивость к шумам. Изолирующий слой в подложках SOI помогает защитить транзисторы от помех, повышая надежность автомобильных электронных систем.

SOI в ключевых автомобильных приложениях

По мере того как автомобильный сектор осваивает технологии нового поколения, SOI находит применение в различных ключевых системах.

1. ADAS (усовершенствованные системы помощи водителю)

Функции ADAS, такие как адаптивный круиз-контроль, предупреждение о сходе с полосы движения, обнаружение слепых зон и автоматическое экстренное торможение, основаны на высокоскоростной обработке данных датчиков с низким энергопотреблением. Технология SOI используется в процессорах и блоках управления, которые поддерживают функции ADAS, обеспечивая вычислительную мощность, необходимую для интерпретации данных датчиков в режиме реального времени.

[1]

В 2020 году было представлено семейство микроконтроллеров S32 для ADAS, в котором используется технология SOI для достижения 50 % снижения энергопотребления при сохранении высокой вычислительной мощности. Эта инновация позволяет автопроизводителям интегрировать более продвинутые функции ADAS без ущерба для энергоэффективности.

2. Силовые агрегаты и управление батареями

Технология SOI все чаще используется в блоках управления силовыми агрегатами, которые отвечают за оптимизацию работы двигателя, снижение вредных выбросов и повышение топливной эффективности. В электромобилях (EV) микросхемы на основе SOI также можно найти в системах управления аккумуляторами (BMS), которые контролируют и управляют зарядкой и разрядкой батарей.

Например, было доказано, что одна из лучших систем управления батареями на основе SOI позволяет увеличить срок службы батареи на 15 % благодаря энергоэффективной работе и лучшей терморегуляции. Эти системы должны работать эффективно, чтобы продлить срок службы батареи и оптимизировать использование энергии - области, в которых возможности SOI в области низкого энергопотребления просто великолепны.

3. Информационно-развлекательные системы

Современные информационно-развлекательные системы предлагают такие функции, как GPS-навигация, воспроизведение мультимедиа и беспроводная связь, и все они требуют высокой вычислительной мощности при сохранении энергоэффективности. Технология SOI позволяет создавать процессоры, способные решать сложные задачи, требуемые этими системами, без чрезмерного выделения тепла и энергопотребления.

4. Связь между транспортными средствами и всем остальным (V2X)

Связь V2X позволяет автомобилям обмениваться информацией с другими транспортными средствами, инфраструктурой и пешеходами. Эта связь имеет решающее значение для будущего подключенных и автономных транспортных средств, поскольку она помогает предотвратить аварии и обеспечивает более плавное движение транспорта. Технология SOI обеспечивает производительность и надежность, необходимые для процессоров, управляющих связью V2X, предлагая низкую задержку и высокую пропускную способность.

Влияние SOI на безопасность и надежность автомобилей

Безопасность и надежность - важнейшие проблемы автомобильной промышленности, и технология SOI играет ключевую роль в решении этих задач. Улучшенные тепловые характеристики и низкое энергопотребление устройств SOI снижают риск выхода из строя из-за перегрева или чрезмерного потребления энергии. Кроме того, повышенная помехоустойчивость и целостность сигнала микросхем на основе SOI обеспечивают надежную работу автомобильных систем даже в условиях сильных электромагнитных помех.

В таких критически важных приложениях, как ADAS, надежность имеет первостепенное значение. Исследование показало, что датчики на основе SOI в системах ADAS снижают количество отказов системы на 25 %, что делает их предпочтительным выбором для автопроизводителей, уделяющих особое внимание безопасности. Сбои или отказы в этих системах могут привести к авариям, поэтому использование полупроводниковых технологий, обеспечивающих превосходную производительность и стабильность, таких как SOI, имеет большое значение.

Будущее SOI в автомобильных системах

Поскольку автомобильная промышленность продолжает развиваться в направлении создания полностью автономных транспортных средств и более совершенных электромобилей, спрос на высокопроизводительные и энергоэффективные полупроводниковые решения будет только расти. Технология SOI, обладающая уникальными преимуществами в области энергоэффективности, терморегулирования и целостности сигнала, имеет все шансы удовлетворить эти потребности. Ее применение, вероятно, будет расширяться и дальше, поддерживая не только ADAS, но и современные информационно-развлекательные системы, связь V2X и другие развивающиеся автомобильные технологии.

Заключение

Одним словом, технология "кремний на изоляторе" (SOI) становится переломным моментом в автомобильном секторе, особенно в системах, требующих высокой производительности, низкого энергопотребления и надежности в суровых условиях. По мере того как автомобили становятся все более умными и автоматизированными, SOI будет продолжать играть ключевую роль в развитии инноваций и обеспечении безопасности и эффективности современных автомобильных систем. Более подробную информацию о SOI можно найти на сайте Stanford Advanced Materials (SAM).

Ссылки:

[1] Chipengo, Ushemadzoro. (2018). Исследование полного физического моделирования возврата радаров на ограждениях для автомобильных радарных систем на частоте 77 ГГц. IEEE Access. PP. 1-1. 10.1109/ACCESS.2018.2881101.