現在，汽車行業的創新幾乎完全由智能電子技術驅動，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，近年來汽車行業已成為半導體行業的一個重要市場。今后幾年半導體技術將會怎樣呢？對汽車電子行業有何影響呢？
半導體工藝尺寸越來越小的趨勢會繼續延續。目前，針對汽車應用的MCU所用工藝范圍從0.5微米至0.18微米。基于0.13微米工藝的MCU也已開始啟用。
批量生產預計于2005年開始。飛思卡爾的MPC5200和MPC5500架構是這一工藝技術的典型代表。90nm和65nm工藝也正在開發中。隨著尺寸的縮小，每個晶圓上的芯片數目將大大增加，但相應的芯片掩膜和生產成本也會大幅提高。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，一個半導體產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大降低空閑模式下的功耗。飛思卡爾已經推出第一批MRAM存儲器樣片。
面向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。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，汽車系統嚴格的實時要求大大降低了傳統高性能CPU的效率。頻繁的任務切換和大量的中斷使得CPU流水線或高速緩存應接不暇。將部分任務轉移給外圍器件可解決這類問題，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網絡的通信數據，或靈活存儲模數轉換器(ADC)數據。依靠新的地址和數據總線架構可實現主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中得以實現。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序存儲效率來滿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重要優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逐漸減少衍生產品型號的發展趨勢。AUTOSAR軟件組件標準化項目也是這一行業趨勢的體現。飛思卡爾積極參與了所有與MCU相關的AUTOSAR工作組，以定義軟件和MCU硬件之間的最優接口。
汽車創新的未來概念
通過LIN和CAN網絡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通信技術不但為汽車應用提供了快速且確定性的數據傳輸，而且可實現容錯分布式系統。該技術在汽車中的部署和應用本質上依賴于具有成本效益的合適的半導體產品。為了服務于更廣泛的市場和應用，飛思卡爾決定開發單片式FlexRay方案。MFR4200器件是一種集成的FlexRay協議控制器，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，從而實現低成本的FlexRay控制單元網絡。只要簡單地添加FlexRay控制器，就可將現有和新的控制單元集成進FlexRay網絡。跟CAN類似，FlexRay控制器功能將來也要集成到MCU中，從而進一步降低成本。相應的產品已在開發之中，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，以及現今的“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的集成將是實現低成本、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，或者作為容錯系統的額外一級冗余。
半導體行業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子系統也能以一種低成本的方式集成起來，從而實現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
除了創新的功能和技術外，汽車行業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范，以及汽車的“噪聲”環境(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結構增加了安全和保險性。智能“時鐘監控”系統可監控時鐘質量，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存儲器的高質量數據編程。程序和數據存儲器的錯誤可通過“糾錯編碼”技術被實時檢測和糾正。高速緩存系統還使用了互補奇偶信息。此外，被保護存儲區域的自動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”情形的發生，從而可保證控制單元處于安全和穩定的工作狀態。這種安全和保險特性的不斷集成為汽車行業“零缺陷”項目的發展做出了貢獻。
作者：Hans-Peter Heigl
技術總監
飛思卡爾半導體德國公司
