Ingénierie des semi-conducteurs – Pertes de poids dans l'électronique automobile – Ou louer une BMW C Evolution

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Le poids est en train de devenir une préoccupation majeure pour les constructeurs automobiles car davantage de circuits électroniques sont ajoutés aux véhicules alimentés entièrement ou partiellement par des batteries. En conséquence, les fabricants de puces et les équipementiers explorent d'autres matériaux de substrat, différents types de fusion de capteurs et de nouveaux moyens de réduire le nombre de fils.

L'ajout de livres réduit l'autonomie des véhicules électriques ou hybrides. L’industrie des puces automobiles doit perdre du poids tout en continuant de jongler avec tous les objectifs de sécurité fonctionnelle, de fiabilité et de longévité. Et il doit y parvenir tout en expérimentant l'IA à 7 nm et au-delà. En conséquence, les constructeurs commencent à explorer différentes architectures de capteurs et circuits imprimés souples.

«Chaque gramme compte», a déclaré Dragos Maciuca, directeur exécutif du centre de recherche et d'innovation de Ford Motor Co. à Palo Alto, en Californie. Lors du récent MSTC FLEX 2019, organisé par MEMS & Sensors Industry Group (MSIG) et FlexTech, Les communautés technologiques SEMI, a-t-il déclaré, "Ce que nous attendons de ce public, c'est une économie de 5 LiDAR et un gain de poids de 50%."

En termes simples, l'objectif est moins de poids et une perception à 360 °.

«Le contenu des systèmes microélectroniques des véhicules automobiles augmentant de manière presque exponentielle, les exigences en poids et en espace de ces composants de systèmes traditionnels ne seront plus gérables», a déclaré William Stone, directeur de l'électronique imprimée, des intégrations et des opérations chez Brewer Science. «Il est facile de pointer du côté du câblage et du circuit imprimé et de les mettre au défi de trouver un gain de poids. Les faisceaux de câbles traditionnels sont exceptionnellement lourds et encombrants en raison de leurs noyaux en cuivre épais et de leurs isolants épais. De même, les cartes de circuit imprimé sont volumineuses et nécessitent un support rigide pour le montage et la stabilité. ”

Mais le nombre croissant de capteurs dans les automobiles constitue une menace importante. Les voitures contiennent déjà plus de 100 capteurs, a déclaré Maciuca. Ce nombre devrait atteindre environ 600 pour les véhicules électriques et à nouveau pour les véhicules totalement autonomes.

Pourquoi du poids? Combien et où?
Ford divise la technologie en quatre parties: autonome, connectée, électrifiée et partagée, chacune pouvant affecter le poids et le coût. Plus la voiture est autonome, plus le nombre de capteurs nécessaires à la conduite de la voiture robotisée est important.

Rien que la surveillance en cabine et en maintenance deviendra importante dans les flottes de taxis sans conducteur, a déclaré Nicolas Sauvage, directeur principal de l'écosystème du groupe MEMS Sensor Business Group chez TDK-InvenSense. «Tout à coup, vous ne pouvez pas croire que quelqu'un dans la voiture a tout vérifié. Je pense que vous commencerez à voir encore plus de capteurs pour surveiller la santé de la voiture elle-même. "

Par exemple, il prévoit une détection de gaz en cabine pour détecter les problèmes d’air ambiant dans la cabine. Cela peut inclure des alertes en cas d’incendie, de tabagisme ou d’émission élevée2 niveaux car la fenêtre ne s’est pas ouverte depuis quelques jours. Et c’est juste dans la cabine. La voiture surveillera également la conduite et de nombreuses fonctions dans la voiture. Si vous ne pouvez pas faire confiance à un humain pour vérifier si une voiture est prête à conduire, la règle empirique consiste à ajouter plus de capteurs.

Néanmoins, le radar, le LiDAR et les caméras doivent être nettoyés de temps en temps. "Nous avons plusieurs voitures autonomes", a déclaré Srikanth Saripalli, professeur associé au Unmanned Systems Lab de la Texas A & M University. «Ils fonctionnaient tous très bien et un jour, nous en avons testé un, et le système a cessé de fonctionner. Nous n'étions pas sûr de ce qui s'était passé. Cela nous a pris quelques jours. Nous avons tout testé et nous ne comprenions toujours pas ce qui s’était passé. Et puis, tout à coup, nous avons examiné nos lasers – le LiDAR que nous avons sur les voitures. Nous avons vu beaucoup d'insectes qui les collaient. Au Texas, vous avez beaucoup d'insectes volants. Tu dois nettoyer ton laser tous les jours.

Une partie du poids et du coût sera perdue lorsque les voitures autonomes gouverneront la route. En retirant un conducteur de la voiture, vous économisez sur le poids et le coût du volant, ainsi que sur tout ce que le conducteur regarde au travers. «Vous n’en aurez peut-être plus besoin», a déclaré Sauvage d’InvenSense. "En fait, les coûts de ces voitures pourraient être considérablement réduits – peut-être à un point où ce sont toutes les voitures sans conducteur pour lesquelles vous n'avez plus besoin de pare-chocs, car ces véhicules ne se heurtent plus."

Selon M. Sauvage, un autre exemple consiste à ajouter une très bonne solution LiDAR / radar avec une heure de vol précise. «Dès que toutes les voitures sans conducteur commencent à se connaître et que des infrastructures sont construites pour elles, à un moment donné, il n’ya pas d’accident. Si vous n’avez plus d’accident, le coût de cette voiture pourrait encore être réduit. "

Bien que le poids total continue à baisser, tout n'est pas plus léger. «Si nous passons à un groupe motopropulseur électrique, nous avons tout à coup moins de types de capteurs. Mais nous allons en avoir beaucoup plus, car chaque cellule de batterie doit maintenant être surveillée séparément, nous avons besoin de température, de tension », a déclaré Maciuca.

Nous savons une chose: le taux de prise de poids s'accélère, a déclaré Doug Burcicki, directeur du développement du marché automobile chez Mentor, une entreprise de Siemens. «La BMW Série 5 a augmenté le poids total du véhicule de 50% en environ 40 ans. Dans un autre cas, en seulement une génération d'évolution de la Golf (Golf SE >> e-Golf), le coût du système EE a augmenté de 70% et le poids de 32%. ”

Autres facteurs de poids
L'électrification des véhicules crée également un défi énergétique, qui influe directement sur le poids. «Alors que nous passons à l'électrification des véhicules, au lieu de parler de petites quantités de courants, nous parlons maintenant de watts et de kilowatts», a déclaré Lance Williams, vice-président de la stratégie automobile chez ON Semiconductor. «C’est un grand changement pour l’industrie automobile, où vous parlez de milliampères et d’ampères.»

Plus la puissance est élevée, plus il faut de piles. C'est l'une des raisons pour lesquelles les FPGA sont si populaires dans le secteur automobile. Ils utilisent moins d’énergie que plusieurs composants car ils peuvent tous être intégrés sur une seule puce.

«Une partie importante du poids réside dans le conseil», a déclaré Mike Fitton, directeur principal de la planification stratégique chez Achronix. «Si vous intégrez davantage dans un module, la carte peut être plus simple. Il y a moins de couches sur le tableau et vous pouvez utiliser un dissipateur thermique plus petit. Mais vous pouvez aussi réduire la taille du FPGA. Un FPGA est un moyen coûteux de réduire le facteur de forme et le poids. La meilleure façon de le faire est d'utiliser un ASIC utilisant un FPGA intégré. Cela réduit la puissance et vous permet de conserver la flexibilité là où vous en avez besoin. ”

Plus de puissance est nécessaire pour faire fonctionner le VE s'il pèse plus. «Les véhicules électrifiés sont gravement impactés par le poids, qui devient rapidement de plus en plus critique et constitue donc un indicateur de performance clé de plus en plus important pour les ingénieurs des véhicules», a déclaré Burcicki. «Le poids prend un nouveau sens à l’ère des véhicules électriques: c’est l’efficacité énergétique. car il a un impact linéaire sur l'autonomie de la batterie et que tous les constructeurs recherchent le dernier véhicule "à gamme étendue", à l'exception des performances. "

Poids du capteur
Une autre façon d’envisager ce problème implique la précision des capteurs. Moins de capteurs et de fils précis pourraient réduire le poids, mais davantage de capteurs moins précis pourrait fournir des résultats plus rapides. Les deux approches ont leurs inconvénients.

«Cela dépend de la cible finale et de ce que vous souhaitez des capteurs», a déclaré Andrea Onetti, vice-président et directeur général du groupe AMS, division des capteurs MEMS chez STMicroelectronics. «Tout est question d’énergie et de chaleur. Considérez une chose: le capteur vous fournit des informations. La qualité de cette information peut varier. En fin de compte, vous considérez que la précision du capteur lui-même. C'est ce qui fait vraiment la différence, car la qualité de l'entrée que vous avez à la fin vous permet de réduire le besoin en puissance de calcul que vous devez traiter par la suite. ”

Cela devient une autre variable dans une équation de plus en plus complexe. Le traitement effectué dépend de la quantité de données à déplacer, de l’importance de ces données pour la sécurité et de l’emplacement de la voiture. En Chine, par exemple, le gouvernement s'efforce de centraliser toutes les données. Le traitement se fera donc dans le cloud ou à mi-chemin plutôt que dans la voiture.

«Le traitement crée de la chaleur – il utilise de l'énergie», a déclaré Onetti. «Et cette chaleur doit être dissipée et cette dissipation peut nécessiter de l'espace, des méthodes ou autre. Si nous examinons cela de très haut niveau, ce que vous souhaitez idéalement, c’est un capteur absolument précis pour fournir des données idéales qui réduisent de loin le besoin en informatique. Pensez également que si la qualité des données n’est pas bonne, vous optez pour différentes itérations. Et cette itération à la fin est de l'énergie, et de l'énergie à la fin, vous pouvez reconvertir en poids. "

Onetti voit différents segments du marché des capteurs commencer à bénéficier de capteurs plus précis, ce qui est un avantage pour l'automobile. «Le capteur devient essentiel, non seulement pour sa fonction, mais pour la précision intrinsèque qu'il apporte. L'accéléromètre que vous avez dans votre téléphone parce que vous vouliez avoir la position portrait ou paysage. Vous avez besoin de précision pour cela? Si vous considérez que, à l’intérieur du téléphone, vous avez besoin d’un capteur inertiel qui vous aide à marcher dans une situation de compte impassible, la précision, même si elle est identique, est de loin supérieure. Et ce que cela signifie, un capteur bien meilleur malgré le fait que le nom du capteur est identique. "

Mais des capteurs plus précis augmentent également le coût de ces dispositifs, et l’industrie automobile utilise depuis longtemps des fournisseurs multiples pour concocter chaque centime de la chaîne d’approvisionnement.

Miles de fil
Le câblage électrique traditionnel prend beaucoup de place et de poids, même dans les voitures compactes. «Le faisceau de câbles est l’un des trois sous-systèmes les plus lourds dans de nombreux véhicules – jusqu’à 150 lb dans des véhicules très saturés – et il est très typique pour un véhicule moyen d’avoir 100 à 120 lb de faisceau de câbles dans le véhicule. Ces véhicules pèsent en moyenne environ 3 500 livres », a déclaré Burcicki de Mentor. «Les voitures de luxe d’aujourd’hui contiennent entre 1 500 et 2 000 fils de cuivre, d’une longueur totale de plus d’un kilomètre. Pour mettre cela en perspective, en 1948, la voiture familiale moyenne ne contenait que 55 fils électriques, pour une longueur totale de 150 pieds ».

Des sociétés telles que Yazaki, qui fournit des faisceaux de câbles aux constructeurs automobiles, essaient différents matériaux pour câbles, tels que l'aluminium par rapport au cuivre, et le multiplexage.

«Le poids est l’une des« trinités saintes »des systèmes EE de l’automobile – poids, encombrement, coût – un équilibre fin doit être maintenu», a déclaré Burcicki. «Il existe de nombreuses technologies habilitantes (transmission de puissance sans fil, fibres optiques…) qui permettraient un harnais de câbles et des réductions de poids ultérieures, mais il y a toujours des compromis et pour le moment, il est difficile de remplacer le coût et la fonctionnalité des conducteurs en cuivre – pour cette raison, l'encombrement, le poids et la fabricabilité (du faisceau de câbles et du véhicule) seront les facteurs déterminants du remplacement de la technologie. ”

Mais que peut faire l’industrie électronique pour perdre du poids?

"Les circuits flexibles et le câblage imprimé pourraient remplacer ces composants et réduire considérablement le poids du système tout en rendant l'intégration de l'électronique dans la structure physique de l'automobile beaucoup plus transparente", a déclaré Brewer Science’s Stone. «Les thermoplastiques photodurcissables élargissent la gamme de matériaux polymères disponibles pour la fabrication de substrats de circuits flexibles et ont la capacité unique de se stabiliser dans la forme souhaitée après leur moulage ou leur formation. Cela crée de nouvelles possibilités de production de systèmes électroniques conformes aux surfaces de l'automobile. ”

Tester les nouveaux circuits flexibles peut être un autre problème, car des normes sont en cours d'élaboration pour ces cartes de circuit imprimé flexibles.

Cependant, les outils de conception du câblage s'améliorent. «Un véhicule premium peut avoir 5 000 mètres de câble, plus de 100 écus, 500 LED, etc. La conception de ces systèmes E / E complexes dépasse désormais les capacités humaines », a déclaré Andrew MacLeod, directeur du marketing automobile chez Mentor, a écrit une entreprise de Siemens. «La conception virtuelle du système E / E permet de créer une plate-forme architecturale optimisée, correction par construction, réduisant ainsi le coût et le poids du véhicule.»

L’un des moyens de réduire les fils consiste à connecter les capteurs en série, a suggéré TDK-Invensense’s Sauvage. “La manière dont vous voyez l'interface des capteurs avec une unité centrale va réellement faire la différence. Alors que vous commencez à avoir plus de capteurs et que vous commencez à avoir – je voudrais les appeler des unités de contrôle, il pourrait s'agir de microcontrôleurs combinés, ou bien d'un processeur graphique ou d'un processeur – tout cela créera moins de câbles. Cela signifie que vous pourriez même avoir un système où tous les capteurs sont connectés les uns aux autres, comme un système de marguerite. Vous connectez un capteur connecté à un capteur connecté à un capteur connecté au contrôleur. Ainsi, les fils, au lieu d'aller de plusieurs-à-un, seraient un-à-un-à-un-à-un-à-un-à-un pour réduire le poids. "

Fiabilité et redondance
Alors que l'industrie automobile s'efforce de réduire le poids et la puissance de l'électronique, ces circuits doivent également être suffisamment fiables pour être utilisés dans des systèmes critiques pour la sécurité. Cela a créé un casse-tête pour les constructeurs automobiles, car le meilleur moyen de garantir la fiabilité est la redondance. Cette approche a fait ses preuves dans des environnements extrêmes, tels que les satellites pour lesquels on sait que la croissance de la tache de moustache provoque des courts-circuits, ainsi que dans l'électronique automobile qui utilise aujourd'hui une technologie beaucoup moins sophistiquée.

"Pour le régulateur de vitesse adaptatif de ma voiture, quatre caméras détectent des données", a déclaré Gert Jørgensen, vice-président directeur des ventes et du marketing de la division ASIC de Delta. «Je peux mettre le régulateur de vitesse en marche, et si j'ai une voiture devant moi, la voiture ralentira jusqu'à ce que j'ai la bonne distance. Et lorsque la distance devient plus longue, la voiture reprend sa vitesse de croisière normale. Pour que cela fonctionne, vous avez des systèmes très complexes: caméras, algorithmes et systèmes de redondance. C'est comme ça qu'ils le font. Ils font plus. Ils le font comme au bon vieux temps dans la navette spatiale. Ils font des systèmes redondants et ensuite ils votent. Donc, si quatre disent une chose et une autre, ils prennent ce que les quatre disent et espèrent que c'est bon. C'est simplement un moyen d'améliorer la qualité, de créer des systèmes redondants. ”

Mais la redondance ajoute également du poids au véhicule. Il n’est donc pas faisable de dupliquer des composants partout.

«Lorsque vous arriverez à l’époque où leur écu commence à s’épuiser, c’est problématique», a déclaré Jay Rathert, directeur principal des collaborations stratégiques à la KLA. «De plus, vous avez le poids avec tous les faisceaux de câbles. Mais si vous pouvez vous débarrasser de cela et relier les actionneurs à ces contrôleurs de domaine, vous pouvez les échanger comme un ordinateur portable. En plus de cela, le logiciel est plus simple. ”

Ceci est plus compliqué qu'il n'y paraît, car les cas d'utilisation et les conceptions varient considérablement. "Le profil de la mission peut durer 45 minutes, puis il est ouvert toute la journée", a déclaré Rathert. «Mais si vous avez une Tesla branchée, certaines parties ne sont jamais éteintes. Et si vous êtes un Uber ou que vous faites du camionnage sur de longues distances, vous utilisez jusqu’à 7 x 24. Si la puce est conçue pour durer 12 000 heures, ce n’est plus 15 ans. C’est environ un an et demi. Il y a une tyrannie de chiffres, et déjà l'électronique est l'élément n ° 1 de l'échec. Beaucoup de gens se sont engagés à ce que tout soit prêt dans les prochaines années, et il est prévu que cela aura un impact de 7 000 milliards de dollars sur l'économie mondiale. Il y a beaucoup de gens qui veulent que cela réussisse. "

Cela impose davantage de travail de conception et de vérification, mais augmente également la nécessité de tester ces dispositifs de manière plus approfondie. À l'heure actuelle, les tests dans le secteur de l'automobile sont loin d'être parfaits.

"Cela deviendra beaucoup plus important pour déterminer dans quelle mesure les nœuds de pointe sont adaptés à l'automobile", a déclaré Joey Tun, responsable principal du développement du marché chez National Instruments. «Pour ce faire, vous devez savoir comment le silicium échoue. Est-ce qu'il échoue par vibration ou température? Vous devez également tester différemment les différentes zones d'un véhicule et obtenir des mesures d'impédance extrêmement précises. ”

Cela, à son tour, ajoute des coûts et du temps au processus de développement. L’un des principaux objectifs de l’ISO 26262 est de faire échouer les fonctionnalités de plus en plus autonomes. Si un système de contrôle du moteur rencontre une erreur, une autre unité de contrôle électronique du véhicule devrait pouvoir prendre le relais pour faire sortir le véhicule de la route et éventuellement se rendre dans un centre de réparation.

«Dans le passé, lorsque quelque chose échouait, vous recherchiez un modèle et alliez trouver le problème», a déclaré Anil Bhalla, directeur du marketing et du développement commercial chez Advantest. «Le problème, c’est que nous parlons maintenant de défaillances au niveau du système. Le premier problème est de savoir comment diagnostiquer un échec lorsque vous l’obtenez. Ensuite, vous devez décider des mesures à prendre. Si vous modifiez le flux, comment décidez-vous quoi modifier? Si vous effectuez un test au niveau du système, vous ne pouvez pas simplement augmenter le coût. Vous ajoutez donc maintenant d'autres tests. Et ensuite, vous essayez de trouver un moyen d’ajuster le flux pour plus de fiabilité. Le but est d’obtenir plus de données de chaque point d’insertion pour le test. ”

Les appareils doivent également pouvoir être testés et inspectés, ce qui impose certaines restrictions sur la manière dont les composants tels que les capteurs sont emballés ensemble.

«L’emballage est dans tous les cas aussi important que l’électrification de véhicules, mais c’est un défi», a déclaré Lance Williams, vice-président de la stratégie automobile d’ON Semiconductor. «Nous pouvons aller très, très petit, mais c'est limité par la capacité d'inspecter et la capacité des joints de soudure de rester intacts tout au long de ce cycle. Si vous regardez un téléphone portable, vous dites: "Pourquoi ne pouvons-nous pas fabriquer tous les modules de cette taille?" C'est impossible, par rapport à la taille des composants nécessaires en raison de l'espérance de vie et de la capacité de l'obtenir. chauffer. Et vous ne vous occupez pas seulement de températures ambiantes variables. Je ne sais pas ce que tout le monde ferait si leur voiture montait et disait: «Hé, j’ai trop dormi au soleil. Vous devez me calmer avant de pouvoir commencer. »C’est ce que je constate parfois sur mon téléphone Apple lorsque je le pose au tableau de bord. Donc, ce sont des défis, mais nous examinons différentes interconnexions, différents composés métallurgiques et différents composants par rapport aux dispositifs. ”

Conclusion
Poids, fiabilité, puissance et fonctionnalités avancées sont intimement liés dans le monde de l'automobile. Ces dépendances et ces compromis deviendront beaucoup plus évidents à mesure que l'électronique des véhicules continue de gagner en intelligence.

«C’est la décennie de l’inflexion», a déclaré Maciuca de Ford. «Nous assisterons à plus de changements dans l’automobile au cours de cette décennie qu’au cours des 100 dernières années.»

—Ed Sperling a contribué à ce rapport.
Récit mis à jour le vendredi 15 mars 2019 pour ajouter les commentaires de Mentor, une entreprise de Siemens.

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