面向未来汽车应用的高可靠性创新半导体方案综述

现在，汽车行业的创新几乎完全由智能电子技术驱动，很多情况下这也是唯一可以实现新功能特性的途径。如今，一个装备良好的高档汽车一般带有40～50个电子控制单元，顶级车型甚至有70个以上。每个控制单元至少有一个微型计算机和几个模拟元器件。因此，近年来汽车行业已成为半导体行业的一个重要市场。今后几年半导体技术将会怎样呢？对汽车电子行业有何影响呢？

半导体工艺尺寸越来越小的趋势会继续延续。目前，针对汽车应用的MCU所用工艺范围从0.5微米至0.18微米。基于0.13微米工艺的MCU也已开始启用。

批量生产预计于2005年开始。飞思卡尔的MPC5200和MPC5500架构是这一工艺技术的典型代表。90nm和65nm工艺也正在开发中。随着尺寸的缩小，每个晶圆上的芯片数目将大大增加，但相应的芯片掩膜和生产成本也会大幅提高。300mm晶圆的采用将进一步增加成本。因此，只有大批量生产才能实现具有成本效益的设计和产品生产。长远来看，一个半导体产品系列的很多衍生型号都将遭受淘汰的命运。显然，将来的趋势是少品种、大批量。

为了支持针对汽车应用的未来定制方案，就需要基于嵌入式闪存EEPROM技术的灵活、可配置且可编程的产品。因此，在专用ROM MCU的开发中，eFlash技术将受到青睐，而且将来会取代简单的CMOS技术。此外，越来越多的EEPROM仿真基于标准eFlash存储模块。然而，EEPROM仿真仍需要高性能嵌入式闪存技术，以便获得至少一万次的编程/擦写周期。再过几年，一种全新的非易失存储技术将用于汽车应用。MRAM存储技术可满足MCU存储器的所有专用需求，而且不存在目前的存储器划分(如ROM、RAM和EEPROM)的限制。非易失存储器可快速写入实时状态数据的功能将打开新的应用之门，如飞机黑匣子记录功能。此外，各种低功耗待机模式将大大降低空闲模式下的功耗。飞思卡尔已经推出第一批MRAM存储器样片。

面向汽车创新应用的未来结构

创新功能的实现通常需要越来越高性能的计算方案。与PC不同的是，在汽车应用中高性能计算能力不能简单地依靠增加时钟速率来实现。在这里有很多因素在限制着时钟速度的提高，比如高达125°C的周围温度、缺乏散热装置及功耗的限制等。此外，汽车系统严格的实时要求大大降低了传统高性能CPU的效率。频繁的任务切换和大量的中断使得CPU流水线或高速缓存应接不暇。将部分任务转移给外围器件可解决这类问题，如I/O处理器和状态机等。在马达管理应用中，专门的“时间处理单元”可承担分析和生成复杂时序信号的责任。智能DMA模块可自动处理来自LIN或CAN网络的通信数据，或灵活存储模数转换器(ADC)数据。依靠新的地址和数据总线架构可实现主CPU和I/O处理器或DMA模块的并行运行。这种分布式智能架构最早在新近推出的32位MCU MPC5500、MPC5200和MAC7100中得以实现。在16位领域，新的方法也在探索之中。一个专门针对汽车应用定制的I/O处理器模块可掌管所有外围模块的处理，因此CPU得以解脱以处理纯应用任务。针对时序、通信和ADC的外围模块控制完全交给了I/O处理器模块。全新的16位HCS12X MCU系列就采用了这一称为X-GATE的新概念。

可以说针对汽车应用的定制MCU结构将会继续发展，因为它们能以低功耗、适度的散热及良好的程序存储效率来满足高性能计算等系统要求。带I/O处理器模块的智能外围电路的另一个重要优势在于其高度的灵活性和可配置性。因此，单个MCU型号就可有效解决多种汽车应用的问题，这也正好符合半导体行业逐渐减少衍生产品型号的发展趋势。AUTOSAR软件组件标准化项目也是这一行业趋势的体现。飞思卡尔积极参与了所有与MCU相关的AUTOSAR工作组，以定义软件和MCU硬件之间的最优接口。

汽车创新的未来概念

通过LIN和CAN网络互连汽车的各个控制单元已经达到了一种极限。现在，创新的功能需要快速且确定性的数据传输。FlexRay通信技术不但为汽车应用提供了快速且确定性的数据传输，而且可实现容错分布式系统。该技术在汽车中的部署和应用本质上依赖于具有成本效益的合适的半导体产品。为了服务于更广泛的市场和应用，飞思卡尔决定开发单片式FlexRay方案。MFR4200器件是一种集成的FlexRay协议控制器，主要面向汽车市场。该器件可与飞思卡尔的16位和32位MCU无缝接口，从而实现低成本的FlexRay控制单元网络。只要简单地添加FlexRay控制器，就可将现有和新的控制单元集成进FlexRay网络。跟CAN类似，FlexRay控制器功能将来也要集成到MCU中，从而进一步降低成本。相应的产品已在开发之中，预计明年将会面市。

几年前，线控(Drive-by-Wire)技术是汽车行业颇受争议的一个创新。该技术正被一步步应用，如电动－液压刹车和电动方向盘操纵系统，以及现今的“电子气压踏板”。电控伺服马达和制动器(actuator)在将来的线控系统中将发挥重要作用。有效的控制越来越需要DSP功能。DSP和MCU的集成将是实现低成本、高效率系统的关键。飞思卡尔开发的MC56F8300 MCU结构正是针对这一应用领域，它不但集成了DSP和MCU功能，而且还集成了专用外围电路模块。这样就可以采用简单的机械部件和低成本的电动马达。此外，速度和定位传感器可以省去，或者作为容错系统的额外一级冗余。

半导体行业另一个重要趋势是模拟功能和智能控制逻辑的集成。飞思卡尔先进的0.25微米SmartMOS-8技术可实现数字CMOS逻辑与模拟双极晶体管及横向DMOS功率晶体管的高度集成。SmartMOS-8首次使用沟道技术获得了极高的功率晶体管封装密度，这表明多个功率开关能以一种高效的方式集成在单个芯片上。即使小的MCU子系统也能以一种低成本的方式集成起来，从而实现全新的智能负载控制器概念，特别适用于照明和制动器(actuator)。

提高汽车可靠性的未来功能和概念

除了创新的功能和技术外，汽车行业还有另一个重要要求：高可靠性。流行的术语叫做“零缺陷”项目。半导体器件自然在该领域起着重要作用。汽车半导体从设计开始就需要100%的测试覆盖率，新的芯片开发由最新的芯片设计方法和功能级验证工具提供支持。在最后的半导体器件测试中，自动测试模式生成和全扫描测试方法是检测逻辑错误的最佳方式。此外，“内置自检”模块可用于检测全扫描测试无法覆盖的功能错误。

不过，控制设备失败的原因有可能不是由缺陷元器件造成的，而是由缺陷软件、没有编译或错误解释的规范，以及汽车的“噪声”环境(如导致EMC问题的毛刺及电源噪声等)。为减少这类失败，飞思卡尔的新型MCU结构增加了安全和保险性。智能“时钟监控”系统可监控时钟质量，以便检测和滤除掉引起EMC问题的噪声。如果由于石英晶体毁坏等原因而导致整个时钟失败，一个内部VCO就会自动激活以保持控制单元的正常工作。自动化的“边际验证”功能可确保嵌入式闪速EEPROM存储器的高质量数据编程。程序和数据存储器的错误可通过“纠错编码”技术被实时检测和纠正。高速缓存系统还使用了互补奇偶信息。此外，被保护存储区域的自动签名生成和验证也可确保高度的数据完整性。存储器保护单元可防止个别软件任务非法访问存储器和外设，并可用于检测“软件跑飞”情形的发生，从而可保证控制单元处于安全和稳定的工作状态。这种安全和保险特性的不断集成为汽车行业“零缺陷”项目的发展做出了贡献。

作者：Hans-Peter Heigl

技术总监

飞思卡尔半导体德国公司