車載用チップが依然として不足しているのはなぜですか?

Jul 25, 2023

自動車業界は依然として半導体チップが不足している

状況は改善されつつあるようだが、自動車業界では依然として半導体チップが不足していることは、今ではほとんどの人が知っている。 電気自動車がより多くの半導体を使用するのはほぼ当然のことですが、なぜガソリンエンジン式内燃機関 (ICE) 自動車はこれほど多くのチップを使用するのでしょうか? そして、これらのチップには、供給が不足したときに製造能力を増強することが困難になる特性があるのでしょうか? それがこの記事で説明しようとしているものです。

ニューヨークタイムズ NYT は、現代の自動車には 3,000 個もの半導体チップが使用されていると述べ、別の情報筋は 1,000 個以上の半導体チップを使用していると述べました。何を数えるかにもよると思いますが、1960 年代の最近では、自動車に搭載されている電子機器は、カーラジオ限定。 少し前まではほぼ完全に機械式だった製品が、どうしてこれほど多くのチップを搭載することになったのでしょうか? その答えはいくつかの部分に分かれており、パフォーマンス、コスト、ハードウェアからソフトウェアへの機能の移行など、広範な消費者製品および産業用製品におけるチップ使用量の全般的な増加を反映しています。

自動車の場合、1973 年の石油危機後の燃費向上への大きな取り組みにより、エンジン制御における電子機器の使用が急速に増加しました。 電子点火装置は 1960 年代後半に登場し始めましたが、エンジン制御にマイクロコントローラー チップを使用することで、デジタル アプローチで何が可能であるかを実証しました。 センサーを使用して温度、クランクシャフトの位置、空気流量、スロットル位置、排気ガス中の酸素濃度などを監視することで、自動車メーカーは車両の燃費と排出ガスプロファイルを劇的に改善することができました。 コントローラーチップは、エンジンのパフォーマンスを最適化するためにオンザフライ計算を実行しましたが、これは機械的なセンサーやリンケージでは不可能でした。

これは、半導体チップの使用の成長の背後にある大きな推進力の 1 つを浮き彫りにしています。それは、ハードウェアだけでは実現が困難 (または不可能) だった多くの機能をソフトウェアを使用して実装していることです。 燃料インジェクターに供給する最適な速度を計算するには、複雑な方程式をリアルタイムで解くか、テーブル内の数値を検索する必要がある場合があります。 それは、コンピュータチップといくつかのソフトウェアを使えば簡単に（そして安価に）実現できます。 これは、ソフトウェアを使用して下り坂時のシフトダウンなどの高度な制御スキームを実装する、より洗練されたオートマチック トランスミッションを入手した方法でもあります。 速度センサーに取り付けられたコントローラーチップは、トランスミッションソレノイドを制御する半導体パワースイッチに信号を送信します。 これは、車両全体で広く使用されている、デジタル制御下で電力を切り替えるデバイスであるパワー半導体の役割を浮き彫りにしています。 これらのデバイスも「チップ」としてカウントすると (ニューヨーク タイムズ紙がおそらくそうしたように)、車両に搭載される半導体デバイスの数は大幅に増加します。

車載グレードの半導体チップと、それらが制御する関連するスイッチおよびデバイスは、機械式の半導体チップよりも信頼性が高くなります。 私がずっと若かった頃、友人が 1968 年製マーキュリー クーガーのトランクにあるシーケンシャル ウインカーを見せてくれたのを覚えています。 赤い方向指示灯は明らかにモーター駆動の小さな回転スイッチに接続されており、「洗濯機のような音がした」という。 接点が磨耗したり腐食したりすると、もう大変なことになります。 半導体スイッチと単純なタイマー回路の採用により、そのようなメカニズムの信頼性が大幅に向上しました。

車両のインフォテインメント システムには多くのチップが使用されています: BRITTA PEDERSEN/dpa | 世界中で使用されています (写真 ... [+] by Britta Pedersen/picture Alliance via Getty Images)

別の例 – 数年前、私はフォルクスワーゲン ビートルを借りました。車に飛び乗ってドアを閉めたとき、ちょうどドアが閉まりかけた瞬間に運転席側の窓が少し下がり、その後再び上がりました。 これにより、車室内の圧力が均一になり、耳が痛むことはありません。 この種の機能を純粋に機械的に実行するのは非常に困難であったでしょうが、マイクロチップを使用すれば、おそらくわずか数行のコードで済むでしょう。 車両のボディ電子機器 - パワー ウィンドウ、ドア ロック、サイドミラーは通常、ボディ コントロール モジュール (BCM) チップに接続されています。 BCM はまた、計器クラスタや多数のセンサーなど、車内全体の他の電子ユニットと通信します。 そしてもちろん、インフォテインメント システムには多数のチップが使用されています。

ハードウェアではなくソフトウェアで実装する場合のもう 1 つの点は、製品の出荷後に製品を変更できることです。 私たちのコンピュータや電話のソフトウェアでは、常にこのような状況が見られます。Zoom ミーティングが 10 回ごとに新しいソフトウェアのアップデートが行われているようです。 しかし、ハードウェアは？ テスラは、車の機能を変更する「無線アップデート」の威力を示した。 GE アビエーションも、ボーイング BA 787 および 747-8 で使用されている GEnx ターボファン エンジンの高高度着氷の問題を一時的に修正するソフトウェア修正を行ったことを思い出します。 ソフトウェアでは？ うわー、それは印象的でした！

車載用チップにはいくつかの際立った特徴があります。 1 つ目は、多くの衝撃や振動にさらされながら、幅広い温度範囲で長時間動作しなければならないことです。 自動車メーカーは動作寿命を 15 年と想定しており、その間の故障率が 0 ppb であることを許容します。 また、交換部品を 30 年間入手できるようにしたいと考えています。 ほとんどの家庭用電子機器 (携帯電話など) の故障率は 100 万分の 1 単位で測定され、5 年後には時代遅れとみなされます。 PC にエラーが発生した場合は、再起動してもう一度試してください。 エンジン コントローラーが突然故障した場合、道路の脇に車を寄せて再起動することはありません (ただし、電気自動車のインフォテインメント システムで同様のことが起こったという話を聞いたことがあります)。 Automotive Electronics Council (デトロイト ビッグ 3 によって設立) は、チップに関するさまざまな認定基準を維持しています。 動作温度については、グレード 0、1、2、および 3 の動作範囲が定義されており、グレード 1 は -40 °C ～ +125 °C、グレード 2 は -40 °C ～ +105 °C をカバーします。 ちなみに、上限温度は沸騰したお湯の温度よりも高いです。 これは、ほとんどの消費者向けチップがこれまでに経験したことのない範囲よりもかなり困難な範囲です。 チップは信頼性が高い必要があるため、極端な条件下でも十分な動作寿命が得られるように設計およびテストする必要があります。

茨城県ひたちなか市にあるルネサス エレクトロニクス那珂工場は、... [+] 車載用マイクロコントローラーの主要サプライヤーです。 AFP PHOTO / KAZUHIRO NOGI (写真クレジットは KAZUHIRO NOGI/AFP via Getty Images)

2 番目の要件は、安全性を念頭に置いて設計されている必要があることです。 この多くは、ISO 26262 – 機能安全規格でカバーされており、設計方法から障害の処理方法まで幅広い事項をカバーしています。

最後に、半導体工場でチップを製造するプロセスを「認定」する必要があり、これには通常 6 か月かかります。 また、工場では、高温デバイス モデル、より厚い相互接続、その他信頼性を高めるためにプロセス設計キットを変更する必要があります。 その後、チップを車両に組み込む前に、徹底的なテストを行う必要があります。 これは、長年の使用をシミュレートするために、高温および過酷な条件下で加速寿命試験を行うことを意味します。 主流の自動車メーカーは、新しいチップの設計、テスト、検証に 3 ～ 5 年もかかっています。

多くの車載マイコンでは 90 nm テクノロジーが使用されており、容量の追加が困難であることを以前に指摘しました。 過去 2 年間の不足により、一部の車載チップ ベンダーは 65/55nm ノードへの移行を促し、一部のベンダーは 40nm にジャンプしました。 しかし、DigiTimesは、40nmプロセスで構築された新しいチップが検証プロセスを通過して新しい車両に搭載されるまでに最大5年かかるだろうと述べており、これは既存の技術が今後しばらく使用されることを意味する。 だからこそ、自動車用チップ不足の緩和が最も長く議論されているのです。