¿Por qué los chips automotrices todavía son escasos?

Jul 25, 2023

La industria automotriz sigue siendo chips semiconductores cortos

A estas alturas, casi todo el mundo sabe que la industria del automóvil todavía tiene chips semiconductores cortos, aunque la situación parece estar mejorando. Si bien es casi un hecho que los vehículos eléctricos usan más semiconductores, ¿por qué los vehículos con motor de combustión interna (ICE) que funcionan con gasolina usan tantos chips? ¿Y estos chips tienen atributos que dificultan aumentar la capacidad de fabricación cuando escasean? Eso es lo que este artículo tratará de explicar.

El New York Times NYT dijo que un vehículo moderno puede usar hasta 3000 chips semiconductores, mientras que otra fuente dijo más de 1000. Estoy seguro de que eso depende de lo que esté contando, pero tan recientemente como en la década de 1960, la electrónica en los vehículos era bastante limitado a la radio del coche. ¿Cómo un producto que era casi completamente mecánico no hace mucho tiempo terminó con tantos chips? La respuesta tiene varias partes y refleja el aumento general del uso de chips en una amplia gama de productos industriales y de consumo: rendimiento, costo y la migración de la funcionalidad del hardware al software.

En el caso de los automóviles, el enorme impulso por mejorar el ahorro de combustible después de la crisis del petróleo de 1973 condujo al rápido aumento del uso de la electrónica en los controles del motor. Si bien los encendidos electrónicos comenzaron a aparecer a fines de la década de 1960, el uso de chips de microcontroladores para los controles del motor demostró lo que era posible con un enfoque digital. Usando sensores para monitorear cosas como la temperatura, la posición del cigüeñal, el flujo de aire masivo, la posición del acelerador y la concentración de oxígeno en los gases de escape, los fabricantes de automóviles pudieron mejorar drásticamente la economía de combustible y los perfiles de emisiones de sus vehículos. Los chips del controlador hicieron cálculos sobre la marcha para optimizar el rendimiento del motor, algo que era imposible de hacer con sensores mecánicos y enlaces.

Esto destaca uno de los grandes impulsores detrás del crecimiento en el uso de chips semiconductores: la implementación de muchas funciones usando software que podría haber sido difícil (o incluso imposible) de hacer solo con hardware. Calcular la tasa óptima para alimentar los inyectores de combustible puede implicar resolver ecuaciones complejas en tiempo real o buscar números en tablas. Eso se hace fácilmente (y de forma económica) con chips de computadora y algún software. Así es también como obtuvimos transmisiones automáticas más sofisticadas, utilizando software para implementar esquemas de control sofisticados como cambiar a una marcha inferior al ir cuesta abajo. Un chip controlador adjunto a los sensores de velocidad envía señales a los interruptores de potencia de semiconductores que controlan los solenoides de transmisión. Esto destaca el papel de los semiconductores de potencia, dispositivos que conmutan la potencia bajo control digital, que se utilizan ampliamente en todo el vehículo. Si también cuenta estos dispositivos como "chips" (como probablemente hizo el New York Times), el recuento de dispositivos semiconductores en un vehículo aumenta considerablemente.

Los chips semiconductores de grado automotriz y los interruptores y dispositivos asociados que controlan son más confiables que sus contrapartes mecánicas. Recuerdo que cuando era mucho más joven, un amigo me mostró las señales de giro secuenciales en la cajuela de su Mercury Cougar de 1968. Las luces direccionales rojas aparentemente estaban conectadas a un pequeño interruptor giratorio accionado por motor que "sonaba como una lavadora". Una vez que los contactos se desgastaron o corroyeron, esa cosa era un desastre. Ir a interruptores de semiconductores y un circuito temporizador simple hizo que mecanismos como ese fueran mucho más confiables.

Los sistemas de información y entretenimiento en los vehículos utilizan muchos chips: BRITTA PEDERSEN/dpa | uso en todo el mundo (Foto ... [+] por Britta Pedersen/picture alliance vía Getty Images)

Otro ejemplo: hace varios años, alquilé un Volkswagen Beetle, y cuando me subí al auto y cerré la puerta, la ventana del lado del conductor bajó un poco justo cuando la puerta estaba a punto de cerrarse y luego volvió a subir. Eso igualó la presión dentro del compartimiento de pasajeros, por lo que sus oídos no se taparían. Ese tipo de funcionalidad habría sido realmente difícil de realizar de forma puramente mecánica, pero con un microchip probablemente solo fueran unas pocas líneas de código. La electrónica de la carrocería de un vehículo: las ventanas eléctricas, las cerraduras de las puertas y los espejos retrovisores laterales generalmente están conectados a un chip del módulo de control de la carrocería (BCM). El BCM también se comunica con otras unidades electrónicas en todo el automóvil, como el grupo de instrumentos y muchos sensores. Y, por supuesto, los sistemas de información y entretenimiento utilizan una gran cantidad de chips.

Una cosa adicional sobre la implementación de cosas en software en lugar de hardware: puede modificar el producto después de enviarlo. Vemos eso todo el tiempo en el software de nuestra computadora y teléfono; parece que cada diez reuniones de Zoom recibo una nueva actualización de software. Pero hardware? Tesla ha demostrado el poder de las "actualizaciones inalámbricas", que modifican las características del automóvil. Recuerdo que GE Aviation también realizó una solución de software para corregir temporalmente un problema con la formación de hielo a gran altitud en sus motores turbofan GEnx utilizados en los Boeing BA 787 y 747-8. ¿Con software? ¡Vaya, eso fue impresionante!

Hay varias características sobresalientes de los chips para automóviles. La primera es que deben operar durante mucho tiempo en temperaturas extremas amplias mientras están sujetos a muchos golpes y vibraciones. Los fabricantes de automóviles esperan una vida útil operativa de 15 años y toleran una tasa de fallas de cero partes por billón durante ese tiempo. También quieren que las piezas de repuesto estén disponibles durante 30 años. La mayoría de los dispositivos electrónicos de consumo (como su teléfono) tienen tasas de falla medidas en partes por millón y se considerarían obsoletos después de cinco años. Si su PC encuentra un error, reinícielo y déle otro giro. Si el controlador de su motor falla repentinamente, no se detiene a un lado de la carretera y reinicia (aunque he oído que algo así sucede con el sistema de infoentretenimiento de un vehículo eléctrico). El Consejo de Electrónica Automotriz (establecido por Detroit Big Three) mantiene una variedad de estándares de calificación para chips. Para la temperatura de operación, define los rangos de operación de los Grados 0, 1, 2 y 3, con el Grado 1 cubriendo -40ºC a +125ºC y el Grado 2 de -40ºC a +105ºC. Eso tiene un límite superior más caliente que la temperatura del agua hirviendo, por cierto. Este es un rango considerablemente más desafiante de lo que la mayoría de los chips de consumo jamás verán. Los chips deben ser confiables, por lo que deben diseñarse y probarse para que tengan una vida útil suficiente en condiciones extremas.

Renesas Electronics Naka fab en Hitachinaka, prefectura de Ibaraki, Japón, es un proveedor clave de ... [+] microcontroladores automotrices. AFP PHOTO / KAZUHIRO NOGI (El crédito de la foto debe decir KAZUHIRO NOGI/AFP a través de Getty Images)

El segundo requisito es que deben diseñarse teniendo en cuenta la seguridad. Mucho de esto está cubierto por ISO 26262 - Estándares de seguridad funcional, que cubre una variedad de cosas, desde cómo están diseñadas hasta cómo se manejan las fallas.

Por último, los procesos para fabricar chips en las fábricas de semiconductores tienen que ser "calificados", lo que normalmente lleva seis meses. Las fábricas también necesitan modificaciones en sus kits de diseño de procesos para modelos de dispositivos de alta temperatura, interconexiones más gruesas y otras cosas que mejoran la confiabilidad. Después de eso, los chips deben probarse exhaustivamente antes de que puedan incorporarse a los vehículos. Eso significa pruebas de vida aceleradas a temperaturas elevadas y condiciones adversas para simular muchos años de servicio. Los principales fabricantes de automóviles han tardado entre 3 y 5 años en diseñar, probar y validar nuevos chips.

Señalé anteriormente que muchos microcontroladores automotrices usan tecnología de 90 nm y ha sido difícil agregar capacidad. La escasez de los últimos dos años ha llevado a algunos proveedores de chips para automóviles a migrar a nodos de 65/55 nm, y algunos incluso han saltado a 40 nm. Pero DigiTimes dice que los nuevos chips construidos con procesos de 40nm tardarán hasta cinco años en superar los procesos de validación y colocarse en nuevos vehículos, lo que significa que la tecnología existente estará en uso durante algún tiempo. Y es por eso que la escasez de chips de auto está hablando más que la mayoría para aliviar.