Pourquoi les puces automobiles sont-elles toujours rares ?

Jul 25, 2023

L'industrie automobile est encore à court de puces semi-conductrices

A présent, presque tout le monde sait que l'industrie automobile est encore à court de puces semi-conductrices, même si la situation semble s'améliorer. Bien qu'il soit pratiquement acquis que les véhicules électriques utilisent plus de semi-conducteurs, pourquoi les véhicules à moteur à combustion interne (ICE) à essence utilisent-ils autant de puces ? Et ces puces ont-elles des attributs qui rendent plus difficile l'augmentation de la capacité de fabrication lorsqu'elles sont rares ? C'est ce que cet article va tenter d'expliquer.

Le New York Times NYT a déclaré qu'un véhicule moderne peut utiliser jusqu'à 3 000 puces à semi-conducteurs, tandis qu'une autre source a déclaré plus de 1 000. Je suis sûr que cela dépend de ce que vous comptez, mais aussi récemment que l'électronique des véhicules des années 1960 était à peu près limité à l'autoradio. Comment un produit qui était presque entièrement mécanique il n'y a pas si longtemps s'est retrouvé avec autant de puces ? La réponse comporte plusieurs éléments et reflète l'augmentation générale de l'utilisation des puces dans une vaste gamme de produits grand public et industriels : performances, coût et migration des fonctionnalités du matériel vers le logiciel.

Pour les automobiles, l'énorme poussée d'amélioration de l'économie de carburant après la crise pétrolière de 1973 a conduit à l'augmentation rapide de l'utilisation de l'électronique dans les commandes du moteur. Alors que les allumages électroniques avaient commencé à apparaître à la fin des années 1960, l'utilisation de puces de microcontrôleur pour les commandes du moteur a démontré ce qui était possible avec une approche numérique. En utilisant des capteurs pour surveiller des éléments tels que la température, la position du vilebrequin, le débit d'air massique, la position de l'accélérateur et la concentration d'oxygène dans les gaz d'échappement, les constructeurs automobiles ont pu améliorer considérablement l'économie de carburant et les profils d'émissions de leurs véhicules. Les puces du contrôleur ont effectué des calculs à la volée pour optimiser les performances du moteur, ce qui était impossible à faire avec des capteurs et des liaisons mécaniques.

Cela met en évidence l'un des principaux moteurs de la croissance de l'utilisation des puces à semi-conducteurs : la mise en œuvre de nombreuses fonctions à l'aide de logiciels qui auraient pu être difficiles à réaliser (voire impossibles) avec du matériel seul. Le calcul du débit optimal pour alimenter les injecteurs de carburant peut impliquer la résolution d'équations complexes en temps réel ou la recherche de nombres dans des tableaux. Cela se fait facilement (et à peu de frais) avec des puces informatiques et certains logiciels. C'est aussi ainsi que nous avons obtenu des transmissions automatiques plus sophistiquées, en utilisant un logiciel pour mettre en œuvre des schémas de contrôle sophistiqués comme le rétrogradage en descente. Une puce de contrôleur attachée aux capteurs de vitesse envoie des signaux aux commutateurs de puissance à semi-conducteurs qui contrôlent les solénoïdes de transmission. Cela met en évidence le rôle des semi-conducteurs de puissance, des dispositifs qui commutent l'alimentation sous contrôle numérique, qui sont largement utilisés dans un véhicule. Si vous comptez également ces dispositifs comme des "puces" (comme le New York Times l'a probablement fait), le nombre de dispositifs à semi-conducteurs dans un véhicule augmente considérablement.

Les puces semi-conductrices de qualité automobile et les commutateurs et dispositifs associés qu'elles contrôlent sont plus fiables que leurs homologues mécaniques. Je me souviens quand j'étais beaucoup plus jeune, un ami m'a montré les clignotants séquentiels dans le coffre de leur Mercury Cougar de 1968. Les clignotants rouges étaient apparemment connectés à un petit interrupteur rotatif motorisé qui "ressemblait à une machine à laver". Une fois que les contacts étaient usés ou corrodés, cette chose était un gâchis. L'utilisation de commutateurs à semi-conducteurs et d'un simple circuit de minuterie a rendu ces mécanismes beaucoup plus fiables.

Les systèmes d'infodivertissement dans les véhicules utilisent beaucoup de puces : BRITTA PEDERSEN/dpa | utilisation dans le monde entier (Photo ... [+] par Britta Pedersen/picture alliance via Getty Images)

Un autre exemple - il y a plusieurs années, j'ai loué une Volkswagen Beetle, et lorsque j'ai sauté dans la voiture et fermé la porte, la vitre du côté conducteur s'est un peu baissée juste au moment où la porte était sur le point de se fermer, puis elle s'est remontée. Cela a égalisé la pression à l'intérieur de l'habitacle, pour que vos oreilles ne sautent pas. Ce genre de fonctionnalité aurait été vraiment difficile à faire purement mécaniquement, mais avec une micropuce, il ne s'agissait probablement que de quelques lignes de code. L'électronique de carrosserie d'un véhicule - les vitres électriques, les serrures de porte, les rétroviseurs extérieurs sont généralement connectés à une puce de module de commande de carrosserie (BCM). Le BCM communique également avec d'autres unités électroniques dans toute la voiture - des choses comme le groupe d'instruments et de nombreux capteurs. Et bien sûr, les systèmes d'infodivertissement utilisent un grand nombre de puces.

Une chose supplémentaire à propos de l'implémentation des choses dans le logiciel plutôt que dans le matériel : vous pouvez modifier le produit après l'avoir expédié. Nous voyons cela tout le temps dans nos logiciels informatiques et téléphoniques – il semble que toutes les dix réunions Zoom, je reçois une nouvelle mise à jour logicielle. Mais le matériel ? Tesla a montré la puissance des "mises à jour en direct", qui modifient les fonctionnalités de la voiture. Je me souviens que GE Aviation a également fait un correctif logiciel pour corriger temporairement un problème de givrage à haute altitude sur ses turbosoufflantes GEnx utilisées sur les Boeing BA 787 et 747-8. Avec un logiciel ? Waouh, c'était impressionnant !

Les puces automobiles présentent plusieurs caractéristiques remarquables. La première est qu'ils doivent fonctionner pendant longtemps sur de larges températures extrêmes tout en étant soumis à de nombreux chocs et vibrations. Les constructeurs automobiles s'attendent à une durée de vie de 15 ans et tolèrent un taux de défaillance de zéro partie par milliard pendant cette période. Ils souhaitent également que les pièces de rechange soient disponibles pendant 30 ans. La plupart des appareils électroniques grand public (comme votre téléphone) ont des taux de défaillance mesurés en parties par million et seraient considérés comme obsolètes après cinq ans. Si votre PC rencontre une erreur, redémarrez et relancez-le. Si votre contrôleur de moteur tombe en panne soudainement, vous ne vous arrêtez pas sur le côté de la route et ne redémarrez pas (bien que j'aie entendu parler de quelque chose comme cela se produisant avec le système d'infodivertissement d'un véhicule électrique). L'Automotive Electronics Council (établi par les Detroit Big Three) maintient une gamme de normes de qualification pour les puces. Pour la température de fonctionnement, il définit les plages de fonctionnement des grades 0, 1, 2 et 3, le grade 1 couvrant -40 ºC à +125 ºC et le grade 2 de -40 ºC à +105 ºC. Soit dit en passant, cela a une limite supérieure supérieure à la température de l'eau bouillante. Il s'agit d'une gamme considérablement plus difficile que la plupart des puces grand public ne verront jamais. Les puces doivent être fiables, elles doivent donc être conçues et testées pour avoir une durée de vie suffisante dans des conditions extrêmes.

Renesas Electronics Naka fab à Hitachinaka, préfecture d'Ibaraki, Japon est un fournisseur clé de microcontrôleurs automobiles. AFP PHOTO / KAZUHIRO NOGI (Le crédit photo doit se lire KAZUHIRO NOGI/AFP via Getty Images)

La deuxième exigence est qu'ils doivent être conçus dans un souci de sécurité. Une grande partie de cela est couverte par la norme ISO 26262 - Normes de sécurité fonctionnelle, qui couvre une gamme de choses allant de la façon dont elles sont conçues à la façon dont les défaillances sont gérées.

Enfin, les processus de fabrication de puces dans les usines de semi-conducteurs doivent être "qualifiés", ce qui prend généralement six mois. Les usines doivent également apporter des modifications à leurs kits de conception de processus pour les modèles d'appareils à haute température, des interconnexions plus épaisses et d'autres éléments qui améliorent la fiabilité. Après cela, les puces doivent être testées de manière approfondie avant de pouvoir être intégrées aux véhicules. Cela signifie des tests de durée de vie accélérés à des températures élevées et dans des conditions difficiles pour simuler de nombreuses années de service. Les constructeurs automobiles grand public ont mis jusqu'à 3 à 5 ans pour concevoir, tester et valider de nouvelles puces.

J'ai souligné plus tôt que de nombreux microcontrôleurs automobiles utilisent la technologie 90 nm et qu'il a été difficile d'ajouter de la capacité. Les pénuries de ces deux dernières années ont incité certains fournisseurs de puces automobiles à migrer vers des nœuds 65/55 nm, et certains sont même passés à 40 nm. Mais DigiTimes indique qu'il faudra jusqu'à cinq ans pour que les nouvelles puces construites avec des processus de 40 nm effacent les processus de validation et soient installées dans de nouveaux véhicules, ce qui signifie que la technologie existante sera utilisée pendant un certain temps encore. Et c'est pourquoi la pénurie de puces automatiques parle plus longtemps que la plupart pour s'atténuer.