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供應(yīng)鏈的變化，對(duì)共享數(shù)據(jù)的抵制和技術(shù)的未知性加劇了持續(xù)的不確定性。

確保汽車電子產(chǎn)品的可靠性已經(jīng)引發(fā)了整個(gè)半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的爭奪，并且發(fā)現(xiàn)了一系列數(shù)據(jù)不足，缺乏明確定義的標(biāo)準(zhǔn)以及不一致的專業(yè)知識(shí)水平的問題。

可靠的功能安全性，可在惡劣環(huán)境中使用18至20年，或在自動(dòng)出租車或卡車上持續(xù)使用，這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，需要在人工智能，激光雷達(dá)，雷達(dá)，車輛和車輛通訊等領(lǐng)域取得工程技術(shù)進(jìn)步。它還需要管理一個(gè)全球供應(yīng)鏈，這個(gè)供應(yīng)鏈由初創(chuàng)公司，沒有汽車經(jīng)驗(yàn)的芯片制造商以及在先進(jìn)電子方面經(jīng)驗(yàn)不足的汽車供應(yīng)商組成。

　　

　　圖1.系統(tǒng)驗(yàn)證應(yīng)確定系統(tǒng)出于正確的原因做正確的事情。

 

此時(shí)，沒有人確切知道7nm AI(人工智能)系統(tǒng)的可靠性，或者在出現(xiàn)故障時(shí)故障將會(huì)如何有效地轉(zhuǎn)移到另一個(gè)系統(tǒng)中。事實(shí)上，沒有人確定在測試期間要問什么是正確的問題。供應(yīng)鏈上下的所有供應(yīng)商之間的溝通必須清晰和開放，但一些供應(yīng)商通過隱瞞重要數(shù)據(jù)來保護(hù)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)，使汽車制造商需要自己發(fā)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)。更糟糕的是，將所有這些結(jié)合起來的規(guī)則充其量只是參差不齊的規(guī)則。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Phillip Koopman和Edge Case Research的Mitch Wagner在2018年SAE世界的一篇2018年的論文中寫道：“目前，還沒有普遍認(rèn)可的技術(shù)戰(zhàn)略來驗(yàn)證這些車輛的非常規(guī)軟件方面的安全性。”。“一旦開發(fā)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為他們的車輛準(zhǔn)備就緒，似乎會(huì)部署許多HAV，然后他們就會(huì)看到公路上的事情如何發(fā)揮作用。即使試點(diǎn)部署產(chǎn)生可接受的低故障率，仍然存在這樣的問題：有限規(guī)模部署是否能夠準(zhǔn)確預(yù)測更大規(guī)模部署的安全性以及隨之而來的軟件更新。

　　

　　圖2、全自動(dòng)電動(dòng)汽車電子技術(shù)的趨勢和挑戰(zhàn)

 

缺乏關(guān)于自動(dòng)駕駛汽車的政府法規(guī)使得消費(fèi)者受到競爭激烈的新興自動(dòng)駕駛汽車(AV)行業(yè)支配的影響。但如果失敗，這些行業(yè)將會(huì)損失很多。這種經(jīng)濟(jì)威脅與ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展相結(jié)合，可能是拯救的恩典。ISO 26262要求在采購和制造的所有環(huán)節(jié)跟蹤所有的材料和零件，為供應(yīng)商之間的安全行為文化和合作奠定基礎(chǔ)。故障的故障診斷看起來像航空調(diào)查。毫無疑問，對(duì)于安全關(guān)鍵系統(tǒng)而言，測試和跟蹤過程更加昂貴，而可靠性和良好質(zhì)量仍然是非安全關(guān)鍵系統(tǒng)(如信息娛樂系統(tǒng))的重要賣點(diǎn)。

 

在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)上盲目飛行

 

通過向后看是真正了解高級(jí)節(jié)點(diǎn)的壽命和可靠性的唯一方法。“先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的最大問題是你需要為壓力篩選測試獲得可靠的數(shù)據(jù)，并且在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)一段時(shí)間之前你沒有它們，”Gert J?rgensen說道。Delta Microelectronics的銷售和營銷。“你可以使用模擬生命周期的舊方法，但實(shí)際上你不知道這個(gè)模型在時(shí)間消失之前是否合適。這些工具是因?yàn)槟銓⑴f模型強(qiáng)加給新技術(shù)，但實(shí)際上你不知道它是否在時(shí)間消失之前是有用可靠的。“

對(duì)零件可靠性的信心隨著時(shí)間的推移而增加。“當(dāng)你有多年調(diào)試過程時(shí)，你自然會(huì)有更高的可靠性，”KLA-Tencor戰(zhàn)略合作高級(jí)主管Jay Rathert說。“但是當(dāng)你將7納米和10納米零件放入其中時(shí)，這些工藝仍然有很多成熟的工作要做。仍然存在許多尚未調(diào)試的系統(tǒng)缺陷和集成挑戰(zhàn)。“

大多數(shù)汽車芯片不是在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)上開發(fā)的。但是那些需要大量計(jì)算能力才能做出瞬間安全關(guān)鍵決策的應(yīng)用，例如AI，需要最高的密度。這就產(chǎn)生了在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)上常常被忽略的可靠性問題，因?yàn)槭褂眠@些過程開發(fā)的大多數(shù)芯片都用于消費(fèi)者設(shè)備或受控環(huán)境。

　　

　　圖3、汽車電子系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜性的演進(jìn)

 

“較新的制造工藝通常會(huì)產(chǎn)生比有時(shí)間成熟的舊工藝技術(shù)更多的缺陷部件，”西門子事業(yè)部Mentor的高級(jí)營銷總監(jiān)Tessent Benware表示。“在汽車應(yīng)用中使用最新的工藝技術(shù)是兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。這種較高的缺陷密度意味著制造后的測試必須達(dá)到更高水平的缺陷覆蓋率以達(dá)到同等質(zhì)量水平。使用抽象邏輯故障模型生成檢測缺陷的測試序列的傳統(tǒng)方法已不再充分。使用先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜IC的汽車級(jí)質(zhì)量水平要求測試模式生成需要了解缺陷在物理上的表現(xiàn)方式和位置，并且必須了解這些缺陷在模擬意義上的行為，而不僅僅是數(shù)字意義。”

Benware看到了單元內(nèi)部更多的缺陷。“在finFET工藝技術(shù)之前，通常會(huì)看到邏輯單元內(nèi)部有50-50個(gè)缺陷分裂，互連線中有缺陷。隨著finFET的引入，與互連層相比，制造晶體管和相關(guān)邏輯單元的工藝復(fù)雜性不成比例地增長。隨著更多異國晶體管技術(shù)的引入，這種差異有望持續(xù)到5nm，3nm及以下?，F(xiàn)在汽車IC將利用這些先進(jìn)節(jié)點(diǎn)，必須更多地專門用于測試電池內(nèi)部的缺陷。“

所有汽車電子產(chǎn)品 - 特別是安全關(guān)鍵部件和系統(tǒng) - 現(xiàn)在都在制造期間和之后經(jīng)過嚴(yán)格的測試。目標(biāo)是淘汰早期失效或早期有隱患的設(shè)備：早期失效的設(shè)備。

“每一臺(tái)設(shè)備都經(jīng)歷了加速的生命周期測試，然后你需要這樣做128小時(shí) - 整整一周，”Jrgensen說。“你測試設(shè)備，你把它們放入烤箱，加速生命周期測試，一周后將它們?nèi)〕?，然后你就模擬了一年的壽命。接下來，您將設(shè)備放入汽車或車內(nèi)的模塊中，它們應(yīng)該持續(xù)工作20年。通過[做到這一點(diǎn)]，你擺脫了所謂的早期失效或者有隱患的設(shè)備。“

第二步進(jìn)一步進(jìn)行測試。“然后你有另一部分批次，這是你放在同一個(gè)溫箱里的很多生產(chǎn)批次，”

Jrgensen教授繼續(xù)說，“但它在那里待了1000個(gè)小時(shí)。這是很多1,000個(gè)組件，然后你加速老化測試，然后你看看這1000個(gè)組件是否可以持續(xù)1,000小時(shí)大約相當(dāng)于三個(gè)月。然后應(yīng)該產(chǎn)生20年的模擬壽命。所以，我們有1,000臺(tái)設(shè)備正在通過這一點(diǎn)，你得出結(jié)論，其他設(shè)備也會(huì)這樣做。這就是你如何對(duì)汽車零件進(jìn)行質(zhì)量保證，這就是為什么它們?nèi)绱税嘿F。您在將它們放入車內(nèi)之前，需要通過大量的QA(質(zhì)量評(píng)估)測試。“

　　圖4、未來汽車中電子系統(tǒng)的分層和模塊化結(jié)構(gòu)

 

可靠性問題之一是它與成本成正比。在汽車安全關(guān)鍵部件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，在供應(yīng)鏈的上下，每個(gè)供應(yīng)商都有更多的測試步驟要做，這會(huì)增加更多的測試時(shí)間并需要更多的測試，這反過來又會(huì)增加成本。雖然正在制定戰(zhàn)略以同時(shí)進(jìn)行更多測試，但成本仍在不斷上升。

“制造和測試的早期部分肯定會(huì)有更多的關(guān)注，”Astronics高級(jí)經(jīng)理Anil Bhalla說。“汽車測試是最復(fù)雜和最昂貴的，現(xiàn)在每個(gè)人都在試圖削尖他們的鉛筆，并找出如何削減成本的方法。汽車是由大量數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的。這是非常小心和有條理的，它發(fā)生在很寬的溫度范圍內(nèi)。但是測試流程中也有很多冗余，重點(diǎn)是嘗試在正確的插入點(diǎn)找到正確的覆蓋范圍。由于汽車首次獲得更多前沿零件，這一點(diǎn)變得更加困難。我們?cè)谄囆袠I(yè)看到了7nm的零件，如果你看一下半導(dǎo)體市場的增長點(diǎn)，汽車就是最大的細(xì)分市場之一。“

有兩種不同的方法可以解決這個(gè)問題。一種是利用系統(tǒng)級(jí)測試，這種測試更昂貴，但允許在實(shí)際系統(tǒng)的環(huán)境中進(jìn)行測試。目前尚不清楚系統(tǒng)級(jí)測試是否會(huì)實(shí)際上增加總體成本，因?yàn)闇囟韧ǔＰ枰齻€(gè)不同的插入點(diǎn)，而它可能只是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)測試。另一個(gè)是首先關(guān)注成本，并找出測試可能需要或不需要的東西。

“問題是你不能兩者都做，因?yàn)榛顒?dòng)的部件太多了，”Bhalla說。“在消費(fèi)類設(shè)備中，您可以每六個(gè)月更換一次。但在汽車領(lǐng)域，他們談?wù)摰氖橇闳毕莺腿f億分之一。這必須與能負(fù)擔(dān)得起的人保持平衡。“

　　

　　圖5：ISO 26262故障參考。資料：Arteris IP

 

并非所有故障都是相同的，并非所有故障都是可預(yù)測的。ISO 26262識(shí)別系統(tǒng)故障，這是我們可以找到并可能預(yù)測和修復(fù)的故障，以及屬于“事物發(fā)生”線的隨機(jī)故障。

“汽車制造商正在記錄所有故障，看它是否是一次周期性故障，或者是否是隨機(jī)故障，”Delta的Jrgensen說。“當(dāng)然，你有快速的報(bào)告系統(tǒng)。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)失效時(shí)，我們需要確定它是否對(duì)其他部件產(chǎn)生影響，這是否是隨機(jī)失效。“

因此，有處理這些的質(zhì)量問題的測量方法，以及需要存儲(chǔ)哪些數(shù)據(jù)的程序。所有東西都按照飛機(jī)的方式進(jìn)行記錄，并且應(yīng)該保存15到20年。但即使這樣也可能還不夠。

　　

　　圖6、用于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制的本地智能系統(tǒng)(C3U)

 

“雖然可以通過監(jiān)控內(nèi)置自檢性能的細(xì)微變化來預(yù)測許多可靠性故障，但我認(rèn)為預(yù)測故障不會(huì)100%準(zhǔn)確，”Mentor的Benware說。“許多可靠性故障在發(fā)生之前都沒有任何跡象。只要無法達(dá)到100%的準(zhǔn)確性，故障緩解將優(yōu)先于故障預(yù)測。“

 

一個(gè)龐大的，糾結(jié)的供應(yīng)鏈

 

現(xiàn)在，整個(gè)汽車供應(yīng)鏈必須參與安全文化，以使汽車系統(tǒng)可靠和安全?？煽啃允菆F(tuán)隊(duì)的努力。

“我們轉(zhuǎn)向的每個(gè)地方都聽到零缺陷，”KLA的Rathert說。“在過去兩年中，我們一直致力于調(diào)整我們的工具，人員，方法和合作伙伴，以幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”

這是一個(gè)難題。另一個(gè)是準(zhǔn)確理解誰在供應(yīng)鏈中扮演的角色。

KLA-Tencor營銷高級(jí)主管Rob Cappel說：“你肯定會(huì)看到五年前你不會(huì)看到的汽車電子游戲中的玩家。” “有人設(shè)計(jì)自己的芯片 - 谷歌，蘋果，亞馬遜。這可能不僅僅適用于汽車。他們正在研究人工智能。我們五年前所知道的生態(tài)系統(tǒng)正在發(fā)生變化。對(duì)于汽車而言，全面的生態(tài)系統(tǒng)，從大型企業(yè)到半導(dǎo)體廠商，都認(rèn)為質(zhì)量和可靠性是關(guān)鍵。“

與此同時(shí)，這些供應(yīng)鏈關(guān)系變得越來越復(fù)雜，Arteris IP營銷副總裁Kurt Shuler在一篇關(guān)于ISO 26262的論文中解釋道。“現(xiàn)在制造或設(shè)計(jì)芯片以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛應(yīng)用的傳統(tǒng)半導(dǎo)體供應(yīng)商如今有時(shí)與一級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和原始設(shè)備制造商競爭，他們可能正在制造自己的芯片或向其半導(dǎo)體供應(yīng)商合作伙伴提供明確的要求。此外，Uber，Waymo和Apple等新進(jìn)入者正在設(shè)計(jì)自己的完整系統(tǒng)，盡管他們?cè)谄囆袠I(yè)缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。ISO 26262要求在整個(gè)過程中進(jìn)行高水平的協(xié)作和信息共享，而新進(jìn)入者可能不熟悉整個(gè)價(jià)值鏈。“

　　

　　圖7、汽車供應(yīng)鏈。資料：Arteris IP

 

ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)是問題和整個(gè)供應(yīng)鏈必須達(dá)到的長度的快照。協(xié)作是關(guān)鍵。現(xiàn)在，通信是汽車安全關(guān)鍵供應(yīng)鏈上下安全標(biāo)準(zhǔn)的一部分。它內(nèi)置于標(biāo)準(zhǔn)中。

分享供應(yīng)商皇冠上的知識(shí) - 知識(shí)產(chǎn)權(quán) - 必須在供應(yīng)商和汽車OEM之間進(jìn)行。“半導(dǎo)體和軟件供應(yīng)鏈的參與者通常會(huì)對(duì)他們的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的開發(fā)方式以及它的工作原理保密，”舒勒說。供應(yīng)商應(yīng)記住“您的客戶仍有義務(wù)確認(rèn)您是否符合ISO 26262”。

　　

　　圖8、組合環(huán)境壓力測試的設(shè)備和概念

 

這也為利用IP的公司帶來了一些有趣的挑戰(zhàn)，因?yàn)镮P表征可能差異很大。“如果你想在市場上競爭，你需要比以前更好地利用IP，”ClioSoft營銷副總裁Ranjit Adhikary說。“這就是為什么你聽到很多汽車公司都在談?wù)撝R(shí)產(chǎn)權(quán)管理。但你也想確保從事IP工作的人不會(huì)看到其他IP。“

IP的價(jià)值隨著在實(shí)際應(yīng)用中通過芯片認(rèn)證和測試而上升。“對(duì)于我們作為這些市場的IP供應(yīng)商，我們還通過汽車認(rèn)證將我們的IP應(yīng)用到這些應(yīng)用中，”Synopsys的DDR PHY高級(jí)產(chǎn)品營銷經(jīng)理Graham Allen說。“因此，當(dāng)供應(yīng)商購買汽車級(jí)IP時(shí)，他們知道他們將獲得IP，一旦他們獲得了芯片的汽車級(jí)認(rèn)證，他們的IP就不會(huì)在這方面造成任何問題。”。

　　

　　圖9、通過組合熱循環(huán)和振動(dòng)測試監(jiān)測基于電阻的菊花鏈結(jié)構(gòu)(左)和汽車電池管理系統(tǒng)的電路板(右)。

 

汽車制造商也為自己驗(yàn)證和驗(yàn)證零件。福特汽車公司的高級(jí)可靠性工程師Keith Hodgson說：“我們實(shí)際上將每個(gè)人的設(shè)計(jì)分開，并將它們重新組合在一起。”我們經(jīng)歷了最糟糕的電路分析過程，我們實(shí)際上幫助他們重新設(shè)計(jì)我們的實(shí)際汽車客戶使用情況和任務(wù)情況。“福特希望IC設(shè)計(jì)人員和制造商獲得的數(shù)據(jù)是，對(duì)于99%的客戶而言，使用最壞情況溫度和沖擊，芯片實(shí)際上能夠正常運(yùn)行多長時(shí)間。“然后讓[IC制造商]希望與我們分享這些數(shù)據(jù)，這樣我們就可以估算出我們對(duì)最壞情況客戶的影響時(shí)間，然后嘗試在失效之前采取措施減輕這種情況。”

 

 

　　圖10、動(dòng)力循環(huán)測試臺(tái)：具有執(zhí)行疊加主動(dòng)/被動(dòng)循環(huán)測試的能力

 

失效在某些時(shí)候是不可避免的，但是如何應(yīng)對(duì)它會(huì)帶來各種各樣的選擇。“在福特，我們假設(shè)部件將會(huì)出現(xiàn)故障，因此我們?cè)噲D通過預(yù)測來緩解故障 - 這是一種預(yù)測方法，我們希望集成電路制造商幫助我們了解退化模型，以便我們將其構(gòu)建到我們的軟件中運(yùn)行芯片并估算我們認(rèn)為有用的生命。然后，自主很容易。讓車輛自己回家并更換處于故障邊緣的模塊。而客戶會(huì)忽略一些細(xì)節(jié)問題。“汽車制造商正在向芯片行業(yè)尋求有關(guān)性能退化模型的詳細(xì)數(shù)據(jù)，但其中大部分尚未存在。

Dfr Solutions公司首席執(zhí)行官兼管理合伙人克雷格希爾曼說：“讓我們對(duì)半導(dǎo)體公司有點(diǎn)瘋狂的一件事就是他們?cè)谶@些小型工藝節(jié)點(diǎn)上使用了令人驚訝的復(fù)雜工具來預(yù)測晶體管的可靠性。” “但是當(dāng)他們的用戶詢問可靠性時(shí)，他們會(huì)說它只有0.70 v并且設(shè)備的故障率恒定為77，沒有故障。”

Dfr并不孤單。“我們正在與一些德國汽車制造商進(jìn)行談判，他們基本上也有同樣的問題，”弗勞恩霍夫自適應(yīng)系統(tǒng)部門工程部門設(shè)計(jì)方法部負(fù)責(zé)人羅蘭·詹克說。“他們沒有從技術(shù)的能力中獲得足夠的信息。如果你正在考慮最新的技術(shù)--10,12,7nm - 那么問題是它們沒有得到足夠的信息。“在過去，供應(yīng)鏈?zhǔn)褂闷俨寄Ｐ?，OEM將向一級(jí)供應(yīng)商提供規(guī)格，然后他們將決定涉及哪個(gè)第2級(jí)玩家，依此類推至第3級(jí)和第4級(jí)。

“這種模式不再有效，”Jancke說。“它太慢了，沿線提供的信息確實(shí)不夠。這是一個(gè)相當(dāng)長的線 - 一個(gè)各種各樣的價(jià)值鏈 - 并且有一些信息沒有交給整個(gè)供應(yīng)鏈。因此，汽車制造商并不完全了解他們?cè)谄囍猩婕澳承┘夹g(shù)時(shí)會(huì)得到什么。我們從眾多原始設(shè)備制造商那里聽到他們開始打破這個(gè)價(jià)值鏈。他們開始直接聯(lián)系技術(shù)提供商和代工廠，因?yàn)樗麄兿胫肋@項(xiàng)技術(shù)的真正用途，特別是在先進(jìn)技術(shù)方面。他們想知道什么是代工廠正在測試，他們正在做些什么來確保該技術(shù)將持續(xù)20多年或能滿足所有的要求”。

 

 

　　圖11、溫度范圍增加的高溫循環(huán)系統(tǒng)