Warum sind Automobilchips immer noch Mangelware?

Jul 25, 2023

In der Autoindustrie mangelt es immer noch an Halbleiterchips

Mittlerweile weiß fast jeder, dass es in der Automobilindustrie immer noch an Halbleiterchips mangelt, obwohl sich die Situation zu verbessern scheint. Während es so gut wie selbstverständlich ist, dass Elektrofahrzeuge mehr Halbleiter verbrauchen, warum verbrauchen benzinbetriebene Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (ICE) so viele Chips? Und verfügen diese Chips über Eigenschaften, die es schwieriger machen, die Produktionskapazität zu erhöhen, wenn sie knapp sind? Das ist es, was dieser Artikel zu erklären versucht.

Die New York Times NYT sagte, dass ein modernes Fahrzeug bis zu 3.000 Halbleiterchips verwenden kann, während eine andere Quelle von über 1.000 sprach. Ich bin sicher, das hängt davon ab, was Sie zählen, aber noch in den 1960er-Jahren war die Elektronik in Fahrzeugen ziemlich neu auf das Autoradio beschränkt. Wie kam es, dass ein Produkt, das vor nicht allzu langer Zeit fast ausschließlich mechanisch war, so viele Chips hatte? Die Antwort besteht aus mehreren Teilen und spiegelt den allgemeinen Anstieg der Chipnutzung in einer Vielzahl von Verbraucher- und Industrieprodukten wider: Leistung, Kosten und die Migration der Funktionalität von Hardware zu Software.

Bei Automobilen führte der enorme Vorstoß zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs nach der Ölkrise von 1973 zu einem raschen Anstieg des Einsatzes von Elektronik in der Motorsteuerung. Während in den späten 1960er Jahren erstmals elektronische Zündungen auf den Markt kamen, zeigte der Einsatz von Mikrocontroller-Chips für die Motorsteuerung, was mit einem digitalen Ansatz möglich ist. Mithilfe von Sensoren zur Überwachung von Dingen wie Temperatur, Kurbelwellenposition, Luftmassenstrom, Drosselklappenposition und Sauerstoffkonzentration in den Abgasen konnten Autohersteller den Kraftstoffverbrauch und die Emissionsprofile ihrer Fahrzeuge erheblich verbessern. Die Controller-Chips führten spontane Berechnungen durch, um die Motorleistung zu optimieren, was mit mechanischen Sensoren und Verbindungen nicht möglich war.

Dies verdeutlicht einen der großen Treiber für den zunehmenden Einsatz von Halbleiterchips: die Implementierung vieler Funktionen mithilfe von Software, die mit Hardware allein möglicherweise nur schwer (oder sogar unmöglich) möglich gewesen wären. Um die optimale Rate zur Versorgung der Kraftstoffeinspritzdüsen zu berechnen, müssen möglicherweise komplexe Gleichungen in Echtzeit gelöst oder Zahlen in Tabellen nachgeschlagen werden. Das lässt sich leicht (und kostengünstig) mit Computerchips und etwas Software bewerkstelligen. Auf diese Weise erhielten wir auch ausgefeiltere Automatikgetriebe, bei denen mithilfe von Software ausgefeilte Steuerungsschemata wie das Herunterschalten beim Bergabfahren implementiert wurden. Ein an Geschwindigkeitssensoren angebrachter Controller-Chip sendet Signale an Halbleiter-Leistungsschalter, die die Getriebemagnete steuern. Dies unterstreicht die Rolle von Leistungshalbleitern, Geräten, die den Strom unter digitaler Steuerung schalten und im gesamten Fahrzeug weit verbreitet sind. Wenn man diese Geräte auch zu den „Chips“ zählt (wie es die New York Times wahrscheinlich getan hat), steigt die Anzahl der Halbleitergeräte in einem Fahrzeug deutlich an.

Halbleiterchips in Automobilqualität und die zugehörigen Schalter und Geräte, die sie steuern, sind zuverlässiger als ihre mechanischen Gegenstücke. Ich erinnere mich, als ich viel jünger war, zeigte mir ein Freund die sequentiellen Blinker im Kofferraum seines Mercury Cougar von 1968. Die roten Blinker waren offenbar mit einem kleinen motorbetriebenen Drehschalter verbunden, der „wie eine Waschmaschine klang“. Sobald die Kontakte abgenutzt oder korrodiert waren, war das Ding ein Chaos. Durch den Einsatz von Halbleiterschaltern und einer einfachen Zeitschaltung wurden solche Mechanismen weitaus zuverlässiger.

Infotainmentsysteme in Fahrzeugen verbrauchen viele Chips: BRITTA PEDERSEN/dpa | Verwendung weltweit (Foto ... [+] von Britta Pedersen/Picture Alliance über Getty Images)

Ein weiteres Beispiel: Vor einigen Jahren habe ich einen Volkswagen Käfer gemietet, und als ich ins Auto sprang und die Tür schloss, rollte das Fenster auf der Fahrerseite ein wenig herunter, gerade als die Tür sich schließen wollte, und rollte dann wieder hoch. Dadurch wurde der Druck im Fahrgastraum ausgeglichen, sodass Ihre Ohren nicht knacken. Rein mechanisch wäre eine solche Funktionalität wirklich eine Herausforderung gewesen, aber bei einem Mikrochip waren es wahrscheinlich nur ein paar Codezeilen. Die Karosserieelektronik eines Fahrzeugs – elektrische Fensterheber, Türschlösser und Seitenspiegel – ist normalerweise mit einem Body Control Module (BCM)-Chip verbunden. Das BCM kommuniziert auch mit anderen elektronischen Einheiten im gesamten Auto – beispielsweise dem Kombiinstrument und vielen Sensoren. Und natürlich nutzen Infotainmentsysteme eine Vielzahl von Chips.

Eine weitere Sache bei der Implementierung von Dingen in Software statt in Hardware: Sie können das Produkt nach dem Versand ändern. Wir sehen das ständig in der Software unseres Computers und Telefons – es scheint, dass ich bei jedem zehnten Zoom-Meeting ein neues Software-Update bekomme. Aber Hardware? Tesla hat die Leistungsfähigkeit von „Over-the-Air-Updates“ unter Beweis gestellt, die Funktionen des Autos ändern. Ich erinnere mich, dass GE Aviation auch eine Softwarekorrektur vorgenommen hat, um vorübergehend ein Problem mit der Vereisung in großen Höhen an seinen GEnx-Turbofan-Triebwerken zu beheben, die in den Boeing BA 787 und 747-8 eingesetzt werden. Mit Software? Wow, das war beeindruckend!

Es gibt mehrere herausragende Merkmale von Automobilchips. Erstens müssen sie lange Zeit bei extremen Temperaturen betrieben werden und dabei vielen Stößen und Vibrationen ausgesetzt sein. Autohersteller gehen von einer Betriebslebensdauer von 15 Jahren aus und tolerieren in diesem Zeitraum eine Ausfallrate von null Teilen pro Milliarde. Außerdem wollen sie, dass Ersatzteile 30 Jahre lang verfügbar sind. Die Ausfallraten der meisten Unterhaltungselektronikgeräte (z. B. Ihres Telefons) werden in Teilen pro Million gemessen und gelten nach fünf Jahren als veraltet. Wenn bei Ihrem PC ein Fehler auftritt, starten Sie ihn neu und testen Sie ihn erneut. Wenn Ihre Motorsteuerung plötzlich ausfällt, halten Sie nicht an den Straßenrand und starten den Motor neu (obwohl ich gehört habe, dass so etwas beim Infotainmentsystem eines Elektrofahrzeugs passiert). Der Automotive Electronics Council (gegründet von den Detroit Big Three) unterhält eine Reihe von Qualifikationsstandards für Chips. Für die Betriebstemperatur werden die Betriebsbereiche der Klassen 0, 1, 2 und 3 definiert, wobei Klasse 1 -40 °C bis +125 °C und Klasse 2 -40 °C bis +105 °C abdeckt. Das hat übrigens eine Obergrenze, die heißer ist als die Temperatur von kochendem Wasser. Dies ist ein wesentlich anspruchsvollerer Bereich, als die meisten Consumer-Chips jemals sehen werden. Die Chips müssen zuverlässig sein, also müssen sie so konzipiert und getestet werden, dass sie auch unter extremen Bedingungen eine ausreichende Lebensdauer haben.

Die Naka-Fabrik von Renesas Electronics in Hitachinaka, Präfektur Ibaraki, Japan, ist ein wichtiger Lieferant von ... [+] Automobil-Mikrocontrollern. AFP PHOTO / KAZUHIRO NOGI (Bildnachweis sollte KAZUHIRO NOGI/AFP via Getty Images lauten)

Die zweite Anforderung besteht darin, dass sie unter Berücksichtigung der Sicherheit konstruiert werden müssen. Vieles davon wird in der ISO 26262 – Funktionale Sicherheitsstandards – abgedeckt, die eine Reihe von Dingen abdeckt, angefangen bei der Art und Weise, wie sie konzipiert sind, bis hin zur Handhabung von Fehlern.

Schließlich müssen die Prozesse zur Herstellung von Chips in Halbleiterfabriken „qualifiziert“ werden, was normalerweise sechs Monate dauert. Die Fabriken müssen außerdem Modifikationen an ihren Prozessdesign-Kits für Hochtemperatur-Gerätemodelle, dickere Verbindungen und andere Dinge vornehmen, die die Zuverlässigkeit erhöhen. Danach müssen die Chips ausgiebig getestet werden, bevor sie in Fahrzeuge eingebaut werden können. Das bedeutet beschleunigte Lebensdauertests bei erhöhten Temperaturen und rauen Bedingungen, um einen langjährigen Einsatz zu simulieren. Mainstream-Automobilhersteller haben drei bis fünf Jahre gebraucht, um neue Chips zu entwickeln, zu testen und zu validieren.

Ich habe bereits darauf hingewiesen, dass viele Automobil-Mikrocontroller die 90-nm-Technologie verwenden und es schwierig war, die Kapazität zu erhöhen. Die Engpässe der letzten zwei Jahre haben einige Automobilchiphersteller dazu veranlasst, auf 65/55-nm-Knoten umzusteigen, und einige sind sogar auf 40-nm-Knoten umgestiegen. DigiTimes sagt jedoch, dass es bis zu fünf Jahre dauern wird, bis die neuen, mit 40-nm-Prozessen hergestellten Chips die Validierungsprozesse durchlaufen und in neue Fahrzeuge eingebaut werden, was bedeutet, dass die vorhandene Technologie noch einige Zeit im Einsatz sein wird. Und deshalb spricht man länger als die meisten anderen von einer Linderung des Autochip-Mangels.