Производство автомобилей и микрочипы

Микрочип— чип-кристалл, на котором нанесена интегральная схема. Применяется для обеспечения работы отдельных узлов, в том числе в автомобилестроении.

Является ключевые элементом электронных систем. Ниже рассмотрим, где в машинах используются такие детали, сколько их устанавливается, и какие они имеют размеры. Отдельно разберемся с крупными производителями и трудностями поставок, которые возникли в 2022 году.

Где в автомобиле используются микрочипы

Современные автомобили буквально «пронизаны» микрочипами, необходимыми для работы сложных электронных систем. Они применяются в следующих системах:

• ABS;
• ESB;
• подушки безопасности;
• блок управления двигателем;
• мультимедийные системы и т. д.

Без микрочипов нельзя представить работу мультируля, магнитолы, многочисленных устройств помощи водителю и т. д. Они применяются в работе стартера, рулевом управлении, работе компрессора, генераторе постоянного тока и т. д.

К такой электронике предъявляются жесткие требования в плане надежности и устойчивости на отказ. Они должны выполнять задачи в любую погоду и вне зависимости от температуры. Если в машине происходит форс-мажор или авария, электронная часть должна справляться с поставленными целями и работать с учетом заданной логики.

Сколько микрочипов стоит в автомобилях разных производителей

Заводы-изготовители автомобилей зависят от производства микрочипов и находятся в постоянном контакте с поставщиками. Количество таких элементов меняется с учетом сложности и количества электронных систем. Даже у автомобилей отечественного производства есть ЭБУ, антиблокировочная система, подушки безопасности и т. д.

В среднем количество микрочипов в машине с ДВС — до 1000 единиц, а в машине с электрическим двигателем — до 2000. В высокотехнологичных автомобилях Tesla с огромным числом современных систем таких элементов свыше 3000. Главная особенность состоит в наличии автопилота, созданного компанией NVIDIA. Именно в нем задействовано наибольшее количество транзисторов.

Важно

С повышением сложности автомобилей увеличивается число микрочипов в автомобилях. Производители микрочипов вынуждены расширять производство, но из-за высокой цены процесс идет медленно и требует больших финансовых вливаний. К примеру, компания Самсунг вложила 17 млрд долларов в завод в Техасе, но его строительство займет долгое время. 

Проблема количества лежит не в самом производстве, а в разработке. На создание и проектировку микрочипа уходит до 5-7 лет, после чего изделие идет в производство. Вот почему многие авто, напичканные такими устройствами, работают на более старых технологиях.

Размеры транзисторов в автомобилях

Рынок микрочипов развивается, о чем свидетельствует уменьшение в размерах устройств. Долгие годы на автомобильном рынке применялись МОП-транзисторы в стандартных корпусах ТО-220, D2PAK или DPAK. Размер таких девайсов зависит от типа. К примеру, ТО-220 имеет корпус 10х4х15 мм, а D2Pak— 10,54х15,49 (вместе с выводами).

Старые транзисторы имеют большие размеры, а их корпуса по сопротивлению не соответствуют потребностями электрических автомобилей. Современные тенденции ориентированы на снижение размеров с одновременным повышением надежности и эффективности.

Набирает популярности версия TOLL— вариант микрочипа размером 10х12 мм с максимальной нагрузкой до 300 А. Полевые транзисторы в таком корпусе имеют сопротивление около 1,2 МОм. В зависимости от напряжения параметр может быть увеличен до 1,5 МОм.

В качестве основания могут использоваться FR4 или IMS. Они отличаются тепловым расширением и составом применяемых материалов. На их основе выпускаются более компактные TOLG.

Они ориентированы на напряжение 80 В, а по параметрам не отличаются от TOLL.На современном этапе микрочипы для автомобилей имеют размеры 28-65 нм в зависимости от назначения и производителя. Для определения габаритов нужно знать, что в 1 мкм 1000 нанометров.

Размеры транзисторов в других отраслях

Микрочипы из США, Тайваня, Китая и других стран применяются в разных сферах: компьютерные технологии, мобильный сектор, робототехника, промышленность и т. д. Главными «потребителями» являются процессоры, при определении размеров которых применяется параметр нанометров. С конца 90-х годов прошлого века габариты транзисторов постоянно уменьшались в два раза каждые 2-3 года. Это приводило к больше компактности техники и повышению качества.

К примеру, в компьютерной сфере процессоры Intel были переведены на 10 и 7 нм. Кроме того, в компании смотрят в будущее и планируют переход на 5 и 3 нм. Главными производителями должны стать компании Самсунг и TSMC. Новые устройства будут не сильно уменьшены в размерах, но этого достаточно для повышения эффективности.

В смартфонах Apple применяются процессоры на 10 нм, а их количество — около 4,5 млрд. В новых версиях с чипами на 7 нм количество транзисторов увеличивается до 8,5 млрд. При появлении процессора на 5 нм в него вместится вдвое больше чипов. 

Недосягаемая TSMC— лидер в производстве микрочипов

В 2022 году рынок микрочипов делят между собой производители Samsung и TSMC. Вдвоем они производят 80% от всего объема микроэлектроники для автомобилестроения. Микрочипы из Тайваня (TSMC) используются компаниями AMD, Apple, NVIDIA, автомобильными производителями и другими заводами.

Главный параметр, сказывающийся на производительности схемы — количество чипов, которые помещаются на одном кристалле. Чем меньше их размер, тем ниже потребление энергии, и тем выше скорость. Для достижения таких результатов важно уделять больше внимания проектированию, а вопросы производства передаются компаниям с узкой специализацией.

На сегодня TSMC занимает лидирующие позиции и берет на себя до 65% изготовления микрочипов размером от 28 до 65 нм для автомобильной сферы. В секторе технологичных чипов на 5-10 Нм производитель занимает почти 90% рынка.

В 2021-м году TSMC поставила целью вложить до 28 миллиардов долларов на развитие производства. Инвестированные средства пойдут на увеличение числа выпущенных микрочипов и покрытие запроса основных поставщиков, к примеру, компании Intel. К 2023-му объем заказов у TSMC может достигнуть до 20% CPU, что требует инвестиций на сумму свыше 10 млрд долларов.

Из-за роста популярности все больше отраслей зависит от TSMC и объемов производства. Если в начале 2000-х количество заводов по изготовлению чипов исчислялись десятками, сегодня главные мощности и заводы микрочипов сосредоточены в Тайване. Для сохранения лидерства и покрытия запросов потребителей TSMC необходимые новые заводы размером в 160 000 кв. метров.

Рост популярности производителя вызывает тревогу со стороны Соединенных Штатов и ЕС. Для снижения зависимости они стараются переносить производство и организовывать его на домашних рынках ближе к своим заводам. Так, в 2020-м производитель TSMC обещал инвестировать 12 млрд долларов на строительство завода в Аризоне. Обсуждается вопрос создания мощностей на территории Европы.

Причина популярности TSMC состоит в доступности всех элементов. Корпусы и специалисты находятся под рукой. Перенос производства в США приведет к повышению расходов на 10%, что станет причиной увеличения стоимости конечного товара. Кроме того, на новом заводе будут производиться чипы по 5 нм технологии.

К этому времени специалисты в Тайваня смогут выпускать изделия на 3 нм. На текущий момент доминированию завода TSMC ничего не угрожает, в том числе после строительства заводов в других странах.

Микрочипы Китая не успевают за конкурентом из-за давления со стороны США. К примеру, в 2020-м власти Соединенных Шатов внедрили экспортный контроль, из-за чего китайский производитель SMIC не смог получить нужное оборудование для строительства заводов.

Проблемы в производстве микрочипов и перспективы

В 2022 году автомобильные производители столкнулись с дефицитом микрочипов. Многие компании используют старые закупки и имеющиеся запасы, но в скором времени они будут исчерпаны. С нехваткой комплектующих столкнулись заводы Форд, Хонда, Ниссан и другие. К примеру, Фиат вынуждены были закрыть завод в Канаде, а в Фольксваген заявили о необходимости скорректировать планы производства на ближайшее время.

По оценкам экспертов, из-за дефицита микрочипов автомобильная промышленность не досчитается около 4 млн автомобилей. Главной причиной стал коронавирус и изоляция. Многие заводы уменьшили объем выпуска микроэлектроники. Свою роль сыграла и торговая война между Китаем и США.

Представитель завода TSMC заявляет, что поставки постепенно восстанавливаются и идут в необходимых объемах. Проблема в том, что они не достигают цели. Микросхемы собираются на складах и никуда не идут, а цель такого шага — завышение цены. Такие меры являются частью экономической войны между США и Китаем, чтобы подстегнуть производство ключевых чипов на своей территории и снизить зависимость от сторонних поставщиков.

Власти ЕС объявили, что планируют охватить 20% рынка уже к 2030-му, а Президент США объявил о вложении 50 млрд долларов в развитие этой сферы. Напряженность между Китаем и Соединенными Штатами усилил недавний визит представителя Конгресса Нэнси Пелоси в Тайвань. На этом же этапе была проведена встреча с представителями TSMC с договоренностью о переносе мощностей в США.

Проблемы с производством возникают на фоне ограничения поставок природного песка в Тайвань со стороны Китая. Это стало проблемой для TSMC, ведь Тайваню необходимо 90 млн такого изделия в год, а почти 35% поступает из материковой части КНР. В нем содержится кремний, который применяется при изготовлении микрочипов. Причиной введенных ограничений стал визит Нэнси Пэлоси в Тайвань и обострение конфликта между странами.

Заключение

Важность микрочипов для автомобильной промышленности сложно переоценить.

С развитием технологий увеличивается количество таких элементов, а это создает нагрузку на уже действующие заводы. Ситуация усложняется конфликтом между США, Китаем и Тайванем, что заставляет Соединенные Штаты и ЕС строить заводы у себя и тем самым снизить зависимость от поставщиков.