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新數據顯示，隨著全球氣溫上升，汽車芯片使用壽命顯著縮短，并可能出現新的安全問題。

在持續(xù)高溫的炎熱氣候下，汽車芯片老化速度明顯快于預期，這引發(fā)了人們對電動汽車的可靠性以及先進芯片是否是安全關鍵應用正確選擇的擔憂。

目前汽車上使用許多最先進的電子產品都符合ASIL D標準，預計工作溫度最高可達125攝氏度。但在熱浪延長期間，這些芯片的使用時間不會像預期的那么長。這在亞利桑那州鳳凰城進行的新研究中很明顯，記錄了64個白天溫度超過110華氏度（43.3攝氏度），5天峰值最高溫度超過115華氏度（46.1攝氏度）。在這樣的溫度下，深色車輛的客艙可以接近200華氏度（93攝氏度），這只是略低于水沸點的溫度。

根據IEEE Functional Safety Standards Committee（功能安全標準委員會）發(fā)布的一份新白皮書，由于數據有限、系統(tǒng)中的非線性和動態(tài)交互以及預測汽車芯片技術的不足，準確預測復雜系統(tǒng)在這些條件下的工作狀態(tài)是困難的。該白皮書說明，環(huán)境因素如溫度、濕度、振動、海拔、輻射等，可以對芯片老化和故障產生重大影響。將這些使芯片老化的因素納入RUL（剩余使用壽命）預測模型可能具有挑戰(zhàn)性，而且能夠測量它們對芯片系統(tǒng)的動態(tài)影響可能是有限的。

圖1：銅互連中電遷移引起的故障的掃描電鏡圖像。鈍化現象已被移除。

Synopsys公司負責營銷和業(yè)務發(fā)展的副總裁史蒂夫·帕特拉斯（Steve Pateras）說：“我們有很多OEM客戶，幾年前告訴我們他們沒有任何問題，也不擔心他們的芯片老化，因為他們通常使用的芯片已有10年歷史的技術?，F在情況不同了。我們的汽車客戶現在正在應用5nm芯片和3nm芯片。對于芯片老化，你需要能夠衡量正在發(fā)生什么，而不僅僅是假設什么會工作或使用過去的經驗。因此，RUL正成為許多這些OEM所面臨的一個大問題。基于Arrhenius Equation（阿倫尼烏斯方程）研究了芯片材料如何根據溫度降解，以及在夏季這段時間內運行一定時間，我們能夠觀察芯片老化中預期壽命的變化。這是相當戲劇性的。”

Pateras （帕特拉斯）說：“對于一種設計壽命為30年的芯片來說，高溫每年會使預期芯片壽命額外減少10%，因此一年后的芯片壽命會下降到26年。”

汽車芯片制造商非常清楚這些趨勢，而氣候變化正在加劇這些趨勢。極端溫度更頻繁，有時會持續(xù)數周，而不是幾天。所有這些都需要被整合到汽車芯片架構中，這可能需要不同的材料、額外的裕量和某種類型的主動冷卻。

英飛凌技術公司汽車美洲營銷副總裁比爾·斯圖爾特（Bill Stewart）說：“有兩個方面需要考慮，一個是裝置的質量，我們汽車芯片的故障率為十億分之60，所以對于在高溫下使用的零件，我們設計了邊緣。第二個方面是功能安全性，以及您如何檢測系統(tǒng)中的芯片老化。是軟件故障，還是硬件故障。無論是我們的芯片還是別人的芯片，重點是如何診斷并提醒操作員，這樣就可以重置汽車芯片，或者去找汽車芯片經銷商。”

在復雜的芯片系統(tǒng)中，重要的是車輛內的各種組件和芯片系統(tǒng)如何與其它組件或芯片系統(tǒng)交互。在這種復雜程度下，看似無關緊要的組件可能會使芯片老化。此外，根據ISO 26262所要求的，將故障轉移到其它系統(tǒng)中，可能會導致意外的交互。芯片故障轉移電路需要設計在與芯片故障部分相同的ASIL水平，并且芯片滿足預期的功能，即使芯片受到相同的條件。

Synaptics公司智能傳感部門的高級副總裁兼總經理薩蒂什·甘內森（Satish Ganesan）說：“我們在鳳凰城（Phoenix）還沒有遇到一輛汽車顯示故障的情況。但還有其它部件由于高溫而失效。即使其它組件出現芯片老化，我們的觸摸組件和屏幕也可能仍然可以工作。但任何出現芯片故障的組件仍然可能導致系統(tǒng)出現芯片老化。”

哪里出了問題？

所有這些也都假設了一個正常的工作負載。隨著車輛中自動駕駛系統(tǒng)的日益增加，處理元件的利用率可能會顯著提高。與任何電子產品一樣，更高的利用率會增加電路的溫度，從而加速芯片老化。

英飛凌科技公司汽車車身和信息娛樂部高級主管雷·諾塔蘭托尼奧（Ray Notarantonio）說：“當我們確定一個零件時，我們就會開發(fā)一個任務概況。這個任務概況包括溫度、電壓和其它一切。當然，任務概況不是一輛最高溫度狀態(tài)接近一半的汽車。但我們看到了一些自動駕駛將改變任務輪廓的案例，因為汽車將更頻繁地活躍，并運行人工智能。這是一個很重要的因素。我們認識到這一點，從資格認證的角度來看，我們還做了很多事情來超越這些任務概況。”

Ansys的高級應用工程師喬什阿克曼（Josh Akman）說：“如果你有一輛具有自動駕駛能力的混動汽車，它可能會連續(xù)開車，這與通勤車完全不同。如果使用比如5納米或3納米汽車芯片，有很多挑戰(zhàn)需要考慮。不僅是為了熱完整性，也為了電氣和機械完整性。如果你解決了其中一個，有時就會加劇另一個。有很多事情需要平衡。”

“考慮在汽車芯片封裝級別上的交互作用。你可以在某種程度上區(qū)分芯片老化效應和芯片磨損效應，”阿克曼說。“如果持續(xù)高溫下，一個常見的問題是你的汽車芯片焊縫脆性變強。在封裝和PCB的芯片接口，是焊料和PCB上的芯片混合物。當回流焊時，芯片會混合。隨著時間的推移和焊料的芯片老化，金屬芯片間層會生長，變得更加脆。因此，從芯片老化效應中創(chuàng)建新的潛在失效模式。同樣地，如果有溫度波動，會得到很多熱膨脹系數（CTE）不匹配的問題。不同汽車芯片材料以不同速度膨脹和收縮，造成的機械應力可能會導致不同類型的失效模式，無論是在汽車芯片封裝上還是在汽車芯片焊縫上，甚至持續(xù)到C4凸起、翻轉芯片凸起或微凸起。然后在晶粒水平上有電遷移和介電擊穿，以及許多其它與溫度相關的問題。”

未來的變化

沒有一種可以解決所有這些芯片壽命問題的單一最佳方式。

西門子EDA的混合芯片系統(tǒng)和虛擬芯片系統(tǒng)副總裁大衛(wèi)·弗里茨（David Fritz）說：“這里有一種最直接的方法。我們有可能在芯片設備中分析數據。還有另一種方法。我遇到了中國的一家芯片供應商，他們正在使用最新、最偉大的芯片技術將人工智能植入芯片。它被稱為聚焦轉換器（Focused Transformer）。這和在大型語言模型中使用是一樣的。但它被擴展到單個汽車芯片中。它監(jiān)控情況，確定芯片何時出現退化，然后決定芯片可以做出什么樣的其它變化。所以也許頻率不是最大的。也許可以把頻率再提高10兆赫，可以延長汽車芯片壽命。這不僅僅是監(jiān)控芯片。這是一種決策能力，并以能夠延長汽車芯片壽命的方式改變功能。”

這與蘋果對iPhone的做法類似，但事實恰恰相反。蘋果降低了其應用處理器的時鐘速度，防止它們因電池老化，充電減少而關閉。在這種情況下，與車輛電機所需的能量相比，電池的消耗相對較小。

然而，這種芯片恢復性很難管理，特別是在一個復雜芯片系統(tǒng)中。并不是所有汽車芯片都由于熱梯度而均勻老化，熱梯度會導致電遷移并減少電子通過電線的流動。在炎熱氣候下，這就變得更加難以管理。雖然冗余電路可以用來繞過電磁場，但在5nm和3nm芯片，這并不是一個可行的選擇，因為增加的電路會影響整體性能。更糟糕的是，在那些先進芯片上，互連線非常薄，這加劇了熱隔間中的任何芯片熱效應。對于較薄的絕緣薄膜也是如此，它會隨著時間的推移而失效（隨時間變化的介電擊穿，或TDDB）。

Synopsys公司的 帕特拉斯（Pateras）說：“那么接下來會發(fā)布ISO 26262標準的下一個版本，一直致力于預測性維護的工作組，正在被納入該標準的第三版，真正規(guī)范監(jiān)控芯片和芯片恢復性。它能夠獲取和監(jiān)控芯片數據，并將它作為預測故障的方法。芯片行業(yè)正在朝著這種方法發(fā)展，你需要積極地監(jiān)控芯片，而不是僅僅通過其它方式建立固有的芯片恢復能力。芯片功能安全將一直存在著，人們將考慮使用各種芯片技術。但監(jiān)控將是管理這種芯片恢復能力的關鍵工具。”

安全問題

加速芯片老化和高環(huán)境溫度的影響遠遠不止一個電路。在汽車領域，安全可以以獨特的方式重疊。

Rambus公司IP產品管理高級技術總監(jiān)斯科特說：“幾年前，在GOMACTech（政府微電路應用和關鍵技術會議）有一篇論文，他們把PUF放入FPGA可編程芯片模塊中，然后提高FPGA電壓，溫度，他們通常把芯片放進烤箱里，然后做了一個快速芯片老化實驗。然后他們把PUF放入 fabric里，由于成批fabric的芯片老化，無法恢復原來的關鍵材料。”

在過去，阻止網絡攻擊最常見的方法之一是混淆法，它本質上是在裝置中添加噪音，從而更難確定芯片是如何工作的。問題在于，人工智能算法可以識別出人類無法識別出的噪音，而且這些噪音很容易被屏蔽。

貝斯特說：“我參加了一個展示功率分析側通道對策的會議。他們建立了一個噪音電路，只是在電源上爆了很多噪音。所以如果你測量電源，你就會被這個隨機的噪音淹沒，現在你看不到加密操作的簽名。如果你做了兩次測量并減去它們，它們的隨機信號就會消失。人類看不到這個，但是通過一些工具和1000個范圍跟蹤，它只是在做數學。不會被數字或圖像所混淆。‘有信號，就會有噪音，這是關鍵’”

結論

目前還不清楚電路中的熱量增加是否會使這些信號更加明顯，但這肯定是未來討論的汽車芯片話題。最重要的是，熱對所有電路都是一個問題，但當與比預期更高的環(huán)境溫度相結合時，與熱相關的芯片老化會加速。觸發(fā)了一大堆挑戰(zhàn)，許多汽車制造商從未預料到，提高汽車芯片的最大持續(xù)運行溫度或找出更好的方法來監(jiān)控電子芯片在車輛確定他們應該被替換和如何冷卻變得更迫切。

隨著汽車自動駕駛使用率的提高，以及汽車制造商使用更先進的芯片，以及更薄的基板、電線和電介質，這些挑戰(zhàn)只會進一步使芯片老化。當安全性結合電路老化時，在汽車應用中需要一個良好的平衡。但是，隨著5納米芯片和3納米芯片的推行，這種平衡變得更難實現。