新数据显示，随着全球气温上升，汽车芯片使用寿命显著缩短，并可能出现新的安全问题。

在持续高温的炎热气候下，汽车芯片老化速度明显快于预期，这引发了人们对电动汽车的可靠性以及先进芯片是否是安全关键应用正确选择的担忧。

目前汽车上使用许多最先进的电子产品都符合ASIL D标准，预计工作温度最高可达125摄氏度。但在热浪延长期间，这些芯片的使用时间不会像预期的那么长。这在亚利桑那州凤凰城进行的新研究中很明显，记录了64个白天温度超过110华氏度（43.3摄氏度），5天峰值最高温度超过115华氏度（46.1摄氏度）。在这样的温度下，深色车辆的客舱可以接近200华氏度（93摄氏度），这只是略低于水沸点的温度。

根据IEEE Functional Safety Standards Committee（功能安全标准委员会）发布的一份新白皮书，由于数据有限、系统中的非线性和动态交互以及预测汽车芯片技术的不足，准确预测复杂系统在这些条件下的工作状态是困难的。该白皮书说明，环境因素如温度、湿度、振动、海拔、辐射等，可以对芯片老化和故障产生重大影响。将这些使芯片老化的因素纳入RUL（剩余使用寿命）预测模型可能具有挑战性，而且能够测量它们对芯片系统的动态影响可能是有限的。

图1：铜互连中电迁移引起的故障的扫描电镜图像。钝化现象已被移除。

Synopsys公司负责营销和业务发展的副总裁史蒂夫·帕特拉斯（Steve Pateras）说：“我们有很多OEM客户，几年前告诉我们他们没有任何问题，也不担心他们的芯片老化，因为他们通常使用的芯片已有10年历史的技术。现在情况不同了。我们的汽车客户现在正在应用5nm芯片和3nm芯片。对于芯片老化，你需要能够衡量正在发生什么，而不仅仅是假设什么会工作或使用过去的经验。因此，RUL正成为许多这些OEM所面临的一个大问题。基于Arrhenius Equation（阿伦尼乌斯方程）研究了芯片材料如何根据温度降解，以及在夏季这段时间内运行一定时间，我们能够观察芯片老化中预期寿命的变化。这是相当戏剧性的。”

Pateras （帕特拉斯）说：“对于一种设计寿命为30年的芯片来说，高温每年会使预期芯片寿命额外减少10%，因此一年后的芯片寿命会下降到26年。”

汽车芯片制造商非常清楚这些趋势，而气候变化正在加剧这些趋势。极端温度更频繁，有时会持续数周，而不是几天。所有这些都需要被整合到汽车芯片架构中，这可能需要不同的材料、额外的裕量和某种类型的主动冷却。

英飞凌技术公司汽车美洲营销副总裁比尔·斯图尔特（Bill Stewart）说：“有两个方面需要考虑，一个是装置的质量，我们汽车芯片的故障率为十亿分之60，所以对于在高温下使用的零件，我们设计了边缘。第二个方面是功能安全性，以及您如何检测系统中的芯片老化。是软件故障，还是硬件故障。无论是我们的芯片还是别人的芯片，重点是如何诊断并提醒操作员，这样就可以重置汽车芯片，或者去找汽车芯片经销商。”

在复杂的芯片系统中，重要的是车辆内的各种组件和芯片系统如何与其它组件或芯片系统交互。在这种复杂程度下，看似无关紧要的组件可能会使芯片老化。此外，根据ISO 26262所要求的，将故障转移到其它系统中，可能会导致意外的交互。芯片故障转移电路需要设计在与芯片故障部分相同的ASIL水平，并且芯片满足预期的功能，即使芯片受到相同的条件。

Synaptics公司智能传感部门的高级副总裁兼总经理萨蒂什·甘内森（Satish Ganesan）说：“我们在凤凰城（Phoenix）还没有遇到一辆汽车显示故障的情况。但还有其它部件由于高温而失效。即使其它组件出现芯片老化，我们的触摸组件和屏幕也可能仍然可以工作。但任何出现芯片故障的组件仍然可能导致系统出现芯片老化。”

哪里出了问题？

所有这些也都假设了一个正常的工作负载。随着车辆中自动驾驶系统的日益增加，处理元件的利用率可能会显著提高。与任何电子产品一样，更高的利用率会增加电路的温度，从而加速芯片老化。

英飞凌科技公司汽车车身和信息娱乐部高级主管雷·诺塔兰托尼奥（Ray Notarantonio）说：“当我们确定一个零件时，我们就会开发一个任务概况。这个任务概况包括温度、电压和其它一切。当然，任务概况不是一辆最高温度状态接近一半的汽车。但我们看到了一些自动驾驶将改变任务轮廓的案例，因为汽车将更频繁地活跃，并运行人工智能。这是一个很重要的因素。我们认识到这一点，从资格认证的角度来看，我们还做了很多事情来超越这些任务概况。”

Ansys的高级应用工程师乔什阿克曼（Josh Akman）说：“如果你有一辆具有自动驾驶能力的混动汽车，它可能会连续开车，这与通勤车完全不同。如果使用比如5纳米或3纳米汽车芯片，有很多挑战需要考虑。不仅是为了热完整性，也为了电气和机械完整性。如果你解决了其中一个，有时就会加剧另一个。有很多事情需要平衡。”

“考虑在汽车芯片封装级别上的交互作用。你可以在某种程度上区分芯片老化效应和芯片磨损效应，”阿克曼说。“如果持续高温下，一个常见的问题是你的汽车芯片焊缝脆性变强。在封装和PCB的芯片接口，是焊料和PCB上的芯片混合物。当回流焊时，芯片会混合。随着时间的推移和焊料的芯片老化，金属芯片间层会生长，变得更加脆。因此，从芯片老化效应中创建新的潜在失效模式。同样地，如果有温度波动，会得到很多热膨胀系数（CTE）不匹配的问题。不同汽车芯片材料以不同速度膨胀和收缩，造成的机械应力可能会导致不同类型的失效模式，无论是在汽车芯片封装上还是在汽车芯片焊缝上，甚至持续到C4凸起、翻转芯片凸起或微凸起。然后在晶粒水平上有电迁移和介电击穿，以及许多其它与温度相关的问题。”

未来的变化

没有一种可以解决所有这些芯片寿命问题的单一最佳方式。

西门子EDA的混合芯片系统和虚拟芯片系统副总裁大卫·弗里茨（David Fritz）说：“这里有一种最直接的方法。我们有可能在芯片设备中分析数据。还有另一种方法。我遇到了中国的一家芯片供应商，他们正在使用最新、最伟大的芯片技术将人工智能植入芯片。它被称为聚焦转换器（Focused Transformer）。这和在大型语言模型中使用是一样的。但它被扩展到单个汽车芯片中。它监控情况，确定芯片何时出现退化，然后决定芯片可以做出什么样的其它变化。所以也许频率不是最大的。也许可以把频率再提高10兆赫，可以延长汽车芯片寿命。这不仅仅是监控芯片。这是一种决策能力，并以能够延长汽车芯片寿命的方式改变功能。”

这与苹果对iPhone的做法类似，但事实恰恰相反。苹果降低了其应用处理器的时钟速度，防止它们因电池老化，充电减少而关闭。在这种情况下，与车辆电机所需的能量相比，电池的消耗相对较小。

然而，这种芯片恢复性很难管理，特别是在一个复杂芯片系统中。并不是所有汽车芯片都由于热梯度而均匀老化，热梯度会导致电迁移并减少电子通过电线的流动。在炎热气候下，这就变得更加难以管理。虽然冗余电路可以用来绕过电磁场，但在5nm和3nm芯片，这并不是一个可行的选择，因为增加的电路会影响整体性能。更糟糕的是，在那些先进芯片上，互连线非常薄，这加剧了热隔间中的任何芯片热效应。对于较薄的绝缘薄膜也是如此，它会随着时间的推移而失效（随时间变化的介电击穿，或TDDB）。

Synopsys公司的 帕特拉斯（Pateras）说：“那么接下来会发布ISO 26262标准的下一个版本，一直致力于预测性维护的工作组，正在被纳入该标准的第三版，真正规范监控芯片和芯片恢复性。它能够获取和监控芯片数据，并将它作为预测故障的方法。芯片行业正在朝着这种方法发展，你需要积极地监控芯片，而不是仅仅通过其它方式建立固有的芯片恢复能力。芯片功能安全将一直存在着，人们将考虑使用各种芯片技术。但监控将是管理这种芯片恢复能力的关键工具。”

安全问题

加速芯片老化和高环境温度的影响远远不止一个电路。在汽车领域，安全可以以独特的方式重叠。

Rambus公司IP产品管理高级技术总监斯科特说：“几年前，在GOMACTech（政府微电路应用和关键技术会议）有一篇论文，他们把PUF放入FPGA可编程芯片模块中，然后提高FPGA电压，温度，他们通常把芯片放进烤箱里，然后做了一个快速芯片老化实验。然后他们把PUF放入 fabric里，由于成批fabric的芯片老化，无法恢复原来的关键材料。”

在过去，阻止网络攻击最常见的方法之一是混淆法，它本质上是在装置中添加噪音，从而更难确定芯片是如何工作的。问题在于，人工智能算法可以识别出人类无法识别出的噪音，而且这些噪音很容易被屏蔽。

贝斯特说：“我参加了一个展示功率分析侧通道对策的会议。他们建立了一个噪音电路，只是在电源上爆了很多噪音。所以如果你测量电源，你就会被这个随机的噪音淹没，现在你看不到加密操作的签名。如果你做了两次测量并减去它们，它们的随机信号就会消失。人类看不到这个，但是通过一些工具和1000个范围跟踪，它只是在做数学。不会被数字或图像所混淆。‘有信号，就会有噪音，这是关键’”

结论

目前还不清楚电路中的热量增加是否会使这些信号更加明显，但这肯定是未来讨论的汽车芯片话题。最重要的是，热对所有电路都是一个问题，但当与比预期更高的环境温度相结合时，与热相关的芯片老化会加速。触发了一大堆挑战，许多汽车制造商从未预料到，提高汽车芯片的最大持续运行温度或找出更好的方法来监控电子芯片在车辆确定他们应该被替换和如何冷却变得更迫切。

随着汽车自动驾驶使用率的提高，以及汽车制造商使用更先进的芯片，以及更薄的基板、电线和电介质，这些挑战只会进一步使芯片老化。当安全性结合电路老化时，在汽车应用中需要一个良好的平衡。但是，随着5纳米芯片和3纳米芯片的推行，这种平衡变得更难实现。