Il ruolo di SOI nei sistemi automobilistici

Introduzione

Negli ultimi anni la tecnologia automobilistica si è evoluta notevolmente, in particolare con l'avvento dei veicoli elettrici (EV), della guida autonoma e dei sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS). Man mano che i veicoli diventano sempre più sofisticati, cresce la domanda di soluzioni a semiconduttore in grado di gestire attività di calcolo complesse e ad alte prestazioni, mantenendo al contempo efficienza energetica e affidabilità.

Una delle innovazioni più importanti per rispondere a questa esigenza è la tecnologia Silicon on Insulator (SOI). La tecnologia SOI ha dimostrato di essere un fattore critico per il miglioramento delle prestazioni e dell'affidabilità dei dispositivi a semiconduttore, in particolare nelle applicazioni automobilistiche, dove sicurezza, efficienza e durata sono fondamentali.

Cos'è la tecnologia SOI

La tecnologiaSOI è una tecnica di produzione dei semiconduttori che prevede l'applicazione di un sottile strato di silicio su un substrato isolante, in genere il biossido di silicio (SiO2). Questa struttura migliora le prestazioni elettriche dei transistor riducendo la capacità parassita, che a sua volta aumenta la velocità, riduce il consumo di energia e migliora l'efficienza termica. I dispositivi basati su SOI sono comunemente utilizzati in vari campi, tra cui l'elettronica di consumo, le telecomunicazioni e ora, sempre più spesso, nei sistemi automobilistici.

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Perché il SOI è importante per i sistemi automobilistici

I veicoli moderni sono dotati di sensori, controllori e sistemi di comunicazione che richiedono un'elevata potenza di calcolo. Questi sistemi devono funzionare in modo affidabile in condizioni difficili, resistendo a temperature estreme, vibrazioni e interferenze elettromagnetiche. La tecnologia SOI offre diversi vantaggi chiave che la rendono ideale per le applicazioni automobilistiche:

1. Basso consumo di energia

Uno dei vantaggi principali della tecnologia SOI è la sua capacità di funzionare a livelli di potenza ridotti. L'efficienza energetica è fondamentale nei sistemi automobilistici, soprattutto per i veicoli elettrici (EV) e ibridi (HEV), dove la conservazione della durata della batteria è una priorità. I dispositivi SOI riducono la corrente di dispersione, contribuendo a minimizzare la perdita di energia e a migliorare l'efficienza complessiva. Secondo uno studio di GlobalFoundries, i chip basati su SOI consumano fino al 30% in meno di energia rispetto ai chip convenzionali in silicio, rendendoli ideali per applicazioni sensibili all'energia come i sistemi ADAS e di infotainment.

2. Migliori prestazioni termiche

Gli ambienti automobilistici possono essere estremi, con componenti spesso esposti a temperature elevate. Lo strato isolante delle strutture SOI riduce il trasferimento di calore tra il substrato di silicio e gli altri componenti, migliorando la gestione termica.

La STMicroelectronics ha dimostrato che i dispositivi SOI possono funzionare a temperature fino a 200°C, il che li rende particolarmente adatti alle unità di controllo dei motopropulsori automobilistici e ai sistemi di gestione dei motori. Queste migliori prestazioni termiche aumentano la durata e l'affidabilità dei chip basati su SOI, garantendo prestazioni costanti nel tempo.

3. Prestazioni migliorate per ADAS e guida autonoma

I sistemi ADAS e di guida autonoma si basano sulla rapida elaborazione di grandi quantità di dati provenienti da vari sensori, telecamere e unità radar. Questi sistemi richiedono un'elaborazione ad alta velocità e un'analisi dei dati in tempo reale per eseguire operazioni come l'assistenza al mantenimento della corsia, la frenata automatica di emergenza e il cruise control adattivo.

Un recente studio del Leti, un istituto di ricerca francese, ha rilevato che la tecnologia SOI offre una velocità di elaborazione del 30% superiore per i sistemi ADAS rispetto ai tradizionali dispositivi in silicio. I chip basati su SOI non sono solo più veloci ma anche più efficienti dal punto di vista energetico, il che li rende ideali per l'integrazione nei moduli ADAS.

4. Integrità del segnale e immunità al rumore superiori

Gli ambienti automobilistici sono spesso rumorosi in termini di interferenze elettromagnetiche (EMI) a causa di vari sistemi elettronici che operano contemporaneamente. La tecnologia SOI offre intrinsecamente un'integrità del segnale superiore e riduce la suscettibilità al rumore. Lo strato isolante dei substrati SOI aiuta a schermare i transistor dalle interferenze, migliorando la robustezza dei sistemi elettronici automobilistici.

SOI nelle principali applicazioni automobilistiche

Mentre il settore automobilistico abbraccia le tecnologie di nuova generazione, il SOI trova applicazione in diversi sistemi chiave.

1. ADAS (Sistemi avanzati di assistenza alla guida)

Le funzioni ADAS, come il cruise control adattivo, l'avviso di superamento della corsia, il rilevamento degli angoli ciechi e la frenata automatica di emergenza, si basano sull'elaborazione ad alta velocità e a basso consumo dei dati dei sensori. La tecnologia SOI viene utilizzata nei processori e nelle unità di controllo che supportano le funzioni ADAS, fornendo la potenza di calcolo necessaria per interpretare gli input dei sensori in tempo reale.

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Nel 2020 è stata introdotta la famiglia di microcontrollori S32 per ADAS, che utilizza la tecnologia SOI per ottenere una riduzione del 50% del consumo energetico, pur mantenendo un'elevata potenza di elaborazione. Questa innovazione consente alle case automobilistiche di integrare funzioni ADAS più avanzate senza compromettere l'efficienza energetica.

2. Gestione del gruppo propulsore e della batteria

La tecnologia SOI è sempre più utilizzata nelle unità di controllo della catena cinematica, responsabili dell'ottimizzazione delle prestazioni del motore, della riduzione delle emissioni e del miglioramento dell'efficienza dei consumi. Nei veicoli elettrici (EV), i chip basati su SOI si trovano anche nei sistemi di gestione delle batterie (BMS), che monitorano e controllano la carica e la scarica delle batterie.

Ad esempio, uno dei migliori sistemi di gestione della batteria basati su SOI ha dimostrato di migliorare la durata della batteria del 15% grazie al suo funzionamento efficiente dal punto di vista energetico e alla migliore gestione termica. Questi sistemi devono funzionare in modo efficiente per prolungare la durata delle batterie e ottimizzare l'uso dell'energia, aree in cui le capacità a basso consumo del SOI brillano.

3. Sistemi di infotainment

I moderni sistemi di infotainment offrono funzionalità come la navigazione GPS, la riproduzione multimediale e la comunicazione wireless, che richiedono un'elevata potenza di elaborazione pur mantenendo l'efficienza energetica. La tecnologia SOI consente di sviluppare processori in grado di gestire le complesse attività richieste da questi sistemi senza generare eccessivo calore o consumo energetico.

4. Comunicazione da veicolo a tutto (V2X)

La comunicazione V2X consente ai veicoli di scambiare informazioni con altri veicoli, infrastrutture e pedoni. Questa comunicazione è fondamentale per il futuro dei veicoli connessi e autonomi, in quanto aiuta a prevenire gli incidenti e garantisce un flusso di traffico più fluido. La tecnologia SOI fornisce le prestazioni e l'affidabilità necessarie per i processori che gestiscono la comunicazione V2X, offrendo una bassa latenza e un elevato throughput dei dati.

L'impatto di SOI sulla sicurezza e l'affidabilità del settore automobilistico

La sicurezza e l'affidabilità sono aspetti cruciali per l'industria automobilistica e la tecnologia SOI svolge un ruolo fondamentale nell'affrontare queste sfide. Le migliori prestazioni termiche e il basso consumo energetico dei dispositivi SOI riducono il rischio di guasti dovuti al surriscaldamento o all'eccessivo consumo di energia. Inoltre, la maggiore immunità al rumore e l'integrità del segnale dei chip basati su SOI garantiscono il funzionamento affidabile dei sistemi automobilistici anche in presenza di forti interferenze elettromagnetiche.

Nelle applicazioni critiche per la sicurezza come gli ADAS, l'affidabilità è fondamentale. Uno studio ha rilevato che i sensori basati su SOI nei sistemi ADAS riducono i guasti del sistema del 25%, rendendoli una scelta preferenziale per le case automobilistiche che puntano sulla sicurezza. Malfunzionamenti o guasti in questi sistemi possono causare incidenti, quindi l'utilizzo di tecnologie a semiconduttore che offrono prestazioni e stabilità superiori, come il SOI, è essenziale.

Il futuro del SOI nei sistemi automobilistici

Con la continua evoluzione dell'industria automobilistica verso veicoli completamente autonomi e veicoli elettrici più avanzati, la richiesta di soluzioni a semiconduttore ad alte prestazioni ed efficienza energetica non potrà che crescere. La tecnologia SOI, con i suoi vantaggi unici in termini di efficienza energetica, gestione termica e integrità del segnale, è ben posizionata per soddisfare queste esigenze. Le sue applicazioni probabilmente si espanderanno ulteriormente, supportando non solo gli ADAS ma anche l'infotainment avanzato, la comunicazione V2X e altre tecnologie automobilistiche emergenti.

Conclusione

In una parola, la tecnologia Silicon on Insulator (SOI) sta dimostrando di essere una svolta nel settore automobilistico, in particolare nei sistemi che richiedono prestazioni elevate, basso consumo energetico e affidabilità in condizioni difficili. Man mano che i veicoli diventano più intelligenti e automatizzati, la tecnologia SOI continuerà a svolgere un ruolo chiave nel promuovere l'innovazione e garantire la sicurezza e l'efficienza dei moderni sistemi automobilistici. Per ulteriori informazioni su SOI, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Riferimenti:

[1] Chipengo, Ushemadzoro. (2018). Studio di simulazione fisica completa dei ritorni radar dei guardrail per i sistemi radar automobilistici a 77 GHz. IEEE Access. PP. 1-1. 10.1109/ACCESS.2018.2881101.