Инвертор Tesla Model 3, содержащий чипы из карбида кремния.
Изобилие легко обрабатываемого кремния десятилетиями было основным материалом в полупроводниковой промышленности, но электромобили помогают сократить его роль в стремлении к энергоэффективности.
Компания Tesla стала катализатором этих перемен. Американский автопроизводитель стал первым среди своих конкурентов, кто использовал чипы карбида кремния в серийных автомобилях, внедрив их в некоторые модели Model 3. Этот шаг придал энергосберегающему материалу импульс в цепи поставок электромобилей, что повлекло за собой развитие индустрии чипов.
«До сих пор чипмейкеры работали вместе, чтобы создать рынок карбида кремния, но мы достигли стадии конкуренции друг с другом», — сказал Казухиде Ино, главный стратег японского чипмейкера Rohm.
Карбид кремния, сокращенно SiC, содержит кремний и углерод. Благодаря химическим связям, более прочным, чем в кремнии, он является третьим по твердости веществом в мире. Его обработка требует передовых технологий, но надежность и другие свойства материала позволяют производителям микросхем сократить потери энергии более чем наполовину по сравнению со стандартными кремниевыми пластинами.
Чипы SiC также хорошо рассеивают тепло, что позволяет использовать более компактные инверторы — важнейший компонент EV, регулирующий подачу энергии на двигатель.
«У Model 3 коэффициент сопротивления воздуха такой же низкий, как у спортивного автомобиля», — говорит Масайоши Ямамото, профессор Университета Нагоя в Японии. «Уменьшение размеров инверторов позволило создать обтекаемую конструкцию».
Действия Tesla всколыхнули индустрию чипов. В июне немецкий чипмейкер Infineon Technologies представил SiC-модуль для инверторов электромобилей.
«Сроки появления SiC явно оказались ближе, чем мы ожидали», — сказал Такеми Коузу, менеджер японского подразделения Infineon.
Hyundai Motor будет использовать SiC-чипы производства Infineon в своих EV следующего поколения. Считается, что эти чипы позволяют увеличить запас хода автомобиля более чем на 5% по сравнению с кремниевыми.
Французский автопроизводитель Renault в июне подписал соглашение со швейцарской компанией STMicroelectronics о поставках SiC-чипов с 2026 года. Соглашение также распространяется на чипы, изготовленные из нитрида галлия, другого альтернативного материала для полупроводниковых пластин.
По прогнозам французской компании Yole Developpement, занимающейся исследованиями рынка, рынок полупроводниковых микросхем SiC вырастет в шесть раз к 2026 году по сравнению с 2020 годом и достигнет 4,48 миллиарда долларов.
Разрыв в цене между кремнием и более дорогостоящим SiC сокращается. Массовое производство и другие факторы сократили разницу в стоимости примерно вдвое, тогда как еще пять лет назад она была примерно десятикратной, сказал Ямамото. Поскольку некоторые поставщики микросхем начинают производить более крупные микросхемы SiC, этот разрыв может сократиться еще больше.
Компания Rohm является лидером в этой области, выпустив первый в мире SiC-транзистор в 2010 году. Немецкое подразделение SiCrystal, приобретенное в 2009 году, производит кремниевые микросхемы, что дает компании Rohm возможность начать и закончить производство. Японская компания стремится достичь 30% доли мирового рынка SiC-чипов к 2025 финансовому году. Недавно она открыла дополнительное производство на заводе в японской префектуре Фукуока, что является частью планов по увеличению мощностей более чем в пять раз.
Компания Rohm заявила, что в ряде предстоящих моделей электромобилей будут использоваться ее SiC-чипы. Компания также заключила соглашение с китайским производителем электромобилей Geely о технологии для чипов следующего поколения.
Кремний не был первым материалом для микросхем. После революционного изобретения транзистора в Лабораториях Белла в США в 1947 году использовались кристаллы германия. Кремний заменил этот элемент в 1960-х годах по мере развития полупроводниковой промышленности. Два крупнейших в мире поставщика кремниевых пластин — Shin-Etsu Chemical и Sumco — базируются в Японии.
У SiC также есть конкуренты в качестве альтернативы кремнию. Нитрид галлия (GaN) способен сократить потери энергии примерно на одну десятую по сравнению с кремниевыми чипами. Использование этого материала в полупроводниках было разработано в Японии для создания синих светоизлучающих диодов. Хотя GaN-чипы используются в некоторых областях, например, в зарядных устройствах, этот материал еще не полностью раскрыл свой потенциал, поскольку в основном он используется в сочетании с другими материалами, в том числе с кремнием.
Поиск альтернатив кремнию является результатом все более очевидных пределов повышения производительности микросхем. Разработка более компактной и мощной электроники требует создания все более мелких схем. Поскольку этот масштаб сейчас составляет 5 нанометров, прогноз, согласно которому плотность транзисторов будет удваиваться примерно каждые два года — известный как закон Мура — проверяется как никогда ранее.
Энергосбережение также стимулирует инновации в материалах для чипов. Рост числа электромобилей, центров обработки данных и других элементов цифровой экономики создаст огромный неудовлетворенный спрос на электроэнергию без мер по повышению энергоэффективности.
Американская компания Lab 91, являющаяся подразделением Техасского университета в Остине, разрабатывает технологию наложения графена — листов углерода толщиной в один атом — на пластины микросхем. Первые испытания прошли успешно, и компания ведет переговоры с производителями микросхем об оценке технологии для массового производства. Графен обладает потенциалом для улучшения производительности чипов в широком спектре приложений, от электромобилей до светодиодов и датчиков изображения, используемых в камерах смартфонов.
Алмаз, который некоторые называют идеальным полупроводником, является поистине революционной, но дорогостоящей альтернативой кремнию. Токийский производитель Adamant Namiki Precision Jewel разработал технологию производства энергетических чипов с использованием алмаза. Самое твердое в мире вещество теоретически способно сократить потери энергии до 1/50000 по сравнению с кремнием. Но сделать такие чипы экономически эффективными будет очень важно. Алмазные основания печатных плат сегодня стоят в тысячи раз дороже кремниевых пластин.
Поскольку полупроводники жизненно важны для национальной безопасности и экономической конкурентоспособности, правительства Китая, США и Европы стремятся поддержать исследования и разработки новых материалов для микросхем. Поддержка НИОКР и инвестиций в этой области была частью стратегии развития полупроводников, опубликованной Министерством экономики, торговли и промышленности Японии в июне. Так же как кремний стоял в одном ряду со сталью в качестве одного из материалов, создавших 20 век, следующий великий полупроводниковый материал, похоже, станет стимулом для международной конкуренции в ближайшие десятилетия.
- Первая в России серийная система управления двухтопливным двигателем с функциональным разделением контроллеров
- В современном автомобиле строк кода больше чем…
- Бесплатные онлайн-курсы по Automotive, Aerospace, робототехнике и инженерии (50+)
- McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive
У вас будет возможность разрабатывать софт разного уровня, тестировать, запускать в производство и видеть в действии готовые автомобильные изделия, к созданию которых вы приложили руку.
В компании организован специальный испытательный центр, дающий возможность проводить исследования в области управления ДВС, в том числе и в составе автомобиля. Испытательная лаборатория включает моторные боксы, барабанные стенды, температурную и климатическую установки, вибрационный стенд, камеру соляного тумана, рентгеновскую установку и другое специализированное оборудование.
Если вам интересно попробовать свои силы в решении тех задач, которые у нас есть, пишите в личку.
- Старший инженер программист
- Системный аналитик
- Руководитель группы калибровки
- Ведущий инженер-испытатель
- Инженер по требованиям
- Инженер по электромагнитной совместимости
- Системный аналитик
- Старший инженер-программист ДВС
Мы, пожалуй, самый сильный в России центр компетенций по разработке автомобильной электроники. Сейчас активно растем и открыли много вакансий (порядка 30, в том числе в регионах), таких как инженер-программист, инженер-конструктор, ведущий инженер-разработчик (DSP-программист) и др.
У нас много интересных задач от автопроизводителей и концернов, двигающих индустрию. Если хотите расти, как специалист, и учиться у лучших, будем рады видеть вас в нашей команде. Также мы готовы делиться экспертизой, самым важным что происходит в automotive. Задавайте нам любые вопросы, ответим, пообсуждаем.
- Бесплатные онлайн-курсы по Automotive, Aerospace, робототехнике и инженерии (50+)
- [Прогноз] Транспорт будущего (краткосрочный, среднесрочный, долгосрочный горизонты)
- Лучшие материалы по взлому автомобилей с DEF CON 2018-2019 года
- [Прогноз] Motornet — сеть обмена данными для роботизированного транспорта
- Компании потратили 16 миллиардов долларов на беспилотные автомобили, чтобы захватить рынок в 8 триллионов
- Камеры или лазеры
- Автономные автомобили на open source
- McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive
- Очередная война операционок уже идет под капотом автомобилей
- Программный код в автомобиле
- В современном автомобиле строк кода больше чем…
Комментарии (35)
fougasse
09.09.2021 14:50Кремний же остался, почему в заголовке «без кремния».
Я уж было подумал, что GaAs в Тесле нашли как заменить кремниевые.
amartology
09.09.2021 14:56+2Вообще в тексте есть упоминание, что Renault хочет делать сходные вещи на GaN)
Хотя там тоже на самом деле не без кремния, потому что там гетероэпитаксия слоя GaN поверх пластины Si или SiC.
vgrinin
09.09.2021 14:56+16Кондовый дословный перевод какой-то англоязычной статьи без малейших попыток русифицировать текст. "Энергосбережение также стимулирует инновации в материалах для чипов" - есть люди, который так говорят на русском языке?
LennyB
09.09.2021 16:51+1Видимо, это те же люди, которые говорят: "Изобилие <...> было основным материалом".
Bronx
11.09.2021 06:02+1"коэффициент сопротивления воздуха", my ass...
В общем-то и статья — стандартная волосня из надёрганых отовсюду микрофактов, кое-как слепленных в текст без малейшей попытки построить сквозное повествование. Поэтому что хороший перевод, что этот — всё одно.
Polarisru
09.09.2021 15:11+1Чипы на базе SiC существуют уже гораздо дольше присутствия на рынке Теслы, я, конечно, не могу уверенно говорить, но почему-то кажется, что вряд ли Тесла стала прямо-таки пионером в этой области.
Bedal
09.09.2021 15:49+2Тем не менее, упоминание теслы вполне уместно, потому что она создала рынок, массовый запрос на компактные, мощные и экономичные инверторы. Причём на сотни тысяч штук. В этих условиях появляется смысл дорабатывать технологии от лабораторного до эксплуатационного состояния. Так что явно дала толчок.
rusec
09.09.2021 20:02+1А миллионы китайских электромобилей и несчитанные полчища электоромопедов и прочих мотоколёс спрос на инверторы не создают? На их фоне Тесла незаметна.
Bedal
09.09.2021 20:10Про них маловато известно, потому и не приводят в пример. Кроме того — нет, не создают. Потому что эти миллионы сделаны по принципу «подешевле» и более дорогая, хотя и более качественная силовая электроника этому миллиону не нужна. Каким-то нужна, но тех далеко не миллион.
По крайней мере, у меня такое мнение.
Кстати, про миллион: на первом месте как раз с миллионом, всё же тесла. На втором BYD с 800к, но в это число они включают все PHEV и клопов с пробегом в сотню км, а то и меньше.
huhen
09.09.2021 15:17+8Пока SiC и GaN это всё-таки удел высоковольтных силовых ключей на частотах выше 100кГц, там, где у «классических» Si(MOSFETов) динамические потери(на переключение) становятся огромными. Для напряжений <=12в MOSFETы пока существенно энергоэффективнее, и до процессоров по данным технологиям еще далеко.
clawham
09.09.2021 15:31+2Так и что вас смущает? у плейда 800 вольт напряжение батареи, 60 000 оборотов в минуту на моторе и при этом надо выдерживать синусоидальность тока в обмотках - для таких частот синуса нужны мегагерцные модуляторы ШИМа а потому вполне оправдано использование SiC и GaAs GaN силовых ключей. понятное дело что управляющая электроника процессоры и прочее - полюбому останутся на кремнии. кстати в самих GaN транзисторах обязательно есть полевик т.к. в нормальном состоянии Галлиевый полупроводник - проводит ток и замкнет батарею. Его выигрыш только на скоростных переключениях под нагрузкой с высокими напряжениями.
amartology
09.09.2021 15:44+4кстати в самих GaN транзисторах обязательно есть полевик т.к. в нормальном состоянии Галлиевый полупроводник — проводит ток и замкнет батарею.
Это не так, нормально закрытые нитридгаллиевые транзисторы уже несколько лет как обильно представлены на рынке.
huhen
09.09.2021 15:45+6Смущает использование широкой фразы «чип», что может вызвать неправильное понимание у читателя. Производители продолжают это называть транзистором, ну либо модулем(если это сразу сборка).
aamonster
09.09.2021 17:41+2Если я правильно помню, типичный мощный современный MOSFET/IGBT по сути своей тоже является чипом, а не одиночным транзистором.
Razoomnick
09.09.2021 17:59+1А точно будет 60000 rpm?
Поискал в Гугле, нашел упоминание 18000, 20000 как максимальных оборотов в минуту, и 6150 как оборотов в минуту, на которых достигается максимальная мощность, но это не конкретно plaid.
Спрашиваю потому что 60000 rpm - это очень много, это 1000 оборотов в секунду. По грубым прикидкам в уме при такой скорости вращения большого мотора напряжения в материале выше предела текучести стали. Конечно, есть и другие материалы, но все же непонятно, ради чего нужно преодолевать столько сложностей.
rroyter
09.09.2021 18:24+2У плада (да, именно так читается) напряжение 450В и максимальные обороты 20000, а не 60000. Да и то, пока ограничили до 16000.
amartology
09.09.2021 15:45+3до процессоров по данным технологиям еще далеко.
А процессоры — единственное мерило? Рынок процессоров уже который год падает, а рынок высоковольтных силовых ключей уже который год растет)huhen
09.09.2021 15:54Это пример массового чипа, где много транзисторов переключаются на большой частоте.
И имеется в виду не только центральные процессоры ПК.amartology
09.09.2021 16:11+3Я все еще не понимаю. Технологически высоковольтные силовые транзисторы сложнее большинства КМОП-микросхем. Начинка внутри у них довольно сложная и она становится сложнее и сложнее. Рынок у них большой и растущий. И в этом рынке чистый кремний стремительно теряет позиции в пользу более продвинутых технологий.
В чем ваше недовольство-то?huhen
09.09.2021 16:24+1Да никакого недовольства нету. Было желание прояснить что у данных технологий есть своя ниша и ожидать полной замены обычному кремнию не стоит.
ssergs
09.09.2021 16:43>>Hyundai Motor будет использовать SiC-чипы производства Infineon в своих EV следующего поколения. Считается, что эти чипы позволяют увеличить запас хода автомобиля более чем на 5% по сравнению с кремниевыми.
Т.е. существующие чипы настолько много жрут эликтричество?
Anastasia_K
09.09.2021 16:52+5а ещё существующие чипы не помещаются в корпус авто, и создают сопротивление набегающему потоку:
«У Model 3 коэффициент сопротивления воздуха такой же низкий, как у спортивного автомобиля», — говорит Масайоши Ямамото, профессор Университета Нагоя в Японии. «Уменьшение размеров инверторов позволило создать обтекаемую конструкцию».
kryvichh
09.09.2021 17:01+4Не знаю как в Тесла, а в моноколёсах Мосфеты реально греются и являются одним из узлов отказа. Неплохо было бы их заменить/усовершенствовать на новой материальной базе.
Anastasia_K
09.09.2021 17:19+1Вопросов к технологии нет, менять надо и транзисторы на карбиде кремния хороши. А перевод просто безобразный
IMnEpaTOP
09.09.2021 18:42+1Сопротивление создают радиаторы, которые рассеивают тепло, которое необходимо отводить. Если у силовых компонент выше КПД - значит нужно рассеивать меньше тепла, значит нужна меньшая площадь радиатора, значит меньше воздуха мы отбираем от набегающего потока и лучше обтекаемость авто.
sim2q
09.09.2021 16:54скорее - более эффективно управляют
ssergs
09.09.2021 17:10архитектура - ок, но это никак не касается технологии производства чипа. Создать чип одной архитектуры можно +/- на любом камне
amartology
09.09.2021 19:10+3Т.е. существующие чипы настолько много жрут эликтричество?
Транзисторы из новых материалов позволяют поднять КПД преобразователей напряжения на несколько процентов, имеют меньше объем и меньше вес. Причем все это происходит именно за счет свойств новых материалов (а именно из-за большей ширины запрещенной зоны)
Spiritschaser
14.09.2021 02:30ГОСПОДИ. За что эта статья?
Силовые SiC транзисторы тупо не греются на высокой частоте по сравнению с кремниевыми (т.е. греются, но драматически мало - у них КПД выше на упомянутые 5% - ~98% КПД по сравнению с ~93% КПД это офигеть как "холодно"). Какая нахрен обтекаемость???
И разрабатываются они уже лет 40, и используются в силовых преобразователях тока лет 15...
paratrooper5730
Заголовок сбивает с толку. Чипы из карбида кремния это не чипы без кремния. Без кремния - это германиевые например
Sagachka
Арсенид галлия тоже не забываем :)
courser
И селеновые столбы ))