دور SOI في أنظمة السيارات

مقدمة

في السنوات الأخيرة، تطورت تكنولوجيا السيارات بشكل كبير، لا سيما مع ظهور السيارات الكهربائية (EVs)، والقيادة الذاتية، وأنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS). ومع ازدياد تطور السيارات، يتزايد الطلب على حلول أشباه الموصلات التي يمكنها التعامل مع مهام الحوسبة المعقدة وعالية الأداء مع الحفاظ على كفاءة الطاقة والموثوقية.

ومن أهم الابتكارات التي تلبي هذه الحاجة هي تقنية السيليكون على العازل (SOI). لقد أثبتت تقنية SOI أنها عامل تمكين حاسم في تطوير أداء وموثوقية أجهزة أشباه الموصلات، خاصةً في تطبيقات السيارات حيث تكون السلامة والكفاءة والمتانة من أهم العوامل التي تساعد على تحسين الأداء والموثوقية.

ما هي تقنية SOI

تقنية SOI هي تقنية تصنيع أشباه الموصلات التي تضع طبقة رقيقة من السيليكون على ركيزة عازلة، عادةً ما تكون ثاني أكسيد السيليكون (SiO2). تعمل هذه البنية على تحسين الأداء الكهربائي للترانزستورات عن طريق تقليل السعة الطفيلية، مما يؤدي بدوره إلى تحسين السرعة وتقليل استهلاك الطاقة وتحسين الكفاءة الحرارية. تُستخدم الأجهزة القائمة على SOI بشكل شائع في مختلف المجالات، بما في ذلك الإلكترونيات الاستهلاكية والاتصالات السلكية واللاسلكية، والآن بشكل متزايد في أنظمة السيارات.

قراءة ذات صلة: مقارنة رقائق SOI مقابل رقائق السيليكون: ما الأفضل لمشروع أشباه الموصلات الخاص بك؟

لماذا تعتبر SOI مهمة لأنظمة السيارات

السيارات الحديثة مليئة بأجهزة الاستشعار، وأجهزة التحكم، وأنظمة الاتصالات التي تتطلب طاقة حاسوبية عالية. يجب أن تعمل هذه الأنظمة بموثوقية في ظروف قاسية، وتتحمل درجات الحرارة القصوى والاهتزازات والتداخل الكهرومغناطيسي. توفر تقنية SOI العديد من المزايا الرئيسية التي تجعلها مثالية لتطبيقات السيارات:

1. استهلاك منخفض للطاقة

تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لتقنية SOI في قدرتها على العمل بمستويات طاقة منخفضة. تُعد كفاءة الطاقة أمرًا بالغ الأهمية في أنظمة السيارات، خاصةً في السيارات الكهربائية (EVs) والسيارات الكهربائية الهجينة (HEVs)، حيث يُعد الحفاظ على عمر البطارية أولوية. وتقلل أجهزة SOI من تيار التسرب، مما يساعد على تقليل فقدان الطاقة ويعزز الكفاءة الكلية. ووفقًا لدراسة أجرتها GlobalFoundries، تستهلك الرقائق القائمة على SOI طاقة أقل بنسبة تصل إلى 30% من رقائق السيليكون السائبة التقليدية، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الحساسة للطاقة مثل أنظمة مساعدة السائقين المتطورة وأنظمة المعلومات والترفيه.

2. تحسين الأداء الحراري

يمكن أن تكون بيئات السيارات شديدة القسوة، حيث غالباً ما تتعرض المكونات لدرجات حرارة عالية. تقلل الطبقة العازلة في هياكل SOI من انتقال الحرارة بين ركيزة السيليكون والمكونات الأخرى، مما يؤدي إلى إدارة حرارية أفضل.

وقد أثبتت شركة STMicroelectronics أن أجهزة SOI يمكن أن تعمل في درجات حرارة عالية تصل إلى 200 درجة مئوية، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لوحدات التحكم في مجموعة نقل الحركة وأنظمة إدارة المحرك في السيارات. يزيد هذا الأداء الحراري المحسّن من عمر وموثوقية الرقائق القائمة على SOI، مما يضمن أداءً ثابتًا مع مرور الوقت.

3. أداء محسّن لأنظمة مساعدة السائق المتطورة والقيادة الذاتية

تعتمد أنظمة ADAS وأنظمة القيادة الذاتية على المعالجة السريعة لكميات كبيرة من البيانات من مختلف أجهزة الاستشعار والكاميرات ووحدات الرادار. وتتطلب هذه الأنظمة معالجة عالية السرعة وتحليل البيانات في الوقت الفعلي لأداء مهام مثل المساعدة في الحفاظ على المسار، والكبح التلقائي في حالات الطوارئ، والتحكم التكيفي في ثبات السرعة.

وقد وجدت دراسة حديثة أجراها معهد الأبحاث الفرنسي "Leti" أن تقنية SOI توفر سرعات معالجة أسرع بنسبة 30% لأنظمة أنظمة مساعدة السائقين المتطورة مقارنة بأجهزة السيليكون التقليدية. كما أن الرقائق القائمة على SOI ليست أسرع فحسب، بل هي أيضاً أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، مما يجعلها مثالية للاندماج في وحدات أنظمة مساعدة السائقين المتطورة.

4. سلامة الإشارة الفائقة والمناعة ضد الضوضاء

غالبًا ما تكون بيئات السيارات صاخبة من حيث التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) بسبب الأنظمة الإلكترونية المختلفة التي تعمل في وقت واحد. وتوفر تقنية SOI بطبيعتها سلامة إشارة فائقة وتقلل من قابلية التأثر بالضوضاء. وتساعد الطبقة العازلة في ركائز SOI على حماية الترانزستورات من التداخل، مما يحسن من متانة الأنظمة الإلكترونية للسيارات.

SOI في تطبيقات السيارات الرئيسية

مع تبني قطاع السيارات لتقنيات الجيل التالي، تجد SOI تطبيقات في مختلف الأنظمة الرئيسية.

1. أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS)

تعتمد ميزات أنظمة مساعدة السائق المتطورة ، مثل نظام تثبيت السرعة التكيفي، والتحذير من مغادرة المسار، والكشف عن البقعة العمياء، والكبح التلقائي في حالات الطوارئ، على معالجة بيانات المستشعرات بسرعة عالية وطاقة منخفضة. تُستخدم تقنية SOI في المعالجات ووحدات التحكم التي تدعم وظائف نظام مساعدة السائق المتطور ADAS، مما يوفر الطاقة الحسابية اللازمة لتفسير مدخلات المستشعر في الوقت الحقيقي.

[1]

في عام 2020، طُرحت عائلة المتحكمات الدقيقة S32 لأنظمة مساعدة السائق المتطورة التي تستخدم تقنية SOI لتحقيق انخفاض بنسبة 50% في استهلاك الطاقة مع الحفاظ على قوة معالجة عالية. يتيح هذا الابتكار لشركات صناعة السيارات دمج المزيد من ميزات أنظمة مساعدة السائق المتطورة المتقدمة دون المساس بكفاءة الطاقة.

2. إدارة مجموعة نقل الحركة والبطارية

يتم استخدام تقنية SOI بشكل متزايد في وحدات التحكم في مجموعة نقل الحركة، وهي المسؤولة عن تحسين أداء المحرك وتقليل الانبعاثات وتحسين كفاءة استهلاك الوقود. في السيارات الكهربائية (EVs)، يمكن أيضًا العثور على الرقائق القائمة على SOI في أنظمة إدارة البطاريات (BMS)، والتي تراقب وتتحكم في شحن البطاريات وتفريغها.

على سبيل المثال، تبيّن أن أحد أفضل أنظمة إدارة البطاريات القائمة على SOI يحسّن عمر البطارية بنسبة 15% بسبب تشغيله الموفر للطاقة والتعامل الحراري الأفضل. يجب أن تعمل هذه الأنظمة بكفاءة لإطالة عمر البطارية وتحسين استخدام الطاقة، وهي مجالات تتألق فيها قدرات SOI منخفضة الطاقة.

3. أنظمة المعلومات والترفيه

توفر أنظمة المعلومات والترفيه الحديثة ميزات مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وتشغيل الوسائط المتعددة والاتصالات اللاسلكية، وكلها تتطلب طاقة معالجة عالية مع الحفاظ على كفاءة الطاقة. وتسمح تقنية SOI بتطوير معالجات يمكنها التعامل مع المهام المعقدة التي تتطلبها هذه الأنظمة دون توليد حرارة زائدة أو استهلاك مفرط للطاقة.

4. الاتصال من مركبة إلى كل شيء (V2X)

يسمح اتصال V2X للمركبات بتبادل المعلومات مع المركبات الأخرى والبنية التحتية والمشاة. ويُعدّ هذا الاتصال أمراً بالغ الأهمية لمستقبل المركبات المتصلة وذاتية القيادة، حيث يساعد على منع الحوادث ويضمن انسيابية حركة المرور. وتوفر تقنية SOI الأداء والموثوقية اللازمين للمعالجات التي تدير اتصالات V2X، مما يوفر زمن استجابة منخفض وإنتاجية عالية للبيانات.

تأثير SOI على سلامة السيارات وموثوقيتها

تُعد السلامة والموثوقية من الشواغل المهمة في صناعة السيارات، وتلعب تقنية SOI دوراً محورياً في مواجهة هذه التحديات. يقلل الأداء الحراري المحسّن واستهلاك الطاقة المنخفض لأجهزة SOI من مخاطر الفشل بسبب ارتفاع درجة الحرارة أو السحب المفرط للطاقة. بالإضافة إلى ذلك، تضمن المناعة المحسّنة ضد الضوضاء وسلامة الإشارات للرقائق القائمة على SOI إمكانية تشغيل أنظمة السيارات بشكل موثوق حتى في وجود تداخل كهرومغناطيسي قوي.

في التطبيقات ذات الأهمية الحرجة للسلامة مثل أنظمة مساعدة السائقين المتطورة (ADAS)، تعتبر الموثوقية أمراً بالغ الأهمية. وقد وجدت دراسة أن المستشعرات القائمة على SOI في أنظمة ADAS تقلل من أعطال النظام بنسبة 25%، مما يجعلها الخيار المفضل لشركات صناعة السيارات التي تركز على السلامة. يمكن أن تؤدي الأعطال أو الأعطال في هذه الأنظمة إلى وقوع حوادث، لذا فإن استخدام تقنيات أشباه الموصلات التي توفر أداءً فائقاً وثباتاً فائقاً، مثل SOI، أمر ضروري.

مستقبل SOI في أنظمة السيارات

مع استمرار صناعة السيارات في التطور نحو السيارات ذاتية القيادة بالكامل والمركبات الكهربائية الأكثر تقدماً، سيزداد الطلب على حلول أشباه الموصلات عالية الأداء والموفرة للطاقة. وتتمتع تقنية SOI، بمزاياها الفريدة في كفاءة الطاقة والإدارة الحرارية وسلامة الإشارات، بمكانة جيدة لتلبية هذه الاحتياجات. ومن المرجح أن تتوسع تطبيقاتها بشكل أكبر، ليس فقط لدعم أنظمة مساعدة السائقين المتطورة بل أيضاً المعلومات والترفيه المتقدمة، واتصالات V2X، وغيرها من تقنيات السيارات الناشئة.

الخاتمة

باختصار، أثبتت تقنية السيليكون على العازل (SOI) أنها ستغير قواعد اللعبة في قطاع السيارات، لا سيما في الأنظمة التي تتطلب أداءً عاليًا واستهلاكًا منخفضًا للطاقة وموثوقية في ظل الظروف القاسية. ومع ازدياد ذكاء السيارات وأتمتتها، ستواصل تقنية SOI لعب دور رئيسي في دفع عجلة الابتكار وضمان سلامة وكفاءة أنظمة السيارات الحديثة. لمزيد من المعلومات حول SOI، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

مرجع:

[1] تشيبينغو، أوشمادزورو. (2018). دراسة فيزيائية كاملة لمحاكاة فيزيائية كاملة لعائدات رادار الدرابزين لأنظمة رادار السيارات بتردد 77 جيجاهرتز. IEEE Access. PP. 1-1. 10.1109/ACCESS.2018.2881101.