O papel da SOI nos sistemas automotivos

Introdução

Nos últimos anos, a tecnologia automotiva evoluiu muito, principalmente com o surgimento dos veículos elétricos (EVs), da direção autônoma e dos sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS). À medida que os veículos se tornam cada vez mais sofisticados, há uma demanda crescente por soluções de semicondutores que possam lidar com tarefas de computação complexas e de alto desempenho, mantendo a eficiência energética e a confiabilidade.

Uma das inovações mais importantes para atender a essa necessidade é a tecnologia SOI (Silicon on Insulator). A SOI provou ser um facilitador essencial para o avanço do desempenho e da confiabilidade dos dispositivos semicondutores, especialmente em aplicações automotivas em que a segurança, a eficiência e a durabilidade são fundamentais.

O que é a tecnologia SOI?

SOI é uma técnica de fabricação de semicondutores que coloca uma fina camada de silício em um substrato isolante, geralmente dióxido de silício (SiO2). Essa estrutura melhora o desempenho elétrico dos transistores ao reduzir a capacitância parasita, o que, por sua vez, aumenta a velocidade, reduz o consumo de energia e melhora a eficiência térmica. Os dispositivos baseados em SOI são comumente usados em vários campos, incluindo eletrônicos de consumo, telecomunicações e, agora, cada vez mais em sistemas automotivos.

Leitura relacionada: Comparação entre SOI e wafers de silício: O que é melhor para seu projeto de semicondutores?

Por que a SOI é importante para os sistemas automotivos

Os veículos modernos são repletos de sensores, controladores e sistemas de comunicação que exigem alta potência computacional. Esses sistemas devem operar de forma confiável em condições adversas, resistindo a temperaturas extremas, vibrações e interferência eletromagnética. A tecnologia SOI oferece várias vantagens importantes que a tornam ideal para aplicações automotivas:

1. Baixo consumo de energia

Uma das principais vantagens da tecnologia SOI é sua capacidade de operar em níveis mais baixos de energia. A eficiência energética é crucial em sistemas automotivos, especialmente para veículos elétricos (EVs) e veículos elétricos híbridos (HEVs), em que a conservação da vida útil da bateria é uma prioridade. Os dispositivos SOI reduzem a corrente de fuga, o que ajuda a minimizar a perda de energia e aumenta a eficiência geral. De acordo com um estudo da GlobalFoundries, os chips baseados em SOI consomem até 30% menos energia do que os chips convencionais de silício em massa, o que os torna ideais para aplicações sensíveis à energia, como ADAS e sistemas de infoentretenimento.

2. Melhor desempenho térmico

Os ambientes automotivos podem ser extremos, com componentes frequentemente expostos a altas temperaturas. A camada isolante nas estruturas SOI reduz a transferência de calor entre o substrato de silício e outros componentes, resultando em um melhor gerenciamento térmico.

A STMicroelectronics demonstrou que os dispositivos SOI podem operar em temperaturas de até 200°C, o que os torna particularmente adequados para unidades de controle de trem de força automotivo e sistemas de gerenciamento de motor. Esse desempenho térmico aprimorado aumenta a vida útil e a confiabilidade dos chips baseados em SOI, garantindo um desempenho consistente ao longo do tempo.

3. Desempenho aprimorado para ADAS e direção autônoma

Os sistemas ADAS e de direção autônoma dependem do processamento rápido de grandes quantidades de dados de vários sensores, câmeras e unidades de radar. Esses sistemas exigem processamento de alta velocidade e análise de dados em tempo real para realizar tarefas como assistência à manutenção de faixa, frenagem automática de emergência e controle de cruzeiro adaptativo.

Um estudo recente do Leti, um instituto de pesquisa francês, descobriu que a tecnologia SOI proporciona velocidades de processamento 30% mais rápidas para os sistemas ADAS em comparação com os dispositivos de silício tradicionais. Os chips baseados em SOI não são apenas mais rápidos, mas também mais eficientes em termos de energia, o que os torna ideais para a integração em módulos ADAS.

4. Integridade de sinal e imunidade a ruídos superiores

Os ambientes automotivos costumam ser ruidosos em termos de interferência eletromagnética (EMI) devido à operação simultânea de vários sistemas eletrônicos. A tecnologia SOI fornece inerentemente uma integridade de sinal superior e reduz a suscetibilidade a ruídos. A camada isolante nos substratos SOI ajuda a proteger os transistores contra interferências, melhorando a robustez dos sistemas eletrônicos automotivos.

SOI nas principais aplicações automotivas

Como o setor automotivo adota tecnologias de última geração, a SOI está encontrando aplicações em vários sistemas importantes.

1. ADAS (Sistemas Avançados de Assistência ao Motorista)

Os recursos do ADAS, como controle de cruzeiro adaptativo, aviso de saída de pista, detecção de ponto cego e frenagem automática de emergência, dependem do processamento de alta velocidade e baixo consumo de energia dos dados do sensor. A tecnologia SOI é usada nos processadores e nas unidades de controle que dão suporte às funções ADAS, fornecendo a potência computacional necessária para interpretar a entrada do sensor em tempo real.

[1]

Em 2020, foi lançada a família de microcontroladores S32 para ADAS, que utiliza a tecnologia SOI para obter uma redução de 50% no consumo de energia e, ao mesmo tempo, manter a alta capacidade de processamento. Essa inovação permite que os fabricantes de automóveis integrem recursos ADAS mais avançados sem comprometer a eficiência energética.

2. Gerenciamento do trem de força e da bateria

A tecnologia SOI está sendo cada vez mais usada nas unidades de controle do trem de força, que são responsáveis por otimizar o desempenho do motor, reduzir as emissões e melhorar a eficiência do combustível. Nos veículos elétricos (EVs), os chips baseados em SOI também podem ser encontrados nos sistemas de gerenciamento de baterias (BMS), que monitoram e controlam a carga e a descarga das baterias.

Por exemplo, um dos melhores sistemas de gerenciamento de bateria com base em SOI demonstrou aumentar a vida útil da bateria em 15% devido à sua operação com eficiência energética e melhor manuseio térmico. Esses sistemas precisam operar com eficiência para prolongar a vida útil da bateria e otimizar o uso de energia, áreas em que os recursos de baixo consumo de energia da SOI se destacam.

3. Sistemas de entretenimento informativo

Os modernos sistemas de infoentretenimento oferecem recursos como navegação por GPS, reprodução de multimídia e comunicação sem fio, todos eles exigindo alta capacidade de processamento e, ao mesmo tempo, mantendo a eficiência energética. A tecnologia SOI permite o desenvolvimento de processadores que podem lidar com as tarefas complexas exigidas por esses sistemas sem geração excessiva de calor ou consumo de energia.

4. Comunicação de veículo para tudo (V2X)

A comunicação V2X permite que os veículos troquem informações com outros veículos, com a infraestrutura e com os pedestres. Essa comunicação é fundamental para o futuro dos veículos conectados e autônomos, pois ajuda a evitar acidentes e garante um fluxo de tráfego mais suave. A tecnologia SOI fornece o desempenho e a confiabilidade necessários para os processadores que gerenciam a comunicação V2X, oferecendo baixa latência e alta taxa de transferência de dados.

Impacto da SOI na segurança e confiabilidade automotivas

A segurança e a confiabilidade são preocupações essenciais no setor automotivo, e a tecnologia SOI desempenha um papel fundamental para enfrentar esses desafios. O desempenho térmico aprimorado e o baixo consumo de energia dos dispositivos SOI reduzem o risco de falha devido ao superaquecimento ou ao consumo excessivo de energia. Além disso, a maior imunidade a ruídos e a integridade do sinal dos chips baseados em SOI garantem que os sistemas automotivos possam operar de forma confiável, mesmo na presença de forte interferência eletromagnética.

Em aplicações críticas para a segurança, como o ADAS, a confiabilidade é fundamental. Um estudo constatou que os sensores baseados em SOI em sistemas ADAS reduzem as falhas do sistema em 25%, tornando-os a escolha preferida das montadoras que se concentram na segurança. O mau funcionamento ou as falhas nesses sistemas podem levar a acidentes, portanto, é essencial usar tecnologias de semicondutores que ofereçam desempenho e estabilidade superiores, como a SOI.

O futuro da SOI em sistemas automotivos

À medida que o setor automotivo continua a evoluir para veículos totalmente autônomos e veículos elétricos mais avançados, a demanda por soluções de semicondutores de alto desempenho e eficiência energética só aumentará. A tecnologia SOI, com suas vantagens exclusivas em termos de eficiência energética, gerenciamento térmico e integridade de sinal, está bem posicionada para atender a essas necessidades. Suas aplicações provavelmente se expandirão ainda mais, dando suporte não apenas ao ADAS, mas também ao infoentretenimento avançado, à comunicação V2X e a outras tecnologias automotivas emergentes.

Conclusão

Em resumo, a tecnologia Silicon on Insulator (SOI) está provando ser um divisor de águas no setor automotivo, especialmente em sistemas que exigem alto desempenho, baixo consumo de energia e confiabilidade em condições adversas. À medida que os veículos se tornam mais inteligentes e automatizados, a SOI continuará a desempenhar um papel fundamental para impulsionar a inovação e garantir a segurança e a eficiência dos sistemas automotivos modernos. Para obter mais informações sobre SOI, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).

Referências:

[1] Chipengo, Ushemadzoro. (2018). Estudo de simulação física completa de retornos de radar de guardrail para sistemas de radar automotivo de 77 GHz. Acesso IEEE. PP. 1-1. 10.1109/ACCESS.2018.2881101.