磁性、超導性共存的新材料開啟新的可能性

本文與 威力暘電子 合作，泛科學企劃執行。

想像一下，當你每天啟動汽車時，啟動的不再只是一台車，而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機，後果會有多嚴重？方向盤可能瞬間失靈，安全氣囊無法啟動，整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情，而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天，我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟，汽車的「大腦」—電子控制單元（ECU），是如何從單一功能，暴增至上百個獨立系統？而全球頂尖的工程師們，又為何正傾盡全力，試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化？

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代，當時的汽車工程師們面臨一項重要任務：如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力？「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現，關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間：火星塞的點火時機，也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內，這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一！引擎效率就能提升整整一成！這不僅意味著車子開起來更順暢，還能直接省下一成的油耗。那麼，要如何跨過這道門檻？答案就是：「電腦」的加入！

工程師們引入了「微控制器」（Microcontroller），你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法，在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內，精準計算出最佳的點火角度，並立刻執行。

從此，引擎的性能表現大躍進，油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元（ECU）的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」（Engine Control Unit）。

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功，在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像：「這 ECU 這麼好用，其他地方是不是也能用？」於是，ECU 的應用範圍不再僅限於點火，燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車，甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而，問題來了：這麼多「小電腦」，它們之間該如何有效溝通？

為了解決這個問題，1986 年，德國的博世（Bosch）公司推出了一項劃時代的發明：控制器區域網路（CAN Bus）。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上，就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是，CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如，煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息，絕對能搶先通過，避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題，但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線，並連接各種感測器和致動器。結果就是，一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里，總重量更高達 50 到 60 公斤，等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面，大量的 ECU 與錯綜複雜的線路，也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束，簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障，無疑讓人一個頭兩個大。

汽車電子革命：從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代，汽車電子架構迎來一場大改革，「分區架構（Zonal Architecture）」搭配「中央高效能運算（HPC）」逐漸成為主流。簡單來說，這就像在車內建立「地方政府＋中央政府」的管理系統。

可以想像，整輛車被劃分為幾個大型區域，像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙，就像數個「大都會」。每個區域控制單元（ZCU）就像「市政府」，負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合，並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理，就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台（HPC）擔任，統籌負責更複雜的運算任務，例如先進駕駛輔助系統（ADAS）所需的環境感知、物體辨識，或是車載娛樂系統、導航功能，甚至是未來自動駕駛的決策，通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中， 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子，便精準地切入了這個趨勢，致力於開發整合 ECU 與區域控制器（Domain Controller）功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢，威力暘提供的解決方案，就像是將好幾個「分區管理員」的職責，甚至一部分「超級大腦」的功能，都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力，可同時支援 ADAS 與車載娛樂，還能兼容多種通訊協定，大幅簡化車內網路架構。如此一來，車廠在追求輕量化和高效率的同時，也能顧及穩定性與安全性。

萬無一失的「汽車大腦」：威力暘的四大策略

然而，「做出來」與「做好」之間，還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯？具體來說，威力暘電子憑藉以下四大策略，築起其產品的可靠性與安全性：

1. AUTOSAR ： 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層（RTE）和基礎軟體層（BSW）。就像在玩「樂高積木」，ECU 開發者能靈活組合模組，專注在核心功能開發，從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
   
2. V-Model 開發流程：這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般，左側從上而下逐步執行，右側則由下而上層層檢驗，確保每個階段的安全要求都確實落實。
   
3. 基於模型的設計 MBD（Model-Based Design）： 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具，把整個 ECU 要控制的系統(如煞車)，用數學模型搭建起來，然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前，就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷，，並驗證安全機制是否有效。
   
4. Automotive SPICE (ASPICE) ： ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」，它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性，而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」，也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化，並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作，其能否正常運作，自然被視為最優先項目。為此，威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準：ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統（特別是 ECU）的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」，從概念、設計、測試到生產和報廢，都詳細規範了每個安全要求和驗證方法，唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略，威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準，才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而，ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡，「大腦」變得更集中、更強大後，汽車產業又迎來了新一波革命：「軟體定義汽車」（Software-Defined Vehicle, SDV）。

軟體定義汽車 SDV：你的愛車也能「升級」！

未來的汽車，會越來越像你手中的智慧型手機。過去，車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」，想升級？多半只能換車。但在軟體定義汽車（SDV）時代，汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」，能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA（Over-the-Air）技術，車廠能像推送 App 更新一樣，遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過，這種美好願景也將帶來全新的挑戰：資安風險。當汽車連上網路，就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭，輕則個資外洩，重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV，業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略，確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程，到安全認證，這些努力，讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新，也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力，威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota，以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈，更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴，以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈，並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產，驗證其流程與品質。

毫無疑問，未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷，交由電腦判斷，比交由人類駕駛還要安全的那一天，離我們不遠了。而人類的角色，將從操作者轉為監督者，負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全，人類甘願當一個「最弱兵器」，其實也不錯！

鐵電性（ferroelectricity）材料是製造次世代非揮發性（non-volatile）記憶體的基礎，而記憶體的密度極限取決於鐵電性究竟能在多小的尺度下存在。最近美國科學家研究了碲化鍺（GeTe）與鋇鈦氧化物（BaTiO3）內鐵電形變的分佈情形，證實低至數奈米的大小仍可見鐵電性存在。根據此結果，次世代非揮發性記憶體每平方英寸的儲存容量可望高達數兆位元。

鐵磁（ferromagnetic）材料具有永久磁偶極矩，可藉由外加磁場使其轉動。相對地，鐵電材料具有永久電偶極矩，可利用電場控制極矩方向，這個特性讓科學家得以將數位電訊號儲存在鐵電薄膜中，因此開拓了一個新的元件應用舞台。

這項由勞倫斯柏克萊國家實驗室與加州大學柏克萊分的Paul Alivisatos與Ramamoorthy Ramesh領導的團隊所完成的研究，目的是探討穩定鐵電排列的最小尺寸極限，以及在此極限下所呈現的形式。先前的研究認為隨著尺度變小，造成鐵電性的原子位移會完全消失或變亂，或者以渦流態排列的形變出現。此團隊的研究結果卻顯示在單一疇區，中局部原子位移大致仍保持線性排列，因此仍有淨電極化存在。換言之，有用的鐵電性質（包含極化開關與壓電特性）在只有幾奈米的尺度下依然維持存在。

該團隊分析了碲化鍺與鋇鈦氧化物奈米微晶內的鐵電有序。前者是鐵電半導體，後者則為典型的鐵電氧化物。他們先以電子顯微鏡直接觀察個別粒子中與鐵電性有關的結構形變，接著對整體粒子進行原子對函數分佈分析（atomic pair distribution function analysis）以求得這些形變間的關連性，然後再以電子全像術（electron holography）直接拍攝此鐵電極化，並測量了單一奈米微晶的壓電滯留曲線（piezoelectric hysterisis）。

研究結果顯示，由鐵電奈米微晶製作的非揮發記憶體的資料儲存密度將可能高達每英寸數兆位元。此外，此材料未來亦可應用於奈米機電系統（NEMS）中，作為壓電致動器及傳感器（transducer）等。該團隊目前想要探討理論預測的渦流極化態是否能穩定存在這些奈米微晶粒子中。詳見Nature Materials｜DOI:10.1038/nmat3371。

譯者:孫士傑（高雄大學應用物理系）
責任編輯:蔡雅芝

資料來源：Nanocrystals go ferroelectric. NanoTech [Aug 30, 2012]

轉載自 奈米科學網

今日某些物理學家正在研究將分子磁鐵（molecular magnets）當成未來量子電腦之資訊儲存單元使用的可能性。就分子結構來說，分子磁鐵是那些磁矩偏好朝特定軸向排列的分子。其所擁有的電子自旋結構可經由磁力調整出一種以上的狀態，且在低溫時，即使在缺乏磁場的情況下，依然可維持這種狀態，這可能使它們被用於資訊儲存上。

現在一個來自英國的研究團隊已證明，在不同的磁性狀態間，量子力學相位的疊加可持續超過 15 微秒，使其自旋態因解同調（decoherence，走調）而失去其資訊前，能反覆切換。在分子磁鐵作為 qubits（量子位元，量子電腦的元件）的實用性上，這項發現為其平添佐證。

來自牛津大學與曼徹斯特大學的研究者，C.J. Wedge 等人，已將他們「如何利用化學方法修改分子 qubits 以增加其相位記憶時間」的研究發表在最近一期的 Physical Review Letters 上。在這之前，研究者已達成 3.8 微秒的相位記憶時間（phase memory times），而其他分子磁鐵系統研究所產生的（記憶）時間都在 1 微秒的時間尺度上。

“相位記憶時間與同調時間是非常類似的概念，” 牛津大學的共同作者 Arzhang Ardavan 表示。”（長相位記憶時間）意味著，當量子資訊消失前，有可能操縱 qubit 許多次。那意義重大，但我們亦樂見能精確控制分子結構的可行性，以及能測定各種解同調機制，並盡我們所能來減少它們。”

在他們的研究中，研究者聚焦在 Cr7Ni 分子磁鐵上。他們之前證明這種分子所擁有的同調時間遠超過操縱單一 qubit 所需要的 10 奈秒。在此，他們採取下一步驟並研究分子磁鐵解同調（原子核自旋擴散 (nuclear spin diffusion) 與頻譜擴散 (spectral diffusion)）的特定來源，以及如何優化結構以便盡可能地延緩解同調。

為了辦到這件事，研究者改變二種關鍵要素（某些陽離子與配位基），藉此比較不同的 Cr7Ni 結構。他們特別研究，在低溫下不同的結構維持其自旋態的能力有多好，那以結構的相位–同調性鬆弛時間（phase-coherence relaxation time）來測定。研究者發現，優化修改過的 Cr7Ni 分子磁鐵能有超過 15 微秒的相位記憶時間，那比操縱單一 qubit 所需要的時間多了幾個數量級，而且明顯比先前的證明還要更長。

研究者預測，這些結果將導致在分子磁鐵簇內操控量子態的能力。他們計畫在未來更進一步研究操縱分子磁鐵的方法。

“我們將驗證各種可能性，” Ardavan 說。”我們研究這些分子之化學性質的同僚能夠合成合併數個耦合分子磁鐵的結構。我們將利用這類分子來研究簡單的多 qubit（multi-qubit）演算法。”

“最近，有人在理論上提出，電場能用來操縱分子磁鐵的磁性狀態，” 他補充道。”我們正透過實驗來驗證這些可能性。”

原始文獻:C. J. Wedge, G. A. Timco, E. T. Spielberg, R. E. George,
F. Tuna, S. Rigby, E. J. L. McInnes, R. E. P. Winpenny,
S. J. Blundell, and A. Ardavan.
Phys. Rev. Lett. 108, 107204 (2012) [5 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.108.107204

資料來源:PHYSORG:Researchers engineer molecular magnets to act as long-lived qubits[March 21, 2012]

轉載自only-perception