高可靠性領(lǐng)域如何選取處理器系統(tǒng)和ADC/DAC？

芯片和元器件處在不同環(huán)境之下，對(duì)參數(shù)要求均各有差異。消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品側(cè)重于性價(jià)比，工業(yè)級(jí)產(chǎn)品側(cè)重于性能，汽車級(jí)產(chǎn)品側(cè)重于安全。

那么“飛上天”的芯片又該側(cè)重什么？對(duì)于航空航天級(jí)芯片來(lái)說(shuō)，性能和性價(jià)比并不是第一考慮要素，可靠性才是首要考慮因素。

極端環(huán)境下，芯片遭受著“單粒子效應(yīng)”和“宇宙射線輻射”的雙重摧殘，更不要說(shuō)“上天入地”的極端環(huán)境，因此能夠達(dá)到航空航天要求的高可靠性領(lǐng)域的芯片公司都非等閑之輩。

制造航空航天級(jí)芯片產(chǎn)品的公司一般都是專注高可靠性領(lǐng)域研究和生產(chǎn)的，除了航空航天以外，軍工、國(guó)防、醫(yī)療也會(huì)使用到這種高可靠性產(chǎn)品。

超高可靠性領(lǐng)域因其追求核心是高可靠性，在能耗、結(jié)溫、壽命、抗輻射、抗干擾等方面是顯著超前的，極度考驗(yàn)著公司長(zhǎng)期以來(lái)的技術(shù)積累。但傳統(tǒng)來(lái)說(shuō)，超高可靠性產(chǎn)品是無(wú)法被普通產(chǎn)品替代的，加之技術(shù)過(guò)于超前，故而長(zhǎng)期以來(lái)是“小眾型”產(chǎn)品

不過(guò)近期“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器、“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器、6G試驗(yàn)衛(wèi)星、北斗衛(wèi)等引發(fā)關(guān)注，越來(lái)越多人開(kāi)始關(guān)注這方面芯片。并且隨著成本、尺寸、重量、功耗不斷優(yōu)化，很多領(lǐng)域也開(kāi)始使用超高可靠性產(chǎn)品。

半導(dǎo)體行業(yè)就有這樣一家企業(yè)，長(zhǎng)期以來(lái)定位在超高可靠性，很少被人提及，但一直以來(lái)占據(jù)不可替代的市場(chǎng)。這家公司便是Teledyne e2v（譯名“特勵(lì)達(dá)e2v”，下文簡(jiǎn)稱“e2v”），這家公司的高可靠性領(lǐng)域包括成像、射頻電源、半導(dǎo)體器件三種，近期e2v邀請(qǐng)21ic中國(guó)電子網(wǎng)記者進(jìn)行專訪，共商高可靠性半導(dǎo)體器件。

高可靠性是e2v處理器的核心

據(jù)Teledyne e2v亞太地區(qū)(中國(guó))應(yīng)用工程師Byron Gao介紹，e2v在處理器上主要與NXP合作，經(jīng)過(guò)e2v的封測(cè)將產(chǎn)品推向高可靠性市場(chǎng)。眾所周知，NXP產(chǎn)品主要面向的是工業(yè)級(jí)，因此二者并不沖突。NXP已與e2v合作了三十多年（此前為Freescale），e2v已建立了高性能處理器的專業(yè)知識(shí)體系，并可獲得和原始制造商相同的工具、產(chǎn)品測(cè)試向量和測(cè)試程序。

在產(chǎn)品上，擁有T系列、P系列、LAYERSCAPE和POWERQUICC四類不同架構(gòu)組合產(chǎn)品，可靠、成熟的平臺(tái)可以縮短上市時(shí)間，可以滿足航空航天、國(guó)防軍事和工業(yè)中關(guān)鍵應(yīng)用。

在參數(shù)上，擁有15年以上的生命周期，能夠承受-55℃至125℃的高溫和低溫，可以針對(duì)特定客戶需求和功耗、時(shí)鐘、溫度要求創(chuàng)建定制解決方案，并且符合AS9100認(rèn)證。

在軟件上，擁有最強(qiáng)的航空電子、國(guó)防和空間領(lǐng)域最強(qiáng)的軟件生態(tài)系統(tǒng)支持，支持Linux、各種RTOS、VxWorks的NXP處理器，擁有豐富的驅(qū)動(dòng)程序、工具和編程環(huán)境。

值得一提的是，產(chǎn)品不存在出口管制的憂患?！耙?yàn)槭羌兎▏?guó)產(chǎn)品，包括設(shè)計(jì)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)均在法國(guó)工廠中進(jìn)行，所以不會(huì)受到貿(mào)易進(jìn)出口影響，可以幫助客戶減少后顧之憂”，Byron Gao如是說(shuō)。

當(dāng)然，高可靠性還是e2v的主要賣點(diǎn)之一。就在最近，e2v宣布，其廣受歡迎的LS1046空間處理器現(xiàn)已通過(guò)嚴(yán)格的總輻射劑量（TID）測(cè)試，可達(dá)100krad。這進(jìn)一步完善了以往暴露于重離子高達(dá)60MeV.cm2/mg以上的環(huán)境中獲得的單粒子鎖定（SEL）和單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）結(jié)果。

參數(shù)上，LS1046空間處理器基于NXP處理器技術(shù)，以高達(dá)1.8GHz的頻率運(yùn)行，擁有4個(gè)64位Arm Cortex-A72處理核心，內(nèi)置包含8位糾錯(cuò)碼（ECC）的64位DDR4 SDRAM存儲(chǔ)器控制器，以及在其內(nèi)核之間共享2MByte L2高速緩存，采用780球柵陣列BGA封裝，并配備多種嵌入式接口，包括10Gbit以太網(wǎng)、PCI Express（PCIe）3.0、SPI、I2C、多個(gè)UART等。

LS1046高可靠性處理器符合美國(guó)宇航局一級(jí)要求，可集成在面向空間的單板計(jì)算機(jī)（SBC）中，一般用于衛(wèi)星成像相關(guān)任務(wù)，如處理、調(diào)節(jié)和圖像數(shù)據(jù)壓縮，以及超低延遲通信和機(jī)載決策（利用AI演算法）等。

高可靠性基礎(chǔ)上的SWaP優(yōu)化

Byron Gao表示，高可靠性領(lǐng)域處理器的核心競(jìng)爭(zhēng)力就是提高超越標(biāo)準(zhǔn)的性能指標(biāo)，這一領(lǐng)域的算力和執(zhí)行效率正在飛速提升，除了增加系統(tǒng)安全的余量，e2v也正優(yōu)化SWaP（尺寸、重量和功耗）。

處理器是系統(tǒng)中重要的器件，會(huì)產(chǎn)生大部分的功耗，而散熱系統(tǒng)需要使用散熱器，這就影響了系統(tǒng)的尺寸和重量，所以一切的源頭都指向了功耗降低。e2v主要使用了三種方案降低功耗：

1、降低靜態(tài)功耗

據(jù)介紹，e2v對(duì)功耗有著獨(dú)特的見(jiàn)解，這得益于與NXP的三十余年的合作。影響處理器功耗有兩個(gè)關(guān)鍵要素，其一是靜態(tài)功耗，即IC所有內(nèi)部外設(shè)所需功耗，這一功耗與器件性能和運(yùn)行代碼無(wú)關(guān)；其二是動(dòng)態(tài)功耗，即計(jì)算能力所需功耗，這一功耗對(duì)于多核處理器和不同瞬時(shí)計(jì)算負(fù)載在功耗上可能有很大差異。

處理器擁有三個(gè)特性：器件靜態(tài)功耗差異顯著；在低溫環(huán)境靜態(tài)功耗可能接近0，但在125℃時(shí)可能占總功耗的40%甚至更多；動(dòng)態(tài)功耗由用戶的使用情況決定，不同器件、不同溫度和不同的批次對(duì)其影響不大。

溫度升高靜態(tài)功耗成倍增加，增加散熱器降低結(jié)溫可以優(yōu)化功耗，但反之會(huì)增加設(shè)備尺寸和重量。簡(jiǎn)言之，這就需要在功耗、尺寸和重量上進(jìn)行權(quán)衡和測(cè)試分析，最終以滿足客戶需求。

舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，T1042在規(guī)格書(shū)上功耗高達(dá)8.3W（1.2GHz時(shí)鐘、Tj為125℃），但是實(shí)際上這款產(chǎn)品可以通過(guò)優(yōu)化靜態(tài)功耗達(dá)到4.5W，如果不是因?yàn)楣慕档?，客戶一開(kāi)始就不會(huì)選用T1042。

2、定制封裝

修改或者重新設(shè)計(jì)器件封裝可以降低結(jié)溫從而降低功耗，亦可減少冷卻系統(tǒng)尺寸和重量；也可加強(qiáng)器件的震動(dòng)防護(hù)，簡(jiǎn)化冷卻系統(tǒng)和處理器的傳熱接口；選擇使用或不使用封裝蓋可以進(jìn)一步改善散熱性能。

e2v在此方面則擁有豐富的重封裝半導(dǎo)體器件的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，e2v還可幫助客戶對(duì)封裝重新植球，改變焊接流程，以滿足一些宇航客戶的特定需求（如采用不含錫鉛合金的材料以防止在宇航應(yīng)用中出現(xiàn)錫須）。

最近e2v做了一項(xiàng)為T1040處理器加上封裝蓋的可行性研究。e2v也估算了散熱指標(biāo)的變化。由于增加了封裝蓋，節(jié)到板的熱阻大約是4.66℃/W的一半，比標(biāo)準(zhǔn)封裝下降了9℃/W。而節(jié)到頂部的熱阻卻從少于0.1℃/W增加到0.85℃/W。

3、擴(kuò)展節(jié)溫

其實(shí)很多情況下，最高工作溫度都是有余量的，有著大于125℃的余量。但與此同時(shí)的后果就是功耗顯著提升，這種高節(jié)溫（Tj）顯著適用于短時(shí)間動(dòng)態(tài)功耗迅速爆發(fā)的應(yīng)用，當(dāng)然這種爆發(fā)需求的應(yīng)用散熱設(shè)計(jì)也擁有一定要求。

e2v主要是從性能、可靠性、功耗和封裝承受高溫能力四個(gè)角度上權(quán)衡，判斷是否需擴(kuò)展特定應(yīng)用的器件的高溫限制、調(diào)整電氣參數(shù)或更換封裝材料，最終平衡功耗的安全性能。

筆者認(rèn)為，e2v在高可靠性處理器產(chǎn)品上不僅擁有卓著的生命周期和可靠性，在功耗、尺寸和重量上也擁有著一定的權(quán)衡和思考。在此方面，e2v主要通過(guò)權(quán)衡散熱器、封裝和節(jié)溫，進(jìn)行全面功耗降低。這也說(shuō)明，高可靠性領(lǐng)域的選型上除了可靠性這一參數(shù)，也逐漸擁有新的要求。

超前設(shè)計(jì)的高可靠性DAC/ADC

提到高速ADC/DAC，很多人的第一反應(yīng)都是市場(chǎng)占有率極高的主流產(chǎn)品，鮮有知道Teledyne e2v的。Byron Gao為記者解釋表示，與前者定位不同，e2v主要研究的方向是高可靠性市場(chǎng)，與主流市場(chǎng)并不沖突，是兩種定位，市場(chǎng)需求也正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。

換言之，e2v本身定位就是高可靠性市場(chǎng)，致力于更超前和更高性能的產(chǎn)品，體現(xiàn)在器件上就是更高的采樣率。

從另一方面來(lái)說(shuō)，e2v的數(shù)據(jù)傳輸是基于開(kāi)源的，與主流產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議不同，開(kāi)源協(xié)議對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，特別是中國(guó)廠商。

事實(shí)上，整個(gè)電子科技環(huán)境正在發(fā)生變化，新興的技術(shù)對(duì)可靠性的考驗(yàn)與日俱增。國(guó)內(nèi)很多產(chǎn)品也正在逐漸從工業(yè)級(jí)產(chǎn)品轉(zhuǎn)向高可靠性產(chǎn)品，不過(guò)礙于很多廠商在此方面技術(shù)并不成熟而難于展開(kāi)，而e2v則剛好在這個(gè)領(lǐng)域非常成熟也非常專業(yè)。

從產(chǎn)品上來(lái)說(shuō)，e2v的兩款產(chǎn)品在技術(shù)上也非常超前：

1、世界首個(gè)26 GHz的直接微波合成DAC

EV12DD700數(shù)模轉(zhuǎn)換器是市場(chǎng)第一個(gè)可支持Ka頻段（26GHz以上）操作的產(chǎn)品，這意味著帶有先進(jìn)數(shù)字功能如快速跳頻（FFH）和波束形成等的射頻系統(tǒng)將得以實(shí)現(xiàn)。

除此之外，也集成了許多復(fù)雜的功能，如直接數(shù)字合成（DDS），加上通過(guò)一個(gè)內(nèi)置的32位數(shù)控振蕩器（NCO）實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻（DUC）。這有助于提高吞吐量，而不會(huì)對(duì)IC的資源造成過(guò)度壓力。

目前來(lái)說(shuō)，EV12DD700雙通道設(shè)備的beta測(cè)試版樣品已批量出貨給符合條件的客戶。根據(jù)e2v的介紹，這款產(chǎn)品將應(yīng)用在雷達(dá)、衛(wèi)星通信、地面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等。

2、P到Ka波段直接采樣的ADC

EV12PS640微波模數(shù)轉(zhuǎn)換器是配套EV12DD700一并發(fā)布的，這款ADC能夠提供超出目前市場(chǎng)上任何產(chǎn)品范圍的參數(shù)性能，支持11G采樣率，可實(shí)現(xiàn)超高頻（SHF）直接采樣，并一直延伸到Ka頻段（26GHz及以上）。

這款產(chǎn)品采用的是直接微波采樣，e2v解釋直接微波采樣可以消除對(duì)頻率轉(zhuǎn)換的需求，這意味著將大大降低信號(hào)失真的風(fēng)險(xiǎn)；其次，提供軟件定義通用性，貫穿多個(gè)頻段，最高可達(dá)Ka頻段。通過(guò)直接微波采樣方法，可以顯著簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換硬件。

高可靠性產(chǎn)品能用在航天、國(guó)防以外領(lǐng)域嗎？

“目前e2v在中國(guó)的宣傳只停留在技術(shù)、產(chǎn)品和demo展示上，從認(rèn)知和反饋上國(guó)內(nèi)對(duì)e2v的認(rèn)知很少。實(shí)際上，高可靠性并不只是用在可靠性上，定義很廣，很多其他領(lǐng)域都是可以用的”，亞太區(qū)公關(guān)部經(jīng)理Yuki Chan如是說(shuō)。

“其實(shí)在中國(guó)的合作上，Teledyne e2v已與航天五院的衛(wèi)星、探測(cè)器等展開(kāi)了合作。e2v也非常希望能夠與中國(guó)產(chǎn)業(yè)鏈更多的企業(yè)合作，助力中國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！?span>

事實(shí)上，很多人對(duì)于可靠性的概念一直有著誤區(qū)，認(rèn)為產(chǎn)品故障就是產(chǎn)品不可靠。實(shí)際上，高可靠性領(lǐng)域主要是針對(duì)特定環(huán)境和特定環(huán)境下實(shí)現(xiàn)規(guī)定功能的能力。e2v產(chǎn)品擁有非常成熟的平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)很多其他特定環(huán)境的可靠性要求。

筆者認(rèn)為，e2v的高可靠性產(chǎn)品可以擴(kuò)展到許多應(yīng)用場(chǎng)景之中，特別是中國(guó)產(chǎn)業(yè)鏈中。原因一是高可靠性本身具的安全性和長(zhǎng)壽命，從另一方面來(lái)說(shuō)可以減少二次成本，實(shí)際上有利于成本化集約；二是高可靠性產(chǎn)品大多技術(shù)超前，用戶可以用高性能產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)更多功能；三是e2v的產(chǎn)品基于開(kāi)源協(xié)議，對(duì)于中國(guó)產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)開(kāi)源協(xié)議更加適合目前發(fā)展；四是純法國(guó)技術(shù)和法國(guó)生產(chǎn)，沒(méi)有進(jìn)出口壓力。

反觀Teledyne e2v的歷史，2016年Teledyne以6.27億英鎊（約合7.89億美元）現(xiàn)金收購(gòu)e2v，是Teledyne歷年來(lái)的最大筆收購(gòu)。兩家公司都是以高可靠性產(chǎn)品著稱，并且兩家公司雙方產(chǎn)品重疊很小，兩者的互補(bǔ)讓高可靠性產(chǎn)品線更加全面。

高可靠性領(lǐng)域正在逐步向其他領(lǐng)域擴(kuò)張，Teledyne e2v是中國(guó)發(fā)展非常值得選擇的產(chǎn)品。