芯片和元器件處在不同環(huán)境之下,對參數(shù)要求均各有差異。消費級產(chǎn)品側(cè)重于性價比,工業(yè)級產(chǎn)品側(cè)重于性能,汽車級產(chǎn)品側(cè)重于安全。

那么“飛上天”的芯片又該側(cè)重什么?對于航空航天級芯片來說,性能和性價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“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、國防、醫(yī)療也會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,極度考驗著公司長期以來的技術(shù)積累。但傳統(tǒng)來說,超高可靠性產(chǎn)品是無法被普通產(chǎn)品替代的,加之技術(shù)過于超前,故而長期以來是“小眾型”產(chǎn)品

不過近期“天問一號”探測器、“嫦娥五號”探測器、6G試驗衛(wèi)星、北斗衛(wèi)等引發(fā)關(guān)注,越來越多人開始關(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),長期以來定位在超高可靠性,很少被人提及,但一直以來占據(jù)不可替代的市場。這家公司便是Teledyne e2v(譯名“特勵達(dá)e2v”,下文簡稱“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21ic中國電子網(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)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e2v的封測將產(chǎn)品推向高可靠性市場。眾所周知,NXP產(chǎn)品主要面向的是工業(yè)級,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)知識體系,并可獲得和原始制造商相同的工具、產(chǎn)品測試向量和測試程序。

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、成熟的平臺可以縮短上市時間,可以滿足航空航天、國防軍事和工業(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,可以針對特定客戶需求和功耗、時鐘、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,擁有最強的航空電子、國防和空間領(lǐng)域最強的軟件生態(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?！耙驗槭羌兎▏a(chǎn)品,包括設(shè)計和生產(chǎn)環(huán)節(jié)均在法國工廠中進(jìn)行,所以不會受到貿(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。

當(dāng)然,高可靠性還是e2v的主要賣點之一。就在最近,e2v宣布,其廣受歡迎的LS1046空間處理器現(xiàn)已通過嚴(yán)格的總輻射劑量(TID)測試,可達(dá)100krad。這進(jìn)一步完善了以往暴露于重離子高達(dá)60MeV．cm?/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的頻率運行,擁有4個64位Arm Cortex-A72處理核心,內(nèi)置包含8位糾錯碼(ECC)的64位DDR4 SDRAM存儲器控制器,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UART等。

LS1046高可靠性處理器符合美國宇航局一級要求,可集成在面向空間的單板計算機(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)域處理器的核心競爭力就是提高超越標(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對功耗有著獨特的見解,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行代碼無關(guān);其二是動態(tài)功耗,即計算能力所需功耗,這一功耗對于多核處理器和不同瞬時計算負(fù)載在功耗上可能有很大差異。

處理器擁有三個特性: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℃時可能占總功耗的40%甚至更多;動態(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,但反之會增加設(shè)備尺寸和重量。簡言之,這就需要在功耗、尺寸和重量上進(jìn)行權(quán)衡和測試分析,最終以滿足客戶需求。

舉個例子來說,T1042在規(guī)格書上功耗高達(dá)8．3W(1．2GHz時鐘、Tj為125℃),但是實際上這款產(chǎn)品可以通過優(yōu)化靜態(tài)功耗達(dá)到4．5W,如果不是因為功耗降低,客戶一開始就不會選用T1042。

2、定制封裝

修改或者重新設(shè)計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;也可加強器件的震動防護(hù),簡化冷卻系統(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)知識和經(jīng)驗,e2v還可幫助客戶對封裝重新植球,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、擴展節(jié)溫

其實很多情況下,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)顯著適用于短時間動態(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角度上權(quán)衡,判斷是否需擴展特定應(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主要通過權(quán)衡散熱器、封裝和節(jié)溫,進(jìn)行全面功耗降低。這也說明,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,與主流市場并不沖突,是兩種定位,市場需求也正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。

換言之,e2v本身定位就是高可靠性市場,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。

從另一方面來說,e2v的數(shù)據(jù)傳輸是基于開源的,與主流產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議不同,開源協(xié)議對整個產(chǎn)業(yè)鏈來說是至關(guān)重要的,特別是中國廠商。

事實上,整個電子科技環(huán)境正在發(fā)生變化,新興的技術(shù)對可靠性的考驗與日俱增。國內(nèi)很多產(chǎn)品也正在逐漸從工業(yè)級產(chǎn)品轉(zhuǎn)向高可靠性產(chǎn)品,不過礙于很多廠商在此方面技術(shù)并不成熟而難于展開,而e2v則剛好在這個領(lǐng)域非常成熟也非常專業(yè)。

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

1、世界首個26 GHz的直接微波合成DAC

EV12DD700數(shù)模轉(zhuǎn)換器是市場第一個可支持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),加上通過一個內(nèi)置的32位數(shù)控振蕩器(NCO)實現(xiàn)數(shù)字上變頻(DUC)。這有助于提高吞吐量,而不會對IC的資源造成過度壓力。

目前來說,EV12DD700雙通道設(shè)備的beta測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A(yù)DC能夠提供超出目前市場上任何產(chǎn)品范圍的參數(shù)性能,支持11G采樣率,可實現(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頻率轉(zhuǎn)換的需求,這意味著將大大降低信號失真的風(fēng)險;其次,提供軟件定義通用性,貫穿多個頻段,最高可達(dá)Ka頻段。通過直接微波采樣方法,可以顯著簡化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換硬件。

高可靠性產(chǎn)品能用在航天、國防以外領(lǐng)域嗎?

“目前e2v在中國的宣傳只停留在技術(shù)、產(chǎn)品和demo展示上,從認(rèn)知和反饋上國內(nèi)對e2v的認(rèn)知很少。實際上,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。

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

事實上,很多人對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。實際上,高可靠性領(lǐng)域主要是針對特定環(huán)境和特定環(huán)境下實現(xiàn)規(guī)定功能的能力。e2v產(chǎn)品擁有非常成熟的平臺,可以實現(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)品可以擴展到許多應(yīng)用場景之中,特別是中國產(chǎn)業(yè)鏈中。原因一是高可靠性本身具的安全性和長壽命,從另一方面來說可以減少二次成本,實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)品實現(xiàn)更多功能;三是e2v的產(chǎn)品基于開源協(xié)議,對于中國產(chǎn)業(yè)來說開源協(xié)議更加適合目前發(fā)展;四是純法國技術(shù)和法國生產(chǎn),沒有進(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e2v,是Teledyne歷年來的最大筆收購。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)域擴張,Teledyne e2v是中國發(fā)展非常值得選擇的產(chǎn)品。

審核編輯：符乾江