“飛上天”的芯片側(cè)重什么,如何選擇處理器和ADC/DAC器件

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(fèi)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(yàn)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(yàn)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(qiáng)的航空電子、國防和空間領(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。“因?yàn)槭羌兎▏a(chǎn)品，包括設(shè)計(jì)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(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．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(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(dú)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(yùn)行代碼無關(guān);其二是動態(tài)功耗，即計(jì)算能力所需功耗，這一功耗對于多核處理器和不同瞬時計(jì)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(shí)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?yàn)楣慕档?，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(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(yàn)，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(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(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。

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(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(shí)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(yàn)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(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），加上通過一個內(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(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(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。

“其實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(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(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(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是中國發(fā)展非常值得選擇的產(chǎn)品。

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