芯片和元器件處在不同環境之下,對參數要求均各有差異。消費級產品側重于性價比,工業級產品側重于性能,汽車級產品側重于安全。

那么“飛上天”的芯片又該側重什么?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。

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

制造航空航天級芯片產品的公司一般都是專注高可靠性領域研究和生產的,除了航空航天以外,軍工、國防、醫療也會使用到這種高可靠性產品。

超高可靠性領域因其追求核心是高可靠性,在能耗、結溫、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積累。但傳統來說,超高可靠性產品是無法被普通產品替代的,加之技術過于超前,故而長期以來是“小眾型”產品

不過近期“天問一號”探測器、“嫦娥五號”探測器、6G試驗衛星、北斗衛等引發關注,越來越多人開始關注這方面芯片。并且隨著成本、尺寸、重量、功耗不斷優化,很多領域也開始使用超高可靠性產品。

半導體行業就有這樣一家企業,長期以來定位在超高可靠性,很少被人提及,但一直以來占據不可替代的市場。這家公司便是Teledyne e2v(譯名“特勵達e2v”,下文簡稱“e2v”),這家公司的高可靠性領域包括成像、射頻電源、半導體器件三種,近期e2v邀請21ic中國電子網記者進行專訪,共商高可靠性半導體器件。

高可靠性是e2v處理器的核心

據Teledyne e2v亞太地區(中國)應用工程師Byron Gao介紹,e2v在處理器上主要與NXP合作,經過e2v的封測將產品推向高可靠性市場。眾所周知,NXP產品主要面向的是工業級,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知識體系,并可獲得和原始制造商相同的工具、產品測試向量和測試程序。

在產品上,擁有T系列、P系列、LAYERSCAPE和POWERQUICC四類不同架構組合產品,可靠、成熟的平臺可以縮短上市時間,可以滿足航空航天、國防軍事和工業中關鍵應用。

在參數上,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、溫度要求創建定制解決方案,并且符合AS9100認證。

在軟件上,擁有最強的航空電子、國防和空間領域最強的軟件生態系統支持,支持Linux、各種RTOS、VxWorks的NXP處理器,擁有豐富的驅動程序、工具和編程環境。

值得一提的是,產品不存在出口管制的憂患。“因為是純法國產品,包括設計和生產環節均在法國工廠中進行,所以不會受到貿易進出口影響,可以幫助客戶減少后顧之憂”,Byron Gao如是說。

當然,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空間處理器現已通過嚴格的總輻射劑量(TID)測試,可達100krad。這進一步完善了以往暴露于重離子高達60MeV．cm?/mg以上的環境中獲得的單粒子鎖定(SEL)和單粒子翻轉(SEU)結果。

參數上,LS1046空間處理器基于NXP處理器技術,以高達1．8GHz的頻率運行,擁有4個64位Arm Cortex-A72處理核心,內置包含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、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,一般用于衛星成像相關任務,如處理、調節和圖像數據壓縮,以及超低延遲通信和機載決策(利用AI演算法)等。

高可靠性基礎上的SWaP優化

Byron Gao表示,高可靠性領域處理器的核心競爭力就是提高超越標準的性能指標,這一領域的算力和執行效率正在飛速提升,除了增加系統安全的余量,e2v也正優化SWaP(尺寸、重量和功耗)。

處理器是系統中重要的器件,會產生大部分的功耗,而散熱系統需要使用散熱器,這就影響了系統的尺寸和重量,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、降低靜態功耗

據介紹,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鍵要素,其一是靜態功耗,即IC所有內部外設所需功耗,這一功耗與器件性能和運行代碼無關;其二是動態功耗,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:器件靜態功耗差異顯著;在低溫環境靜態功耗可能接近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。

溫度升高靜態功耗成倍增加,增加散熱器降低結溫可以優化功耗,但反之會增加設備尺寸和重量。簡言之,這就需要在功耗、尺寸和重量上進行權衡和測試分析,最終以滿足客戶需求。

舉個例子來說,T1042在規格書上功耗高達8．3W(1．2GHz時鐘、Tj為125℃),但是實際上這款產品可以通過優化靜態功耗達到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

修改或者重新設計器件封裝可以降低結溫從而降低功耗,亦可減少冷卻系統尺寸和重量;也可加強器件的震動防護,簡化冷卻系統和處理器的傳熱接口;選擇使用或不使用封裝蓋可以進一步改善散熱性能。

e2v在此方面則擁有豐富的重封裝半導體器件的專業知識和經驗,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用中出現錫須)。

最近e2v做了一項為T1040處理器加上封裝蓋的可行性研究。e2v也估算了散熱指標的變化。由于增加了封裝蓋,節到板的熱阻大約是4．66℃/W的一半,比標準封裝下降了9℃/W。而節到頂部的熱阻卻從少于0．1℃/W增加到0．85℃/W。

3、擴展節溫

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,這種高節溫(Tj)顯著適用于短時間動態功耗迅速爆發的應用,當然這種爆發需求的應用散熱設計也擁有一定要求。

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衡,判斷是否需擴展特定應用的器件的高溫限制、調整電氣參數或更換封裝材料,最終平衡功耗的安全性能。

筆者認為,e2v在高可靠性處理器產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衡和思考。在此方面,e2v主要通過權衡散熱器、封裝和節溫,進行全面功耗降低。這也說明,高可靠性領域的選型上除了可靠性這一參數,也逐漸擁有新的要求。

超前設計的高可靠性DAC/ADC

提到高速ADC/DAC,很多人的第一反應都是市場占有率極高的主流產品,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,市場需求也正在發生轉變。

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品,體現在器件上就是更高的采樣率。

從另一方面來說,e2v的數據傳輸是基于開源的,與主流產品的標準協議不同,開源協議對整個產業鏈來說是至關重要的,特別是中國廠商。

事實上,整個電子科技環境正在發生變化,新興的技術對可靠性的考驗與日俱增。國內很多產品也正在逐漸從工業級產品轉向高可靠性產品,不過礙于很多廠商在此方面技術并不成熟而難于展開,而e2v則剛好在這個領域非常成熟也非常專業。

從產品上來說,e2v的兩款產品在技術上也非常超前:

1、世界首個26 GHz的直接微波合成DAC

EV12DD700數模轉換器是市場第一個可支持Ka頻段(26GHz以上)操作的產品,這意味著帶有先進數字功能如快速跳頻(FFH)和波束形成等的射頻系統將得以實現。

除此之外,也集成了許多復雜的功能,如直接數字合成(DDS),加上通過一個內置的32位數控振蕩器(NCO)實現數字上變頻(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雙通道設備的beta測試版樣品已批量出貨給符合條件的客戶。根據e2v的介紹,這款產品將應用在雷達、衛星通信、地面網絡基礎設施等。

2、P到Ka波段直接采樣的ADC

EV12PS640微波模數轉換器是配套EV12DD700一并發布的,這款ADC能夠提供超出目前市場上任何產品范圍的參數性能,支持11G采樣率,可實現超高頻(SHF)直接采樣,并一直延伸到Ka頻段(26GHz及以上)。

這款產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換的需求,這意味著將大大降低信號失真的風險;其次,提供軟件定義通用性,貫穿多個頻段,最高可達Ka頻段。通過直接微波采樣方法,可以顯著簡化數據轉換硬件。

高可靠性產品能用在航天、國防以外領域嗎?

“目前e2v在中國的宣傳只停留在技術、產品和demo展示上,從認知和反饋上國內對e2v的認知很少。實際上,高可靠性并不只是用在可靠性上,定義很廣,很多其他領域都是可以用的”,亞太區公關部經理Yuki Chan如是說。

“其實在中國的合作上,Teledyne e2v已與航天五院的衛星、探測器等展開了合作。e2v也非常希望能夠與中國產業鏈更多的企業合作,助力中國產業發展。”

事實上,很多人對于可靠性的概念一直有著誤區,認為產品故障就是產品不可靠。實際上,高可靠性領域主要是針對特定環境和特定環境下實現規定功能的能力。e2v產品擁有非常成熟的平臺,可以實現很多其他特定環境的可靠性要求。

筆者認為,e2v的高可靠性產品可以擴展到許多應用場景之中,特別是中國產業鏈中。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;二是高可靠性產品大多技術超前,用戶可以用高性能產品實現更多功能;三是e2v的產品基于開源協議,對于中國產業來說開源協議更加適合目前發展;四是純法國技術和法國生產,沒有進出口壓力。

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品著稱,并且兩家公司雙方產品重疊很小,兩者的互補讓高可靠性產品線更加全面。

高可靠性領域正在逐步向其他領域擴張,Teledyne e2v是中國發展非常值得選擇的產品。

審核編輯：符乾江