高可靠性领域如何选取处理器系统和ADC/DAC

芯片和元器件处在不同环境之下,对参数要求均各有差异。消费级产品侧重于性价比,工业级产品侧重于性能,汽车级产品侧重于安全。

那么“飞上天”的芯片又该侧重什么?对于航空航天级芯片来说,性能和性价比并不是第一考虑要素,可靠性才是首要考虑因素。

极端环境下,芯片遭受着“单粒子效应”和“宇宙射线辐射”的双重摧残,更不要说“上天入地”的极端环境,因此能够达到航空航天要求的高可靠性领域的芯片公司都非等闲之辈。

制造航空航天级芯片产品的公司一般都是专注高可靠性领域研究和生产的,除了航空航天以外,军工、国防、医疗也会使用到这种高可靠性产品。

超高可靠性领域因其追求核心是高可靠性,在能耗、结温、寿命、抗辐射、抗干扰等方面是显著超前的,极度考验着公司长期以来的技术积累。但传统来说,超高可靠性产品是无法被普通产品替代的,加之技术过于超前,故而长期以来是“小众型”产品

不过近期“天问一号”探测器、“嫦娥五号”探测器、6G试验卫星、北斗卫等引发关注,越来越多人开始关注这方面芯片。并且随着成本、尺寸、重量、功耗不断优化,很多领域也开始使用超高可靠性产品。

半导体行业就有这样一家企业,长期以来定位在超高可靠性,很少被人提及,但一直以来占据不可替代的市场。这家公司便是Teledyne e2v(译名“特励达e2v”,下文简称“e2v”),这家公司的高可靠性领域包括成像、射频电源、半导体器件三种,近期e2v邀请21ic中国电子网记者进行专访,共商高可靠性半导体器件。

高可靠性是e2v处理器的核心

据Teledyne e2v亚太地区(中国)应用工程师Byron Gao介绍,e2v在处理器上主要与NXP合作,经过e2v的封测将产品推向高可靠性市场。众所周知,NXP产品主要面向的是工业级,因此二者并不冲突。NXP已与e2v合作了三十多年(此前为Freescale),e2v已建立了高性能处理器的专业知识体系,并可获得和原始制造商相同的工具、产品测试向量和测试程序。

在产品上,拥有T系列、P系列、LAYERSCAPE和POWERQUICC四类不同架构组合产品,可靠、成熟的平台可以缩短上市时间,可以满足航空航天、国防军事和工业中关键应用。

在参数上,拥有15年以上的生命周期,能够承受-55℃至125℃的高温和低温,可以针对特定客户需求和功耗、时钟、温度要求创建定制解决方案,并且符合AS9100认证。

在软件上,拥有最强的航空电子、国防和空间领域最强的软件生态系统支持,支持Linux、各种RTOS、VxWorks的NXP处理器,拥有丰富的驱动程序、工具和编程环境。

值得一提的是,产品不存在出口管制的忧患。“因为是纯法国产品,包括设计和生产环节均在法国工厂中进行,所以不会受到贸易进出口影响,可以帮助客户减少后顾之忧”,Byron Gao如是说。

当然,高可靠性还是e2v的主要卖点之一。就在最近,e2v宣布,其广受欢迎的LS1046空间处理器现已通过严格的总辐射剂量(TID)测试,可达100krad。这进一步完善了以往暴露于重离子高达60MeV．cm?/mg以上的环境中获得的单粒子锁定(SEL)和单粒子翻转(SEU)结果。

参数上,LS1046空间处理器基于NXP处理器技术,以高达1．8GHz的频率运行,拥有4个64位Arm Cortex-A72处理核心,内置包含8位纠错码(ECC)的64位DDR4 SDRAM存储器控制器,以及在其内核之间共享2MByte L2高速缓存,采用780球栅阵列BGA封装,并配备多种嵌入式接口,包括10Gbit以太网、PCI Express(PCIe)3．0、SPI、I2C、多个UART等。

LS1046高可靠性处理器符合美国宇航局一级要求,可集成在面向空间的单板计算机(SBC)中,一般用于卫星成像相关任务,如处理、调节和图像数据压缩,以及超低延迟通信和机载决策(利用AI演算法)等。

高可靠性基础上的SWaP优化

Byron Gao表示,高可靠性领域处理器的核心竞争力就是提高超越标准的性能指标,这一领域的算力和执行效率正在飞速提升,除了增加系统安全的余量,e2v也正优化SWaP(尺寸、重量和功耗)。

处理器是系统中重要的器件,会产生大部分的功耗,而散热系统需要使用散热器,这就影响了系统的尺寸和重量,所以一切的源头都指向了功耗降低。e2v主要使用了三种方案降低功耗:

1、降低静态功耗

据介绍,e2v对功耗有着独特的见解,这得益于与NXP的三十余年的合作。影响处理器功耗有两个关键要素,其一是静态功耗,即IC所有内部外设所需功耗,这一功耗与器件性能和运行代码无关;其二是动态功耗,即计算能力所需功耗,这一功耗对于多核处理器和不同瞬时计算负载在功耗上可能有很大差异。

处理器拥有三个特性:器件静态功耗差异显著;在低温环境静态功耗可能接近0,但在125℃时可能占总功耗的40%甚至更多;动态功耗由用户的使用情况决定,不同器件、不同温度和不同的批次对其影响不大。

温度升高静态功耗成倍增加,增加散热器降低结温可以优化功耗,但反之会增加设备尺寸和重量。简言之,这就需要在功耗、尺寸和重量上进行权衡和测试分析,最终以满足客户需求。

举个例子来说,T1042在规格书上功耗高达8．3W(1．2GHz时钟、Tj为125℃),但是实际上这款产品可以通过优化静态功耗达到4．5W,如果不是因为功耗降低,客户一开始就不会选用T1042。

2、定制封装

修改或者重新设计器件封装可以降低结温从而降低功耗,亦可减少冷却系统尺寸和重量;也可加强器件的震动防护,简化冷却系统和处理器的传热接口;选择使用或不使用封装盖可以进一步改善散热性能。

e2v在此方面则拥有丰富的重封装半导体器件的专业知识和经验,e2v还可帮助客户对封装重新植球,改变焊接流程,以满足一些宇航客户的特定需求(如采用不含锡铅合金的材料以防止在宇航应用中出现锡须)。

最近e2v做了一项为T1040处理器加上封装盖的可行性研究。e2v也估算了散热指标的变化。由于增加了封装盖,节到板的热阻大约是4．66℃/W的一半,比标准封装下降了9℃/W。而节到顶部的热阻却从少于0．1℃/W增加到0．85℃/W。

3、扩展节温

其实很多情况下,最高工作温度都是有余量的,有着大于125℃的余量。但与此同时的后果就是功耗显著提升,这种高节温(Tj)显著适用于短时间动态功耗迅速爆发的应用,当然这种爆发需求的应用散热设计也拥有一定要求。

e2v主要是从性能、可靠性、功耗和封装承受高温能力四个角度上权衡,判断是否需扩展特定应用的器件的高温限制、调整电气参数或更换封装材料,最终平衡功耗的安全性能。

笔者认为,e2v在高可靠性处理器产品上不仅拥有卓著的生命周期和可靠性,在功耗、尺寸和重量上也拥有着一定的权衡和思考。在此方面,e2v主要通过权衡散热器、封装和节温,进行全面功耗降低。这也说明,高可靠性领域的选型上除了可靠性这一参数,也逐渐拥有新的要求。

超前设计的高可靠性DAC/ADC

提到高速ADC/DAC,很多人的第一反应都是市场占有率极高的主流产品,鲜有知道Teledyne e2v的。Byron Gao为记者解释表示,与前者定位不同,e2v主要研究的方向是高可靠性市场,与主流市场并不冲突,是两种定位,市场需求也正在发生转变。

换言之,e2v本身定位就是高可靠性市场,致力于更超前和更高性能的产品,体现在器件上就是更高的采样率。

从另一方面来说,e2v的数据传输是基于开源的,与主流产品的标准协议不同,开源协议对整个产业链来说是至关重要的,特别是中国厂商。

事实上,整个电子科技环境正在发生变化,新兴的技术对可靠性的考验与日俱增。国内很多产品也正在逐渐从工业级产品转向高可靠性产品,不过碍于很多厂商在此方面技术并不成熟而难于展开,而e2v则刚好在这个领域非常成熟也非常专业。

从产品上来说,e2v的两款产品在技术上也非常超前:

1、世界首个26 GHz的直接微波合成DAC

EV12DD700数模转换器是市场第一个可支持Ka频段(26GHz以上)操作的产品,这意味着带有先进数字功能如快速跳频(FFH)和波束形成等的射频系统将得以实现。

除此之外,也集成了许多复杂的功能,如直接数字合成(DDS),加上通过一个内置的32位数控振荡器(NCO)实现数字上变频(DUC)。这有助于提高吞吐量,而不会对IC的资源造成过度压力。

目前来说,EV12DD700双通道设备的beta测试版样品已批量出货给符合条件的客户。根据e2v的介绍,这款产品将应用在雷达、卫星通信、地面网络基础设施等。

2、P到Ka波段直接采样的ADC

EV12PS640微波模数转换器是配套EV12DD700一并发布的,这款ADC能够提供超出目前市场上任何产品范围的参数性能,支持11G采样率,可实现超高频(SHF)直接采样,并一直延伸到Ka频段(26GHz及以上)。

这款产品采用的是直接微波采样,e2v解释直接微波采样可以消除对频率转换的需求,这意味着将大大降低信号失真的风险;其次,提供软件定义通用性,贯穿多个频段,最高可达Ka频段。通过直接微波采样方法,可以显著简化数据转换硬件。

高可靠性产品能用在航天、国防以外领域吗?

“目前e2v在中国的宣传只停留在技术、产品和demo展示上,从认知和反馈上国内对e2v的认知很少。实际上,高可靠性并不只是用在可靠性上,定义很广,很多其他领域都是可以用的”,亚太区公关部经理Yuki Chan如是说。

“其实在中国的合作上,Teledyne e2v已与航天五院的卫星、探测器等展开了合作。e2v也非常希望能够与中国产业链更多的企业合作,助力中国产业发展。”

事实上,很多人对于可靠性的概念一直有着误区,认为产品故障就是产品不可靠。实际上,高可靠性领域主要是针对特定环境和特定环境下实现规定功能的能力。e2v产品拥有非常成熟的平台,可以实现很多其他特定环境的可靠性要求。

笔者认为,e2v的高可靠性产品可以扩展到许多应用场景之中,特别是中国产业链中。原因一是高可靠性本身具的安全性和长寿命,从另一方面来说可以减少二次成本,实际上有利于成本化集约;二是高可靠性产品大多技术超前,用户可以用高性能产品实现更多功能;三是e2v的产品基于开源协议,对于中国产业来说开源协议更加适合目前发展;四是纯法国技术和法国生产,没有进出口压力。

反观Teledyne e2v的历史,2016年Teledyne以6．27亿英镑(约合7．89亿美元)现金收购e2v,是Teledyne历年来的最大笔收购。两家公司都是以高可靠性产品著称,并且两家公司双方产品重叠很小,两者的互补让高可靠性产品线更加全面。

高可靠性领域正在逐步向其他领域扩张,Teledyne e2v是中国发展非常值得选择的产品。

审核编辑：符乾江