從消費(fèi)級到航天級，芯片有什么區(qū)別？

芯片，作為所有電子產(chǎn)品的核心，已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。小到手表手環(huán)，大到火箭衛(wèi)星，都離不開芯片的身影。不過各類芯片的工作環(huán)境有很大別，例如普通的消費(fèi)級芯片，只會(huì)在日常溫度下運(yùn)行，即使卡頓也不會(huì)有很大影響；在工廠中工作的芯片，則可能需要忍受更“艱苦”的環(huán)境，例如高濕度、振動(dòng)、沙塵等；應(yīng)用在汽車中的芯片則需要保證長期穩(wěn)定，高速行駛的汽車需要絕對可靠的芯片來保證它能安全行駛；而用在航空航天器中的芯片，不僅要承受星球上可能是最極端的環(huán)境，還要時(shí)刻經(jīng)受宇宙外界射線的威脅。

芯片的等級劃分其實(shí)就是對芯片應(yīng)用環(huán)境惡劣程度的劃分。我們常見的芯片通常被分為四類，民用級（消費(fèi)級）、工業(yè)級、汽車級與軍用級（航天級）。目前我們能接觸到的最高規(guī)格芯片就是車規(guī)級芯片。與消費(fèi)級芯片相比，車規(guī)級芯片可以耐受更極端的溫度與使用環(huán)境。

既然軍工級、車規(guī)級芯片這么厲害，那讓所有芯片都盡量符合高等級芯片的標(biāo)準(zhǔn)不就行了？

芯片分級可沒那么簡單，它其實(shí)涉及了電路設(shè)計(jì)、制造流程到芯片最終封測挑選的全部過程，高規(guī)格芯片也不一定適用其他等級的環(huán)境。首先，規(guī)格越高的芯片往往意味著其價(jià)格越高，為了不可能存在的應(yīng)用場景付費(fèi)會(huì)降低芯片的性價(jià)比。而且并不是芯片等級越高處理速度就越快，有時(shí)芯片為了在面對特殊的應(yīng)用場景時(shí)不會(huì)宕機(jī)還會(huì)犧牲部分性能。

不同等級芯片要求 圖源：CSDN

根據(jù)上圖表格，我們可以看出這幾類芯片的區(qū)別。簡單來看，等級規(guī)格越高的芯片，可以耐受的溫度范圍也就越廣，相對應(yīng)的芯片制造難度也就越高。同樣都是芯片，為什么只有一部分能做到軍工級呢？

芯片的冗余設(shè)計(jì)

形容一件事情的風(fēng)險(xiǎn)大小往往通過其容錯(cuò)率解釋。而容錯(cuò)率在芯片制造的流程中通常為冗余性設(shè)計(jì)。

冗余性設(shè)計(jì)簡單來說，就是通過增加資源投入換取芯片的可靠性。

芯片中存在冗余電路并不是浪費(fèi)，因?yàn)樾酒枰诿鎸ξ粗蝿?wù)的時(shí)候要做充分準(zhǔn)備，減少特殊情況下宕機(jī)的可能性。芯片設(shè)計(jì)專家對冗余電路做出解釋：“我們可以定制系統(tǒng)在處理器和內(nèi)存之間擁有足夠的緩沖，這樣即使內(nèi)存被最大程度地加載，并且處理器和內(nèi)存之間的事務(wù)流量有最大的延遲，那么處理器可以覆蓋許多事務(wù)問題”。一定的冗余緩存可以在處理大規(guī)模并行任務(wù)的時(shí)候不至于在內(nèi)存溢出時(shí)宕機(jī)。此外，對于內(nèi)存進(jìn)行冗余性設(shè)計(jì)也可以做到同樣的效果。

當(dāng)然，設(shè)計(jì)冗余電路也不是簡單的復(fù)制粘貼。例如芯片廠可以增添某些處理流程中的處理能力余量，例如上文提到的冗余內(nèi)存、緩存，這可以讓芯片及時(shí)處理緩沖時(shí)序問題以及處理可能存在的變化；冗余也可以是選用成熟度較高的IP核，盡管它不一定是運(yùn)算速度最快的，但能最大程度提高可靠性；冗余還可以讓處理器在運(yùn)算某些算法是采取穩(wěn)定策略而不是效率策略，盡可能避免運(yùn)算出錯(cuò)帶來的危害。

總的來說，冗余并不是多余。業(yè)內(nèi)自動(dòng)駕駛領(lǐng)域工程師曾指出：“設(shè)計(jì)的許多方面都是經(jīng)驗(yàn)法則。他們可能會(huì)要求預(yù)留 30%的余量，來提供一個(gè)時(shí)序緩沖。這可以在物理設(shè)計(jì)中處理遇到的異常情況。這種余量絕不是浪費(fèi)，更像是物理設(shè)計(jì)或過程關(guān)鍵問題的保險(xiǎn)?！?/p>

特殊封裝讓芯片可靠性更強(qiáng)

今年北京時(shí)間2月9日，SpaceX表示，該公司于2月3日發(fā)射的一批49顆星鏈衛(wèi)星，有40顆因受地磁暴影響而已經(jīng)或?qū)⒁诖髿鈱訅嫐?。SpaceX給出的說法是，衛(wèi)星發(fā)射后收到磁爆影響，發(fā)射地大氣密度增大，衛(wèi)星升空阻力增加，部分衛(wèi)星因此脫軌。

事實(shí)上，衛(wèi)星、火箭等航空航天器搭載的芯片所面臨的威脅遠(yuǎn)不止這些。沒有了大氣層的保護(hù)，地磁爆、太陽風(fēng)暴、宇宙射線等都將影響芯片正常工作，而且面對這些威脅，無論在前期設(shè)計(jì)做了多少努力都無法解決。這時(shí)就需要對芯片進(jìn)行特殊保護(hù)來隔離外部環(huán)境。

一塊單晶硅最終變成我們使用芯片之前，要經(jīng)過設(shè)計(jì)、制造、封裝、測試等環(huán)節(jié)。封裝的左右之一就是保護(hù)內(nèi)部脆弱的晶片免受外界環(huán)境影響。

以航天級芯片為例。普通消費(fèi)級芯片使用塑料封裝就可以達(dá)到足夠的保護(hù)效果，而航天級往往使用陶瓷或金屬進(jìn)行封裝，封裝外表也會(huì)電鍍一層黃銅，用來隔離宇宙射線與高溫環(huán)境。為了減少射線在造成的繼發(fā)影響，在封裝時(shí)還會(huì)充入特殊氣體。

目前車規(guī)級是消費(fèi)者能見到的最高規(guī)格的芯片。從車規(guī)級要求來看，它的工作溫度要求達(dá)到-40℃到125℃，還需要具有防雷、防潮、防震等性能。所以車規(guī)級芯片往往在封裝時(shí)要考慮到散熱與密封性問題。目前汽車芯片較多采用SIP封裝，將大部分對計(jì)算穩(wěn)定性需求大的模塊集成在一起統(tǒng)一進(jìn)行封裝保護(hù)，也同時(shí)減少了不同模塊之間通信的距離，減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)受到影響的可能性。

嚴(yán)格的審查機(jī)制

其實(shí)，無論是工業(yè)級、車規(guī)級還是軍工航天級芯片，在做到前期多輪準(zhǔn)備后，最后都要進(jìn)行嚴(yán)格的挑選與測試。各等級芯片不是芯片廠商生產(chǎn)出來自封的，需經(jīng)國內(nèi)有關(guān)部門審批后確定等級。

車規(guī)級芯片的多輪測試 圖源：九章智駕

近年來電動(dòng)汽車領(lǐng)域增長迅速，無人駕駛技術(shù)也在逐漸普及，市場對于車載芯片的需求也愈發(fā)火熱。這里以討論最多的車規(guī)級芯片舉例，它與普通的消費(fèi)級芯片相比需要經(jīng)過多輪需求管理、安全關(guān)鍵設(shè)計(jì)、功能故障仿真、審查和報(bào)告以及第三方評估的安全認(rèn)證。根據(jù)新版IOS 26262-2018標(biāo)準(zhǔn)的定義，功能安全是指不存在由于電氣和電子系統(tǒng)故障行為引起的危險(xiǎn)而造成的不合理風(fēng)險(xiǎn)。包括IP在內(nèi)的所有汽車產(chǎn)品必須滿足該新標(biāo)準(zhǔn)所定義的功能安全要求。針對對功能安全可靠性測試的主要是AEC驗(yàn)證。

AEC全稱汽車電子協(xié)會(huì)(Automotive Electronics Council)，是1993年美國三大公司克萊斯勒、福特和通用發(fā)起建立的可靠、高質(zhì)量電子元器件標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，旨在建立可靠、高質(zhì)量電子元器件的通用標(biāo)準(zhǔn)。AEC的成員分為兩種，一種是永久成員，通常為車輛公司，一種是技術(shù)成員，一般是芯片公司。AEC提供測試平臺，芯片在流片后必須經(jīng)過AEC-Q系列測試環(huán)節(jié)才能通過車規(guī)級驗(yàn)證。因此，AEC-Q測試也稱為芯片前裝上車的“基本門檻”。

有了測試就需要有結(jié)果，芯片經(jīng)過測試后會(huì)得出該批次的整體通過率，也就是良率，良率決定了芯片最終的分級范圍。依據(jù)DPPM（Defect part per million 每百萬缺陷機(jī)會(huì)中的不良品數(shù)）標(biāo)準(zhǔn)，消費(fèi)芯片小于500，車規(guī)為0~10個(gè)缺陷。工規(guī)介于兩者之間，具體要求會(huì)隨著客戶需求微調(diào)。

總結(jié)

目前芯片大約分為四個(gè)等級，消費(fèi)級、工業(yè)級、車規(guī)級與軍工（航天）級。不同等級與規(guī)格的芯片從設(shè)計(jì)到封裝、測試階段，都有著不同的要求，使用場景也有較大不同?？偟膩砜?，規(guī)格越高的芯片，芯片冗余性設(shè)計(jì)越多，封裝越嚴(yán)密，測試過程也越復(fù)雜嚴(yán)格。