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    • 芯片的冗余设计
    • 特殊封装让芯片可靠性更强
    • 严格的审查机制
    • 总结
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从消费级到航天级,芯片有什么区别?

2022/12/04 作者:刘浩然
阅读需 9 分钟
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芯片,作为所有电子产品的核心,已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。小到手表手环,大到火箭卫星,都离不开芯片的身影。不过各类芯片的工作环境有很大别,例如普通的消费级芯片,只会在日常温度下运行,即使卡顿也不会有很大影响;在工厂中工作的芯片,则可能需要忍受更“艰苦”的环境,例如高湿度、振动、沙尘等;应用在汽车中的芯片则需要保证长期稳定,高速行驶的汽车需要绝对可靠的芯片来保证它能安全行驶;而用在航空航天器中的芯片,不仅要承受星球上可能是最极端的环境,还要时刻经受宇宙外界射线的威胁。

芯片的等级划分其实就是对芯片应用环境恶劣程度的划分。我们常见的芯片通常被分为四类,民用级(消费级)、工业级、汽车级与军用级(航天级)。目前我们能接触到的最高规格芯片就是车规级芯片。与消费级芯片相比,车规级芯片可以耐受更极端的温度与使用环境。

既然军工级、车规级芯片这么厉害,那让所有芯片都尽量符合高等级芯片的标准不就行了?

芯片分级可没那么简单,它其实涉及了电路设计、制造流程到芯片最终封测挑选的全部过程,高规格芯片也不一定适用其他等级的环境。首先,规格越高的芯片往往意味着其价格越高,为了不可能存在的应用场景付费会降低芯片的性价比。而且并不是芯片等级越高处理速度就越快,有时芯片为了在面对特殊的应用场景时不会宕机还会牺牲部分性能。

不同等级芯片要求 图源:CSDN

根据上图表格,我们可以看出这几类芯片的区别。简单来看,等级规格越高的芯片,可以耐受的温度范围也就越广,相对应的芯片制造难度也就越高。同样都是芯片,为什么只有一部分能做到军工级呢?

芯片的冗余设计

形容一件事情的风险大小往往通过其容错率解释。而容错率在芯片制造的流程中通常为冗余性设计。

冗余性设计简单来说,就是通过增加资源投入换取芯片的可靠性。

芯片中存在冗余电路并不是浪费,因为芯片需要在面对未知任务的时候要做充分准备,减少特殊情况下宕机的可能性。芯片设计专家对冗余电路做出解释:“我们可以定制系统在处理器和内存之间拥有足够的缓冲,这样即使内存被最大程度地加载,并且处理器和内存之间的事务流量有最大的延迟,那么处理器可以覆盖许多事务问题”。一定的冗余缓存可以在处理大规模并行任务的时候不至于在内存溢出时宕机。此外,对于内存进行冗余性设计也可以做到同样的效果。

当然,设计冗余电路也不是简单的复制粘贴。例如芯片厂可以增添某些处理流程中的处理能力余量,例如上文提到的冗余内存、缓存,这可以让芯片及时处理缓冲时序问题以及处理可能存在的变化;冗余也可以是选用成熟度较高的IP核,尽管它不一定是运算速度最快的,但能最大程度提高可靠性;冗余还可以让处理器在运算某些算法是采取稳定策略而不是效率策略,尽可能避免运算出错带来的危害。

总的来说,冗余并不是多余。业内自动驾驶领域工程师曾指出:“设计的许多方面都是经验法则。他们可能会要求预留 30%的余量,来提供一个时序缓冲。这可以在物理设计中处理遇到的异常情况。这种余量绝不是浪费,更像是物理设计或过程关键问题的保险。”

特殊封装让芯片可靠性更强

今年北京时间2月9日,SpaceX表示,该公司于2月3日发射的一批49颗星链卫星,有40颗因受地磁暴影响而已经或将要在大气层坠毁。SpaceX给出的说法是,卫星发射后收到磁爆影响,发射地大气密度增大,卫星升空阻力增加,部分卫星因此脱轨。

事实上,卫星、火箭等航空航天器搭载的芯片所面临的威胁远不止这些。没有了大气层的保护,地磁爆、太阳风暴、宇宙射线等都将影响芯片正常工作,而且面对这些威胁,无论在前期设计做了多少努力都无法解决。这时就需要对芯片进行特殊保护来隔离外部环境。

一块单晶硅最终变成我们使用芯片之前,要经过设计、制造、封装、测试等环节。封装的左右之一就是保护内部脆弱的晶片免受外界环境影响。

以航天级芯片为例。普通消费级芯片使用塑料封装就可以达到足够的保护效果,而航天级往往使用陶瓷或金属进行封装,封装外表也会电镀一层黄铜,用来隔离宇宙射线与高温环境。为了减少射线在造成的继发影响,在封装时还会充入特殊气体。

目前车规级是消费者能见到的最高规格的芯片。从车规级要求来看,它的工作温度要求达到-40℃到125℃,还需要具有防雷、防潮、防震等性能。所以车规级芯片往往在封装时要考虑到散热与密封性问题。目前汽车芯片较多采用SIP封装,将大部分对计算稳定性需求大的模块集成在一起统一进行封装保护,也同时减少了不同模块之间通信的距离,减少数据传输时受到影响的可能性。

严格的审查机制

其实,无论是工业级、车规级还是军工航天级芯片,在做到前期多轮准备后,最后都要进行严格的挑选与测试。各等级芯片不是芯片厂商生产出来自封的,需经国内有关部门审批后确定等级。


车规级芯片的多轮测试 图源:九章智驾

近年来电动汽车领域增长迅速,无人驾驶技术也在逐渐普及,市场对于车载芯片的需求也愈发火热。这里以讨论最多的车规级芯片举例,它与普通的消费级芯片相比需要经过多轮需求管理、安全关键设计、功能故障仿真、审查和报告以及第三方评估的安全认证。根据新版IOS 26262-2018标准的定义,功能安全是指不存在由于电气和电子系统故障行为引起的危险而造成的不合理风险。包括IP在内的所有汽车产品必须满足该新标准所定义的功能安全要求。针对对功能安全可靠性测试的主要是AEC验证。

AEC全称汽车电子协会(Automotive Electronics Council),是1993年美国三大公司克莱斯勒、福特和通用发起建立的可靠、高质量电子元器件标准的标准化机构,旨在建立可靠、高质量电子元器件的通用标准。AEC的成员分为两种,一种是永久成员,通常为车辆公司,一种是技术成员,一般是芯片公司。AEC提供测试平台,芯片在流片后必须经过AEC-Q系列测试环节才能通过车规级验证。因此,AEC-Q测试也称为芯片前装上车的“基本门槛”。

有了测试就需要有结果,芯片经过测试后会得出该批次的整体通过率,也就是良率,良率决定了芯片最终的分级范围。依据DPPM(Defect part per million 每百万缺陷机会中的不良品数)标准,消费芯片小于500,车规为0~10个缺陷。工规介于两者之间,具体要求会随着客户需求微调。

总结

目前芯片大约分为四个等级,消费级、工业级、车规级与军工(航天)级。不同等级与规格的芯片从设计到封装、测试阶段,都有着不同的要求,使用场景也有较大不同。总的来看,规格越高的芯片,芯片冗余性设计越多,封装越严密,测试过程也越复杂严格。

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