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        國產替代正當時|如何選擇靠譜的國產MCU?
        時間:2020-11-20? ? 來源:


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        導語:

        由于美國對高科技的技術封鎖、疫情等因素影響,近期國外MCU開始缺貨,業內人士反映,國際MCU大廠的產品已經全線延期,新排單基本都不接,更有人戲稱芯片的漲幅已超過深圳房價。國產替代的關鍵要素在哪里?如何打造工業級精準可靠的國貨之光?

        近日,芯海科技(股票代碼:688595)資深產品經理王偉做客創易棧直播間,和美女主播sandy搭檔為大家解答這一系列疑問。


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        國產替代看起來很簡單,背后卻需要非常多的條件積累。引腳兼容很重要,但只是“冰山一角”的表象,如果要做一個長期使用的產品,還必須從品質保障、供貨能力、系統運營效率、開發生態、芯片可靠性、時鐘穩定性、抗干擾能力、ADC性能、工具鏈…等因素去綜合考慮。


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        質量優勢,產品品質可靠


        我國集成電路產業起步較晚,核心技術缺失,本土設計能力不足,導致我國芯片大量需求主要依賴進口,整體發展水平相比西方發達國家差距較大,國產替代,產品性能是前提芯海科技經過多年的發展,積累了豐富的研發經驗,擁有專業的技術和管理團隊,具備市場、人員、技術、管理經驗等方面的相應儲備,在同一領域產品性能處于領先地位。



        ◆ 什么是真正的引腳兼容?


        首先引腳兼容不僅僅是引腳定義一致,其實還有很多隱含的指標。在設計能力或者設計架構上,在設計、對標的時候往往會有細微的差異,比如國產替代中某廠商內部的電源需要外部電路來輔助穩定,而國外的不需要這個元器件,所以多占用了一個引腳,這就導致板子用不了,必須單獨畫一個電路去加一個電容做處理,雖然說改動不是特別大,但會把替換周期拉的特別長。


        第二個就是一些隱含的電器特性,比如說反向耐壓,F030/031的一個關鍵特性是VDD=3.3V時,IO支持5V輸入,如果不支持特性,容易引起電流倒灌,影響可靠性。所以大家一定要注意有沒有用到這種場景,有的話用的芯片有沒有這個功能。


        第三個就是功耗,在功耗上各家設計及工藝是有差異的。功耗過大帶來的影響:1. 超出硬件設計范圍,影響穩定性;2.發熱、影響性能和可靠性;3.在電池應用中,縮短電池壽命。芯海科技從架構、工藝、設計角度等功耗特性看,跟友商比略勝一籌。


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        引腳兼容并不是封裝尺寸一樣或者定義一樣,而是背后的電氣特性、性能等要保持一致。



        ◆ 12位ADC與12位ADC一樣么?


        大家標的都是12位ADC,但差別特別大,下圖可以很明確看出分辨率和精度的區別。A的打靶正態分布平均值是偏的,而且非常離散,稱為分辨率和精度低;B圍繞靶心,分布很準,精度不錯,但是分辨率不夠,所以打不到10環;C非常密集,打得很準,但都打偏了,它的分辨率很高,但是精度不夠;有些廠商宣傳ADC12位甚至16位,但它只提升了分辨率,沒有提升精度,出來效果也是沒有保障的;D是真正分辨率高、精度高特性的ADC,密度集中準確。


        精度與分辨率區別.jpeg


        么反映ADC的精度,可以重點關注這幾個指標:第一個指標是絕對誤差,指產品在不校準狀態下的誤差,可以反映ADC的基本特性;第二個指標失調誤差(Offset);第三個指標增益誤差,增益誤差來源于放大系數,可以簡單理解為一個斜率偏差;第四個指標差分非線性(DNL),每兩個碼值之間的最大偏差;第五個指標積分非線性(INL),是最重要的指標,也是反映ADC精度最基本的指標,INL指標好的ADC,其它參數基本不會太差。


        INL指標.jpeg


        芯海科技的INL可以做到1.2LSB,也就是說一個12位的ADC,在測量過程中經過校準調整后精度可以達到11位甚至更好的性能,換算后可以到11.5A甚至更高的指標。同樣一個ADC,同行做的可能是8位9位,因為品質有保障,無論是測電壓還是電流,如果用的是我們的ADC就比較放心。



        ◆ ESD指標能否代表可靠性?


        產品質量、可靠性非常重要,有些企業在宣傳可靠性時會說產品ESD是多少伏,ESD指標能否代表可靠性呢?可靠性有非常多的因素,并不是僅僅一個ESD就能代表,ESD僅僅代表靜態防靜電能力,譬如HBM、MM、CDM,代表IC靜態防靜電的能力。在規范的生產環境中,2kV可以滿足需求;在不規范的生產環境中,一般4kV可以保障過程中不會損壞。國外的ESD參數都會寫2000伏,因為國外客戶的生產環境非常規范,2000伏就能滿足基本需求,在國內2000伏其實是不夠的,需要加一些保護器件,基本上4000伏就能保證整個生產過程不會有損壞,良率有保障。過高的ESD可能有用,但它并不能代表產品真正的可靠,除了ESD外,還需從功能安全、溫度特性(在工作溫度下能不能保證可靠工作,關鍵模塊在溫度變化后指標準不準)、可靠測量(在惡劣環境下ADC精度是否有保障)、封裝可靠性、板級可靠性等方面綜合考量。


        ESD.jpeg


        CS32F030是比較典型的功能安全產品,做了非常多的可靠性設計(關鍵寄存器保護、Flash儲存保護、SRAM儲存保護、時鐘保護、看門狗、ADC可靠測量、IO電平自檢)。關鍵寄存器的保護:在執行ESD時,可能無法完全排除的靜電干擾正好把計算器打改寫了,如果沒有做處理的話會導致整個系統出錯,而且不知道出現什么樣的錯誤,所以我們在很多關鍵計算機上做了保護,防止改寫,即使被改寫也能夠知道,軟件可以進行相應的處理。儲存保護:我們的flash內部是做了硬件校驗的,也可以內置的CRC模塊來做軟件的校驗,可以知道程序在里面有沒有錯。做IC沒有100%完全可靠,不出任何錯誤是不存在的,零缺陷要通過芯片的很多措施來保障。時鐘保護:時鐘是MCU非常關鍵一環,時鐘出了錯,芯片再好也沒有用,我們做了時鐘和檢測的裝置,大家在設計的時候用外部時鐘,如果時鐘停振或失效時可以去到內部時鐘做一些基本安全處理,比如碼頭在轉的時候可以讓它慢慢停下來,不會造成安全事故。


        功能安全.jpeg


        環境溫度是指外部環境的溫度;芯片是有封裝的,散熱有一個過程,內外可能會存在溫差,結溫可以理解為內部晶圓的溫度。我們的芯片全系列都是按結溫125℃設計的,CS32F030/031全系列支持105℃工作溫度和125℃結溫,保證在高可靠性的環境下工作,在量產中每個芯片都會做110度的高溫測試,保證芯片的可靠性。


        沒有外掛晶振,使用內部時鐘的情況下,內部時鐘就會有一個溫度特性,因為內部時鐘都是電阻電容這種電路搭起來的,比如一個8兆的內部時鐘可能在25℃是7.99兆,但是到了85℃的時候,會有漂移。我們在做時鐘設計的時候,做了很多溫度補償、防止溫漂的一些特性,包括電壓補償的一些電路在里面,讓溫度特性特別好。通過抗溫漂設計,CS32F031的內部時鐘溫漂控制在1%以內,滿足UART等通訊的要求,并有效減少時鐘漂移帶來的測量誤差。可能有人會好奇就跑個程序,精度高有什么用,比如說異步通訊,一旦你的時鐘偏了,超出一個有效范圍,其實你的通訊就失敗了。


        ADC測量的時候會用到內部的一個基準來去做一個比較,如果沒有外部基準的話,內部基準的這些溫度特性就代表了你的測試精準度。我們的基準是按60PPM去做的,電壓每攝氏度不超過60個PPM指標偏差,國內有的是100,有的是200,有的不標,但在測量中其實是非常重要的一點。


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        可靠性是有非常多環節來保證的,芯海科技的可靠性都是從需求出發,像客戶需求、行業標準、內部標準來具體分解。所有產品都會做芯片級的測試,包括MSL、uHAST,板級的HTOL,這些測試成本非常高,測一個循環可能需要十幾萬甚至更高的成本。MCU芯片研發過程中投片其實只占很小一部分,在設計、可靠性這塊投入成本非常大。我們有很詳細的管理流程、可靠性測試指標,會根據工業的、手機的類別不同有所區分定制,根據多年積累、客戶交流、行業特性來做策略。


        可靠性不僅僅是ESD體系來保證的,芯海科技在可靠性測試的質量管控非常嚴格,與公司主航道主要業務領域主流經銷商均已建立深度戰略合作,通過行業一流客戶、領軍企業的嚴格認證,構建了良好的客戶關系,選擇我們的產品質量有保證。


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        ◆ 100%測試可以保障質量么?


        芯片的量產100%測試是一個偽概念,芯片每一個都測了,這是第一個100%,規格書列定的范圍都測了,這是第二個100%,隨著芯片規模越來越大,不可能100%測試。量產測試只是質量保證中最后一個執行環節,更重要的是整個的體系的保障。


        回歸到執行層面的生產管理體系,我們會有一個全流程的管控,從晶圓流片開始,晶圓做任何產品都不是100%穩定的,會有一些工藝偏差,我們會對這種工藝偏差做實時監控,從最源頭防止質量異常。CP、封裝、FT+DS,包含倉儲的質量管理、出貨流程管理上會有一系列的管控。我們內部有個口號“質量是設計出來的”,質量不是測試出來的,整個研發過程從需求階段一直會對質量做管控,芯海科技有17年的經驗庫沉淀,把歷史經驗都迭代到每一代產品中。


        質量是一個系統的工程,我們的質量管控不僅僅是靠測試來保證產品的質量,從管理層到執行層到各種評審,通過系統的管理措施來保證,是比100%測試更高的的質量管控,產品質量可靠。



        供貨保障,持續交付能力


        芯片晶圓加工、封裝、測試整個過程需要4~6個月,目前受國際形勢及疫情影響,周期更長。交付能力對半導體企業的資金實力、供應鏈管理能力、系統運營效率有極高要求。芯海科技通過優秀的供應鏈的管理體系建設,從需求管理、庫存計劃、供應執行上構筑供應保障的三道防線。需求管理是第一道防線,根據正常情況下客戶的需求做預估,甚至多做一些預測去備貨第二道防線是庫存計劃,在很早就預計到并制定安全庫存計劃,建立安全庫存。第三道防線是內部的一系列管理體系,調動資源,發揮供應鏈的戰斗力。三道防線聯合發力才能夠保障在異常情況下交貨,解決大家擔心的供貨問題。


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        作為電子產品的大腦和心臟,MCU 芯片是信息安全的基石,是守衛國家安全的基礎保障,在全球貿易保護和西方國家對華芯片出口封鎖的環境下,中國科技企業必須拿出解決方案。芯海科技作為集感知、計算、控制于一體的全信號鏈芯片設計頭部企業,17年來一直以工業級標準打磨產品,在MCU領域已有領域已有十余年的積累,對高精度ADC及高可靠MCU技術有著深刻理解,掌握了全信號鏈芯片設計技術并構建了完善的開發生態。未來芯海科技將專注于高精度ADC、高性能MCU、測量算法以及物聯網一站式解決方案的研發設計,持續深耕信號鏈芯片領域,充分發揮ADC+MCU雙平臺優勢,給未來國產替代帶來更大想象空間

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