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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，例如普通的消費級芯片，只會在日常溫度下運行，即使卡頓也不會有很大影響；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、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，還要時刻經(jīng)受宇宙外界射線的威脅。
芯片的等級劃分其實就是對芯片應(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準不就行了？
芯片分級可沒那么簡單，它其實涉及了電路設(shè)計、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格越高，為了不可能存在的應(yīng)用場景付費會降低芯片的性價比。而且并不是芯片等級越高處理速度就越快，有時芯片為了在面對特殊的應(yīng)用場景時不會宕機還會犧牲部分性能。
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
形容一件事情的風險大小往往通過其容錯率解釋。而容錯率在芯片制造的流程中通常為冗余性設(shè)計。
冗余性設(shè)計簡單來說，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，因為芯片需要在面對未知任務(wù)的時候要做充分準備，減少特殊情況下宕機的可能性。芯片設(shè)計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)的時候不至于在內(nèi)存溢出時宕機。此外，對于內(nèi)存進行冗余性設(shè)計也可以做到同樣的效果。
當然，設(shè)計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，這可以讓芯片及時處理緩沖時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，盡可能避免運算出錯帶來的危害。
總的來說，冗余并不是多余。業(yè)內(nèi)自動駕駛領(lǐng)域工程師曾指出：“設(shè)計的許多方面都是經(jīng)驗法則。他們可能會要求預(yù)留 30%的余量，來提供一個時序緩沖。這可以在物理設(shè)計中處理遇到的異常情況。這種余量絕不是浪費，更像是物理設(shè)計或過程關(guān)鍵問題的保險?！?/p>
特殊封裝讓芯片可靠性更強
今年北京時間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。
事實上，衛(wèi)星、火箭等航空航天器搭載的芯片所面臨的威脅遠不止這些。沒有了大氣層的保護，地磁爆、太陽風暴、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)計做了多少努力都無法解決。這時就需要對芯片進行特殊保護來隔離外部環(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、制造、封裝、測試等環(huán)節(jié)。封裝的左右之一就是保護內(nèi)部脆弱的晶片免受外界環(huán)境影響。
以航天級芯片為例。普通消費級芯片使用塑料封裝就可以達到足夠的保護效果，而航天級往往使用陶瓷或金屬進行封裝，封裝外表也會電鍍一層黃銅，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，在封裝時還會充入特殊氣體。
目前車規(guī)級是消費者能見到的最高規(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，將大部分對計算穩(wěn)定性需求大的模塊集成在一起統(tǒng)一進行封裝保護，也同時減少了不同模塊之間通信的距離，減少數(shù)據(jù)傳輸時受到影響的可能性。
嚴格的審查機制
其實，無論是工業(yè)級、車規(guī)級還是軍工航天級芯片，在做到前期多輪準備后，最后都要進行嚴格的挑選與測試。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，它與普通的消費級芯片相比需要經(jīng)過多輪需求管理、安全關(guān)鍵設(shè)計、功能故障仿真、審查和報告以及第三方評估的安全認證。根據(jù)新版IOS 26262-2018標準的定義，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而造成的不合理風險。包括IP在內(nèi)的所有汽車產(chǎn)品必須滿足該新標準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驗證。
AEC全稱汽車電子協(xié)會(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)量電子元器件標準的標準化機構(gòu)，旨在建立可靠、高質(zhì)量電子元器件的通用標準。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 每百萬缺陷機會中的不良品數(shù)）標準，消費芯片小于500，車規(guī)為0~10個缺陷。工規(guī)介于兩者之間，具體要求會隨著客戶需求微調(diào)。
總結(jié)
目前芯片大約分為四個等級，消費級、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。總的來看，規(guī)格越高的芯片，芯片冗余性設(shè)計越多，封裝越嚴密，測試過程也越復(fù)雜嚴格。
