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国产替代正当时|如何选择靠谱的国产MCU?
时间:2020-11-20    来源:


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导语:

由于美国对高科技的技术封锁、疫情等因素影响,近期国外MCU开始缺货,业内人士反映,国际MCU大厂的产品已经全线延期,新排单基本都不接,更有人戏称芯片的涨幅已超过深圳房价。国产替代的关键要素在哪里?如何打造工业级精准可靠的国货之光?

近日,芯海科技(股票代码:688595)资深产品经理王伟做客创易栈直播间,和美女主播sandy搭档为大家解答这一系列疑问。


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国产替代看起来很简单,背后却需要非常多的条件积累。引脚兼容很重要,但只是“冰山一角”的表象,如果要做一个长期使用的产品,还必须从品质保障、供货能力、系统运营效率、开发生态、芯片可靠性、时钟稳定性、抗干扰能力、ADC性能、工具链…等因素去综合考虑。


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质量优势,产品品质可靠


我国集成电路产业起步较晚,核心技术缺失,本土设计能力不足,导致我国芯片大量需求主要依赖进口,整体发展水平相比西方发达国家差距较大,国产替代,产品性能是前提芯海科技经过多年的发展,积累了丰富的研发经验,拥有专业的技术和管理团队,具备市场、人员、技术、管理经验等方面的相应储备,在同一领域产品性能处于领先地位。



◆ 什么是真正的引脚兼容?


首先引脚兼容不仅仅是引脚定义一致,其实还有很多隐含的指标。在设计能力或者设计架构上,在设计、对标的时候往往会有细微的差异,比如国产替代中某厂商内部的电源需要外部电路来辅助稳定,而国外的不需要这个元器件,所以多占用了一个引脚,这就导致板子用不了,必须单独画一个电路去加一个电容做处理,虽然说改动不是特别大,但会把替换周期拉的特别长。


第二个就是一些隐含的电器特性,比如说反向耐压,F030/031的一个关键特性是VDD=3.3V时,IO支持5V输入,如果不支持特性,容易引起电流倒灌,影响可靠性。所以大家一定要注意有没有用到这种场景,有的话用的芯片有没有这个功能。


第三个就是功耗,在功耗上各家设计及工艺是有差异的。功耗过大带来的影响:1. 超出硬件设计范围,影响稳定性;2.发热、影响性能和可靠性;3.在电池应用中,缩短电池寿命。芯海科技从架构、工艺、设计角度等功耗特性看,跟友商比略胜一筹。


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引脚兼容并不是封装尺寸一样或者定义一样,而是背后的电气特性、性能等要保持一致。



◆ 12位ADC与12位ADC一样么?


大家标的都是12位ADC,但差别特别大,下图可以很明确看出分辨率和精度的区别。A的打靶正态分布平均值是偏的,而且非常离散,称为分辨率和精度低;B围绕靶心,分布很准,精度不错,但是分辨率不够,所以打不到10环;C非常密集,打得很准,但都打偏了,它的分辨率很高,但是精度不够;有些厂商宣传ADC12位甚至16位,但它只提升了分辨率,没有提升精度,出来效果也是没有保障的;D是真正分辨率高、精度高特性的ADC,密度集中准确。


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么反映ADC的精度,可以重点关注这几个指标:第一个指标是绝对误差,指产品在不校准状态下的误差,可以反映ADC的基本特性;第二个指标失调误差(Offset);第三个指标增益误差,增益误差来源于放大系数,可以简单理解为一个斜率偏差;第四个指标差分非线性(DNL),每两个码值之间的最大偏差;第五个指标积分非线性(INL),是最重要的指标,也是反映ADC精度最基本的指标,INL指标好的ADC,其它参数基本不会太差。


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芯海科技的INL可以做到1.2LSB,也就是说一个12位的ADC,在测量过程中经过校准调整后精度可以达到11位甚至更好的性能,换算后可以到11.5A甚至更高的指标。同样一个ADC,同行做的可能是8位9位,因为品质有保障,无论是测电压还是电流,如果用的是我们的ADC就比较放心。



◆ ESD指标能否代表可靠性?


产品质量、可靠性非常重要,有些企业在宣传可靠性时会说产品ESD是多少伏,ESD指标能否代表可靠性呢?可靠性有非常多的因素,并不是仅仅一个ESD就能代表,ESD仅仅代表静态防静电能力,譬如HBM、MM、CDM,代表IC静态防静电的能力。在规范的生产环境中,2kV可以满足需求;在不规范的生产环境中,一般4kV可以保障过程中不会损坏。国外的ESD参数都会写2000伏,因为国外客户的生产环境非常规范,2000伏就能满足基本需求,在国内2000伏其实是不够的,需要加一些保护器件,基本上4000伏就能保证整个生产过程不会有损坏,良率有保障。过高的ESD可能有用,但它并不能代表产品真正的可靠,除了ESD外,还需从功能安全、温度特性(在工作温度下能不能保证可靠工作,关键模块在温度变化后指标准不准)、可靠测量(在恶劣环境下ADC精度是否有保障)、封装可靠性、板级可靠性等方面综合考量。


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CS32F030是比较典型的功能安全产品,做了非常多的可靠性设计(关键寄存器保护、Flash储存保护、SRAM储存保护、时钟保护、看门狗、ADC可靠测量、IO电平自检)。关键寄存器的保护:在执行ESD时,可能无法完全排除的静电干扰正好把计算器打改写了,如果没有做处理的话会导致整个系统出错,而且不知道出现什么样的错误,所以我们在很多关键计算机上做了保护,防止改写,即使被改写也能够知道,软件可以进行相应的处理。储存保护:我们的flash内部是做了硬件校验的,也可以内置的CRC模块来做软件的校验,可以知道程序在里面有没有错。做IC没有100%完全可靠,不出任何错误是不存在的,零缺陷要通过芯片的很多措施来保障。时钟保护:时钟是MCU非常关键一环,时钟出了错,芯片再好也没有用,我们做了时钟和检测的装置,大家在设计的时候用外部时钟,如果时钟停振或失效时可以去到内部时钟做一些基本安全处理,比如码头在转的时候可以让它慢慢停下来,不会造成安全事故。


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环境温度是指外部环境的温度;芯片是有封装的,散热有一个过程,内外可能会存在温差,结温可以理解为内部晶圆的温度。我们的芯片全系列都是按结温125℃设计的,CS32F030/031全系列支持105℃工作温度和125℃结温,保证在高可靠性的环境下工作,在量产中每个芯片都会做110度的高温测试,保证芯片的可靠性。


没有外挂晶振,使用内部时钟的情况下,内部时钟就会有一个温度特性,因为内部时钟都是电阻电容这种电路搭起来的,比如一个8兆的内部时钟可能在25℃是7.99兆,但是到了85℃的时候,会有漂移。我们在做时钟设计的时候,做了很多温度补偿、防止温漂的一些特性,包括电压补偿的一些电路在里面,让温度特性特别好。通过抗温漂设计,CS32F031的内部时钟温漂控制在1%以内,满足UART等通讯的要求,并有效减少时钟漂移带来的测量误差。可能有人会好奇就跑个程序,精度高有什么用,比如说异步通讯,一旦你的时钟偏了,超出一个有效范围,其实你的通讯就失败了。


ADC测量的时候会用到内部的一个基准来去做一个比较,如果没有外部基准的话,内部基准的这些温度特性就代表了你的测试精准度。我们的基准是按60PPM去做的,电压每摄氏度不超过60个PPM指标偏差,国内有的是100,有的是200,有的不标,但在测量中其实是非常重要的一点。


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可靠性是有非常多环节来保证的,芯海科技的可靠性都是从需求出发,像客户需求、行业标准、内部标准来具体分解。所有产品都会做芯片级的测试,包括MSL、uHAST,板级的HTOL,这些测试成本非常高,测一个循环可能需要十几万甚至更高的成本。MCU芯片研发过程中投片其实只占很小一部分,在设计、可靠性这块投入成本非常大。我们有很详细的管理流程、可靠性测试指标,会根据工业的、手机的类别不同有所区分定制,根据多年积累、客户交流、行业特性来做策略。


可靠性不仅仅是ESD体系来保证的,芯海科技在可靠性测试的质量管控非常严格,与公司主航道主要业务领域主流经销商均已建立深度战略合作,通过行业一流客户、领军企业的严格认证,构建了良好的客户关系,选择我们的产品质量有保证。


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◆ 100%测试可以保障质量么?


芯片的量产100%测试是一个伪概念,芯片每一个都测了,这是第一个100%,规格书列定的范围都测了,这是第二个100%,随着芯片规模越来越大,不可能100%测试。量产测试只是质量保证中最后一个执行环节,更重要的是整个的体系的保障。


回归到执行层面的生产管理体系,我们会有一个全流程的管控,从晶圆流片开始,晶圆做任何产品都不是100%稳定的,会有一些工艺偏差,我们会对这种工艺偏差做实时监控,从最源头防止质量异常。CP、封装、FT+DS,包含仓储的质量管理、出货流程管理上会有一系列的管控。我们内部有个口号“质量是设计出来的”,质量不是测试出来的,整个研发过程从需求阶段一直会对质量做管控,芯海科技有17年的经验库沉淀,把历史经验都迭代到每一代产品中。


质量是一个系统的工程,我们的质量管控不仅仅是靠测试来保证产品的质量,从管理层到执行层到各种评审,通过系统的管理措施来保证,是比100%测试更高的的质量管控,产品质量可靠。



供货保障,持续交付能力


芯片晶圆加工、封装、测试整个过程需要4~6个月,目前受国际形势及疫情影响,周期更长。交付能力对半导体企业的资金实力、供应链管理能力、系统运营效率有极高要求。芯海科技通过优秀的供应链的管理体系建设,从需求管理、库存计划、供应执行上构筑供应保障的三道防线。需求管理是第一道防线,根据正常情况下客户的需求做预估,甚至多做一些预测去备货第二道防线是库存计划,在很早就预计到并制定安全库存计划,建立安全库存。第三道防线是内部的一系列管理体系,调动资源,发挥供应链的战斗力。三道防线联合发力才能够保障在异常情况下交货,解决大家担心的供货问题。


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作为电子产品的大脑和心脏,MCU 芯片是信息安全的基石,是守卫国家安全的基础保障,在全球贸易保护和西方国家对华芯片出口封锁的环境下,中国科技企业必须拿出解决方案。芯海科技作为集感知、计算、控制于一体的全信号链芯片设计头部企业,17年来一直以工业级标准打磨产品,在MCU领域已有领域已有十余年的积累,对高精度ADC及高可靠MCU技术有着深刻理解,掌握了全信号链芯片设计技术并构建了完善的开发生态。未来芯海科技将专注于高精度ADC、高性能MCU、测量算法以及物联网一站式解决方案的研发设计,持续深耕信号链芯片领域,充分发挥ADC+MCU双平台优势,给未来国产替代带来更大想象空间