设计弹性电子

电子系统在汽车、飞机和其他工业应用正变得越来越复杂和复杂,需要执行一个扩展列表的功能,同时也变得更小、更轻。因此,日益增长的压力设计极高性能芯片与降低能源消耗和减少敏感性恶劣的环境条件。

如果这听起来很困难,它变得更加困难。过去,许多这些系统依靠芯片开发的节点或年长的过程,在汽车和飞机、机械系统。但随着越来越多的数据生成和处理更广泛的操作条件下,特别是对于关键任务和高安全性的应用程序时,整个半导体生态系统驱动开发更有弹性的IC设计从极热和极冷到长生命周期和更高的使用率在这一生。

“汽车电子半导体必须满足更为严格的要求,包括扩展的温度范围,健壮性和设备功能安全认证(ISO 26262),”弗兰克说,铁的产品营销高级总监IP核Rambus。“从一个IP设计的角度来看,从开始使用设备可靠性是建立模型扩展温度和老化。如果需要,在汽车等应用程序,潜在点故障识别和纠正与容错电路,和在某些情况下,多余的功能,”他说。

弹性的概念已经存在了一段时间,特别是在纠错的记忆。但开发芯片,可以优雅地故障转移到其他芯片需要一个完整的生态系统,从半导体(合格的流程节点),设备包装、基础半导体IP认证机构,确保遵从性。

所有垂直系统复杂性增加包括工业自动化、汽车和航空、资深的技术战略总监尼尔·斯特劳德说手臂的汽车和物联网业务。“从历史上看,许多必需的元素已经被“单一功能”这意味着他们消耗更多的物理空间和重量,以及消耗更多的电力。来帮助管理物理空间、重量和功耗,我们正开始看到这些函数是合并的趋势。”

例如,在汽车ECU的被整合到域控制器。航空电子设备从单核过渡到多核soc。和制造业是组合多个自动化等功能可编程逻辑控制器、人机接口和安全功能集中到一个单一的盒子。

“这自然驱动需要计算加上高安全完整性水平增加,同时导致规模更小的发展和要求比较低功耗和热设计,”斯特劳说。“设计一个同步功能在应用程序的cpu是一个很好的例子解决这个挑战,和手臂继续与生态系统密切合作来解决这些挑战。严酷的环境条件下添加一个额外的向量来设计,这些可以增加额外的措施中添加硅发展阶段。”

传统上,可靠性和风险缓解意味着添加guardbanding确保需求被维护。但随着越来越多的这些芯片搬到先进的几何图形,这不再是一个可行的解决方案。

“你不想支付数千万美元开发最新半导体芯片的节点,然后失去了很大一部分的性能通过传统guardbands和权力优势,”Richard McPartland说技术营销经理Moortec。“操作与长寿命进一步增加了维度在严酷的环境下,这个问题,“

McPartland指出,一个关键的设计技术用于解决这些问题是嵌入芯片的显示器给芯片上的可见性条件。“这是关键的一步,它使优化,性能和/或可靠性提出的新硅,后来在任务模式。的日子一去不复返了包括一个温度传感器和假设一切都会好的。最新的finFET设计通常包括数万温度和电压传感器+过程速度探测器、监控条件在关键电路在死去。当然,设计师模拟和签署的性能,但如此多的电路是其中最,最坏的情况很难预测和现实中那些模拟明显不同。嵌入芯片的监控越来越被视为标准设计实践先进的半导体,特别是finFET节点,应考虑早期设计流程。这是一个关键的一步最小化警卫队乐队和优化。”

工业的担忧
弹性包括远远超过一个特定的功能或门IP块然而,。功能芯片是没有价值的,如果数据流中断在任何一个系统。

“虽然通信技术大大发展和改进在过去的几十年里,重点普遍将越来越多的数据在指定的电线,如以太网或光纤或无线WiFi或LTE等,“解释Zeev科林通讯产品副总裁Adesto技术。“在许多情况下,工业通信必须进行不友好的环境中如地下,或者屏蔽结构。可能没有任何控制其他设备连接到相同的媒体,如电线的情况下,一个受欢迎的媒体工业连接。”

尽管工业通信速度要求一般要求比在世界消费者,典型的环境并不理想可靠的通信。此外,现有系统没有设计时考虑到通信需求。通常是没有专用的高性能连接可用。

进一步,有不同的考虑消费设备由于恶劣的自然环境和通讯的模式,比如稳定的流量和破裂的信息,使用各种协议,更多样的干扰来源。还有一个需要管理的色调通过添加切口和其他干扰和脉冲噪声滤波和冗余技术。

“改善性能可以通过调整实现现代技术处理噪音典型介质,”科林说。“与许多无线通信实现定义的敏感性,电力线是更容易的色调噪声来源,如开关电源连接到媒体,以及脉冲噪声引入的打开和关闭工业设备。XXR (Adesto嘈杂的环境)的解决方案有效地处理这样的噪音概要文件通过将多达4个独立通道(运营商)在操作范围。位置选择的渠道可以单独基于噪声和阻抗的环境,和通道可用于冗余发送相同的数据,结合在接收端。正确的数据接收一次只需要一个很好的通道保持通信。结合冗余、频率灵活性和纠错编码,我们可以避免已知的和可变频率相关干扰发射机的电力线提供最可靠的通信协议,实现延长到几公里范围。”

工业控制等其他领域也有非常严格的弹性需求。”核电站的工业控制系统,例如,继续操作,即使有一个冷却系统失败,”罗恩DiGiuseppe说,高级战略营销经理Synopsys对此。“所以他们需要完全有弹性,这样如果冷却系统的一部分失败,有一个备份系统。”

弹性在汽车
有这么多集中在电气化汽车内的生态系统,有一个巨大的关注与车辆、韧性和汽车的设计基础设施系统。安全性、可靠性和质量是韧性的主要目标。

“弹性适用于系统的能力继续操作空间的某种中断,这是一个小的汽车安全运行的目标。我们必须区分“DiGiuseppe说。“这意味着全系统弹性后完整的操作维护系统的某种破坏。这是一个单独的目标继续安全运行。汽车的上下文中IP段,是有区别的,全系统弹性和安全操作。”

例如,在汽车,众所周知,如果有失败,有多个响应失败,可连续操作,部分操作,或某种形式的安全状态。全面运作的失败不是安全汽车的100%的目标,他指出。

汽车更像“安全风险最小化由于危害如果有某种故障。官方的定义是没有不合理的风险危害,这就是我们要在安全管理——汽车或系统如何回应的危险,以及是否造成不合理的风险,”DiGiuseppe说。”然后响应,可以继续操作,像一个完全弹性系统。它可以控制系统进入安全状态,这与全系统弹性有点不同。进入一个安全的国家可以像一个自主车辆拉到路边,关闭本身。应对风险的进入一个安全的国家,这是一个小系统的弹性不同,和完整的连续操作。所以是有区别的韧性和管理安全。我们的客户100%专注于为汽车开发的产品,特别是在安全至上的系统。一些系统在车上不安全性至关重要,但对于那些符合功能安全标准ISO 26262,这是一个很大的关注,这是一个需求从我们的客户,他们想要的产品我们开发进入汽车供应链符合ISO 26262标准。”

弹性的水平需要的是另一个需要考虑的因素。

“汽车,这是一个两步的过程,”他说。“一个是早一步设置安全目标,确定如果系统安全性至关重要的临界量。有一个早期的安全审查。这是需要ASIL水平。ASIL两个函数,设置安全的目标,并测量你已经完成了这个目标。在早期阶段,它的定义目标,然后定义系统的安全要求,然后执行的安全要求,如设计安全机制。所以第一步与其说是执行计划的,但是设置一个安全计划,设置安全目标,设置这些安全要求。这一系列步骤更系统化的方法。”

此外,安全性和弹性有两个方面。一个是系统方面,遵循的开发流程,DiGiuseppe继续说道。“首先你必须定义一个安全开发流程。然后,你必须有一个系统以保证设计团队遵循这些安全流动。这些通常是质量管理体系。这是一个需要有这些流,这是一个系统的要求。连接到这个,应该有一些监控以确保随后的流,通常由一个质量管理体系”。

之后是安全的执行计划,这是实际设计的安全机制中设置目标和需求在早些时候那些计划阶段。执行的一部分应该检查的安全水平。如果它是一个中层ASIL,重要的是多大的风险在系统造成伤害。这是其他方面的安全,即是否有风险,可能会对公众造成伤害,司机或任何相关的系统。

多维,multi-physics问题
确保所有的工作计划是一个多维的挑战。今天,与三级自动化、电子占总成本的30%。这一数字可能升至5级自动化的总成本的50%,据有限元分析软件。自动驾驶和半自治的汽车将依赖越来越多的电子传感器,如雷达、激光雷达、超声波融合照相机和传感器,将提供360°监视和目标识别和分类,防止事故,确保操作的可靠性。

大量的传感器收集的数据必须实时处理,动态和必须做出决策。例如,汽车安全系统需要区分是否有浣熊的前面的汽车在一个下雨的晚上或吹风滚草。这必须决心以毫秒为单位。

图1:自主车的概念。来源:有限元分析软件

这些复杂的系统已经安装在半自治的车辆,以及早期全自动车辆。但是这些非常复杂的系统设计和验证可能是更复杂的系统本身,因为他们需要包括系统应该做什么,而占电迁移,静电放电、热可靠性统计EM预算、电气过分强调,老化和功能安全。

结论
汽车电子系统的转换从一个芯片,封装和电路板的角度来看,随着航空电子设备的日益成熟,工业自动化,网络应用——弹性设计只是变得更具挑战性。前进的道路必须包括设计挑战的理解、计划和系统实现弹性和小说芯片级的方法。添加到列表的新方法利用IP安全性和安全性和实施正确的工具来覆盖所有场景。

即使这样子在未来五年内仍有待观察。随着系统的发展,要求如何防止系统崩溃,导致其他问题。即使弹性的概念可能会改变在各种应用程序与系统进化和越来越自治。但很明显,这一切将成为整个供应链,更具挑战性和需要解决的任务将变得明显困难。