一、引言

（一）研究背景

在現(xiàn)代科技的快速發(fā)展中，電子系統(tǒng)在高輻射環(huán)境中的應(yīng)用日益廣泛，尤其是在航空航天、核工業(yè)以及軍事裝備等領(lǐng)域。這些領(lǐng)域?qū)﹄娮釉O(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性提出了極高的要求。然而，高輻射環(huán)境中的高能粒子輻射會(huì)對(duì)電子芯片產(chǎn)生嚴(yán)重影響，常見(jiàn)的輻射效應(yīng)包括單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）和單粒子鎖定（SEL）。SEU是指高能粒子撞擊芯片內(nèi)部的敏感區(qū)域，導(dǎo)致存儲(chǔ)單元或邏輯狀態(tài)發(fā)生意外翻轉(zhuǎn)；SEL則是指高能粒子引發(fā)的短路效應(yīng)，可能導(dǎo)致芯片或系統(tǒng)功能異常甚至損壞。

CANFD（Controller Area Network with Flexible Data Rate）作為一種高效的通信協(xié)議，因其靈活的數(shù)據(jù)速率（最高可達(dá)5Mbps）和擴(kuò)展的數(shù)據(jù)幀（最大64字節(jié)）等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為工業(yè)與汽車(chē)領(lǐng)域的主流通信協(xié)議。然而，傳統(tǒng)CANFD芯片的抗輻照能力相對(duì)較弱，難以滿(mǎn)足高輻射環(huán)境的需求。近年來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，抗輻照CANFD芯片逐漸成為研究熱點(diǎn)。

（二）研究目的與意義

本文旨在系統(tǒng)分析CANFD芯片在輻射環(huán)境中的技術(shù)演進(jìn)路徑，重點(diǎn)關(guān)注其抗輻照設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)、性能提升以及面臨的挑戰(zhàn)。通過(guò)深入研究，本文期望為行業(yè)提供技術(shù)升級(jí)路徑與市場(chǎng)策略的參考。

二、技術(shù)演進(jìn)與核心突破

（一）抗輻照設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

抗輻照芯片的核心設(shè)計(jì)策略在于“加固+容錯(cuò)+屏蔽”三重防護(hù)機(jī)制。這三種機(jī)制相互配合，共同提升芯片在高輻射環(huán)境下的可靠性。

①加固設(shè)計(jì)

工藝優(yōu)化 ：通過(guò)先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝優(yōu)化，可以顯著提升芯片的抗輻照能力。例如，采用深亞微米工藝可以減少芯片內(nèi)部的缺陷密度，從而降低輻射對(duì)芯片的影響。此外，優(yōu)化的晶體管設(shè)計(jì)可以提高其在高能粒子轟擊下的穩(wěn)定性。

封裝優(yōu)化 ：封裝技術(shù)對(duì)抗輻照性能也起著關(guān)鍵作用。例如，采用陶瓷封裝可以有效阻擋外部輻射的侵入，同時(shí)提供良好的散熱性能。此外，優(yōu)化的封裝布局可以減少電磁干擾，進(jìn)一步提升芯片的可靠性。

總線(xiàn)故障保護(hù) ：在高輻射環(huán)境下，總線(xiàn)故障是常見(jiàn)的問(wèn)題之一。通過(guò)設(shè)計(jì)高電壓保護(hù)機(jī)制，可以有效防止總線(xiàn)故障對(duì)芯片的損壞。例如，國(guó)科安芯的ASM1042系列芯片能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)±70V的總線(xiàn)故障保護(hù)電壓（H型號(hào)），遠(yuǎn)超普通芯片的±40V水平。

②容錯(cuò)機(jī)制

顯性超時(shí)保護(hù) ：在CANFD通信中，顯性超時(shí)保護(hù)機(jī)制可以有效防止總線(xiàn)阻塞。通過(guò)設(shè)置合理的超時(shí)時(shí)間（如1.2ms3.8ms），可以在檢測(cè)到總線(xiàn)故障時(shí)及時(shí)切斷通信，避免進(jìn)一步的損壞。ASM1042系列芯片的顯性超時(shí)時(shí)間tTXD_DTO為1.2ms3.8ms。

熱關(guān)斷保護(hù) ：在高輻射環(huán)境下，芯片容易出現(xiàn)過(guò)熱問(wèn)題。通過(guò)內(nèi)置的熱關(guān)斷保護(hù)機(jī)制，可以在芯片溫度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)自動(dòng)切斷電源，從而避免因過(guò)熱導(dǎo)致的損壞。ASM1042系列芯片具備熱關(guān)斷保護(hù)功能，能夠有效防止因過(guò)熱導(dǎo)致的損壞。

循環(huán)延遲優(yōu)化 ：在高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，循環(huán)延遲的優(yōu)化對(duì)于實(shí)時(shí)性至關(guān)重要。通過(guò)優(yōu)化芯片的內(nèi)部設(shè)計(jì)，可以將循環(huán)延遲降低到110ns的典型值，從而確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。ASM1042系列芯片的典型循環(huán)延遲為110ns。

③屏蔽優(yōu)化

電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì) ：通過(guò)優(yōu)化封裝布局，可以提升芯片的電磁兼容性（EMC）性能。例如，ASM1042系列芯片的EMC性能符合SAEJ2962-2標(biāo)準(zhǔn)，在最高500kbps的速率下無(wú)需共模扼流圈。

材料選擇 ：選擇高屏蔽性能的材料也是提升抗輻照能力的重要手段，可以有效阻擋高能粒子的侵入，減少輻射對(duì)芯片內(nèi)部電路的影響。

（二）CANFD協(xié)議的性能升級(jí)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，抗輻照CANFD芯片在協(xié)議性能方面也取得了顯著的提升。這些性能升級(jí)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①高速通信能力

通信速率提升 ：新一代抗輻照CANFD芯片能夠支持高達(dá)5Mbps的通信速率，符合ISO11898-2:2016標(biāo)準(zhǔn)。這種高速通信能力使得芯片能夠在高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中高效傳輸數(shù)據(jù)。ASM1042系列芯片支持5Mbps的數(shù)據(jù)速率。

兼容性?xún)?yōu)化 ：為了滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，抗輻照CANFD芯片還優(yōu)化了與多種電壓的MCU接口的兼容性。例如，ASM1042系列芯片支持3.3V/5V的MCU接口。

②低功耗設(shè)計(jì)

待機(jī)功耗降低 ：在高輻射環(huán)境下，芯片的功耗控制對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。通過(guò)優(yōu)化芯片的電路設(shè)計(jì)，可以將待機(jī)功耗降低到0.5μA的水平。ASM1042系列芯片的待機(jī)功耗低至0.5μA。

動(dòng)態(tài)功耗管理 ：除了降低待機(jī)功耗外，動(dòng)態(tài)功耗管理也是提升芯片性能的重要手段。通過(guò)智能的功耗管理系統(tǒng)，芯片可以根據(jù)實(shí)際通信需求動(dòng)態(tài)調(diào)整功耗，從而在保證性能的同時(shí)降低能耗。

③延時(shí)優(yōu)化

隱性-顯性切換延時(shí) ：在CANFD通信中，隱性-顯性切換延時(shí)是影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的重要因素之一。新一代抗輻照CANFD芯片通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部電路設(shè)計(jì)，將隱性-顯性切換延時(shí)降低到100ns的典型值。ASM1042系列芯片的隱性-顯性切換延時(shí)tPROP(LOOP1)典型值為100ns。

三、行業(yè)分析：技術(shù)融合與新興機(jī)遇

（一）技術(shù)融合驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新

異構(gòu)集成

集成設(shè)計(jì) ：下一代抗輻照CANFD芯片將朝著集成MCU與CANFD收發(fā)器的方向發(fā)展。這種異構(gòu)集成設(shè)計(jì)可以減少芯片數(shù)量，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，同時(shí)提升系統(tǒng)的整體性能。例如，集成設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)更高效的通信和數(shù)據(jù)處理，提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

多電壓設(shè)計(jì)支持 ：為了滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，抗輻照CANFD芯片需要支持多種電壓的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。例如，ASM1042系列芯片的VIO引腳支持3.3V/5V兼容，為多電壓設(shè)計(jì)提供了接口支持。

工藝升級(jí)

更高工藝節(jié)點(diǎn) ：隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，抗輻照CANFD芯片將向更高工藝節(jié)點(diǎn)遷移。例如，從深亞微米工藝向納米工藝升級(jí)，可以顯著提升芯片的性能和集成度。更高的工藝節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)更小的晶體管尺寸，從而提升芯片的運(yùn)算速度和降低功耗。

性能提升目標(biāo) ：工藝升級(jí)的目標(biāo)是提升芯片的抗輻照能力，同時(shí)降低功耗。ASM1042系列芯片的SEU耐受能力已經(jīng)達(dá)到≥75Mev·cm2/mg，未來(lái)有望進(jìn)一步提升。

（二）新興應(yīng)用場(chǎng)景拓展

智能電網(wǎng)領(lǐng)域

特高壓變電站 ：特高壓變電站等智能電網(wǎng)設(shè)施對(duì)芯片的耐受能力提出了新的挑戰(zhàn)。特高壓變電站需要在高電壓、強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，芯片需要具備高耐壓和良好的電磁兼容性。ASM1042系列芯片的±58V總線(xiàn)保護(hù)電壓（非H型號(hào)）使其有望在智能電網(wǎng)的通信與控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

分布式能源管理 ：隨著分布式能源的快速發(fā)展，智能電網(wǎng)對(duì)通信芯片的需求也在不斷增加。ASM1042系列芯片的高速通信能力和低功耗設(shè)計(jì)使其能夠滿(mǎn)足分布式能源管理系統(tǒng)的通信需求，提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。

無(wú)人系統(tǒng)領(lǐng)域

無(wú)人機(jī)群通信 ：無(wú)人機(jī)群通信需要高實(shí)時(shí)性與抗干擾能力，以確保在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定通信。ASM1042系列芯片的5Mbps速率和110ns延時(shí)優(yōu)勢(shì)顯著，能夠滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)群通信的需求，提升無(wú)人機(jī)群的協(xié)同作戰(zhàn)能力。

無(wú)人車(chē)控制系統(tǒng) ：無(wú)人車(chē)控制系統(tǒng)對(duì)芯片的抗輻照能力和可靠性要求極高。ASM1042系列芯片能夠在高輻射環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)具備低功耗和高實(shí)時(shí)性，使其成為無(wú)人車(chē)控制系統(tǒng)的核心部件之一。

四、結(jié)論與展望

國(guó)產(chǎn)抗輻照CANFD芯片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”到“并跑”的跨越，未來(lái)的發(fā)展需要聚焦于以下幾個(gè)關(guān)鍵方向：

（一）技術(shù)縱深

先進(jìn)工藝突破 ：突破先進(jìn)工藝技術(shù)瓶頸，開(kāi)發(fā)自適應(yīng)糾錯(cuò)算法，進(jìn)一步提升芯片在極端環(huán)境下的適應(yīng)性。通過(guò)工藝升級(jí)和算法優(yōu)化，可以顯著提升芯片的抗輻照能力，降低功耗，提升性能。

可靠性提升 ：通過(guò)優(yōu)化芯片的內(nèi)部設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)，提升芯片的可靠性和穩(wěn)定性。例如，采用高屏蔽性能的材料和優(yōu)化的封裝布局，可以有效阻擋高能粒子的侵入，減少輻射對(duì)芯片內(nèi)部電路的影響。

（二）市場(chǎng)滲透

國(guó)家重大工程應(yīng)用 ：瞄準(zhǔn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、核聚變裝置等國(guó)家重大工程領(lǐng)域，加速?lài)?guó)產(chǎn)抗輻照CANFD芯片對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的替代進(jìn)程。通過(guò)與國(guó)家重大工程項(xiàng)目的緊密結(jié)合，可以提升國(guó)產(chǎn)芯片的市場(chǎng)認(rèn)可度，加速?lài)?guó)產(chǎn)化替代進(jìn)程。

國(guó)際市場(chǎng)拓展 ：在滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求的基礎(chǔ)上，積極拓展國(guó)際市場(chǎng)。通過(guò)提升芯片的性能和可靠性，降低產(chǎn)品成本，提升國(guó)產(chǎn)抗輻照CANFD芯片在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

（三）生態(tài)構(gòu)建

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定 ：聯(lián)合上下游企業(yè)共同制定抗輻照CANFD芯片的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提升整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以規(guī)范市場(chǎng)秩序，提升產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

“芯片-系統(tǒng)-服務(wù)”一體化解決方案 ：打造“芯片-系統(tǒng)-服務(wù)”一體化的解決方案，提升國(guó)產(chǎn)抗輻照CANFD芯片的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)提供從芯片到系統(tǒng)集成再到售后服務(wù)的一體化解決方案，可以更好地滿(mǎn)足客戶(hù)需求，提升客戶(hù)滿(mǎn)意度。

審核編輯 黃宇