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。
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。
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。
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。
怎么反映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。
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。
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。
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。
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。
◆ 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，会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。
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。
来源：芯海科技
