漲價(jià)之下，怎么選擇靠譜的國(guó)產(chǎn)MCU？

由于美國(guó)對(duì)高科技的技術(shù)封鎖、疫情等因素影響，近期國(guó)外MCU開(kāi)始缺貨，業(yè)內(nèi)人士反映，國(guó)際MCU大廠的產(chǎn)品已經(jīng)全線延期，新排單基本都不接，更有人戲稱芯片的漲幅已超過(guò)深圳房?jī)r(jià)。國(guó)產(chǎn)替代的關(guān)鍵要素在哪里？如何打造工業(yè)級(jí)精準(zhǔn)可靠的國(guó)貨之光？

在一段視頻中看到，客戶原本使用的是國(guó)外芯片做的4*2矩陣產(chǎn)品，芯海科技的產(chǎn)品可以不用更改任何硬件直接替換，編譯環(huán)境也不用更改，只需選擇芯片型號(hào) CS32F030C8T6，更換完成后效果、性能和國(guó)外芯片是一樣的。

兩分鐘完成替代看起來(lái)很簡(jiǎn)單，背后卻需要非常多的條件積累。引腳兼容很重要，但只是“冰山一角”的表象，如果要做一個(gè)長(zhǎng)期使用的產(chǎn)品，還必須從品質(zhì)保障、供貨能力、系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)效率、開(kāi)發(fā)生態(tài)、芯片可靠性、時(shí)鐘穩(wěn)定性、抗干擾能力、ADC性能、工具鏈…等因素去綜合考慮。

質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)，產(chǎn)品品質(zhì)可靠

我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)起步較晚，核心技術(shù)缺失，本土設(shè)計(jì)能力不足，導(dǎo)致我國(guó)芯片大量需求主要依賴進(jìn)口，整體發(fā)展水平相比西方發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大，國(guó)產(chǎn)替代，產(chǎn)品性能是前提。

◆ 什么是真正的引腳兼容？

首先引腳兼容不僅僅是引腳定義一致，其實(shí)還有很多隱含的指標(biāo)。在設(shè)計(jì)能力或者設(shè)計(jì)架構(gòu)上，在設(shè)計(jì)、對(duì)標(biāo)的時(shí)候往往會(huì)有細(xì)微的差異，比如國(guó)產(chǎn)替代中某廠商內(nèi)部的電源需要外部電路來(lái)輔助穩(wěn)定，而國(guó)外的不需要這個(gè)元器件，所以多占用了一個(gè)引腳，這就導(dǎo)致板子用不了，必須單獨(dú)畫一個(gè)電路去加一個(gè)電容做處理，雖然說(shuō)改動(dòng)不是特別大，但會(huì)把替換周期拉的特別長(zhǎng)。

第二個(gè)就是一些隱含的電器特性，比如說(shuō)反向耐壓，F030/031的一個(gè)關(guān)鍵特性是VDD=3.3V時(shí)，IO支持5V輸入，如果不支持特性，容易引起電流倒灌，影響可靠性。所以大家一定要注意有沒(méi)有用到這種場(chǎng)景，有的話用的芯片有沒(méi)有這個(gè)功能。

第三個(gè)就是功耗，在功耗上各家設(shè)計(jì)及工藝是有差異的。功耗過(guò)大帶來(lái)的影響：1. 超出硬件設(shè)計(jì)范圍，影響穩(wěn)定性；2.發(fā)熱、影響性能和可靠性；3.在電池應(yīng)用中，縮短電池壽命。

引腳兼容并不是封裝尺寸一樣或者定義一樣，而是背后的電氣特性、性能等要保持一致。

◆ 12位ADC與12位ADC一樣么？

大家標(biāo)的都是12位ADC，但差別特別大，下圖可以很明確看出分辨率和精度的區(qū)別。A的打靶正態(tài)分布平均值是偏的，而且非常離散，稱為分辨率和精度低；B圍繞靶心，分布很準(zhǔn)，精度不錯(cuò)，但是分辨率不夠，所以打不到10環(huán)；C非常密集，打得很準(zhǔn)，但都打偏了，它的分辨率很高，但是精度不夠；有些廠商宣傳ADC12位甚至16位，但它只提升了分辨率，沒(méi)有提升精度，出來(lái)效果也是沒(méi)有保障的；D是真正分辨率高、精度高特性的ADC，密度集中準(zhǔn)確。

怎么反映ADC的精度，可以重點(diǎn)關(guān)注這幾個(gè)指標(biāo)：第一個(gè)指標(biāo)是絕對(duì)誤差，指產(chǎn)品在不校準(zhǔn)狀態(tài)下的誤差，可以反映ADC的基本特性；第二個(gè)指標(biāo)失調(diào)誤差（Offset）；第三個(gè)指標(biāo)增益誤差，增益誤差來(lái)源于放大系數(shù)，可以簡(jiǎn)單理解為一個(gè)斜率偏差；第四個(gè)指標(biāo)差分非線性（DNL），每?jī)蓚€(gè)碼值之間的最大偏差；第五個(gè)指標(biāo)積分非線性（INL），是最重要的指標(biāo)，也是反映ADC精度最基本的指標(biāo)，INL指標(biāo)好的ADC，其它參數(shù)基本不會(huì)太差。

以芯?？萍紴槔銲NL可以做到1.2LSB，也就是說(shuō)一個(gè)12位的ADC，在測(cè)量過(guò)程中經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)調(diào)整后精度可以達(dá)到11位甚至更好的性能，換算后可以到11.5A甚至更高的指標(biāo)。同樣一個(gè)ADC，同行做的可能是8位9位，因?yàn)槠焚|(zhì)有保障，無(wú)論是測(cè)電壓還是電流，如果用的是我們的ADC就比較放心。

◆ ESD指標(biāo)能否代表可靠性？

產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性非常重要，有些企業(yè)在宣傳可靠性時(shí)會(huì)說(shuō)產(chǎn)品ESD是多少伏，ESD指標(biāo)能否代表可靠性呢？可靠性有非常多的因素，并不是僅僅一個(gè)ESD就能代表，ESD僅僅代表靜態(tài)防靜電能力，譬如HBM、MM、CDM，代表IC靜態(tài)防靜電的能力。在規(guī)范的生產(chǎn)環(huán)境中，2kV可以滿足需求；在不規(guī)范的生產(chǎn)環(huán)境中，一般4kV可以保障過(guò)程中不會(huì)損壞。國(guó)外的ESD參數(shù)都會(huì)寫2000伏，因?yàn)閲?guó)外客戶的生產(chǎn)環(huán)境非常規(guī)范，2000伏就能滿足基本需求，在國(guó)內(nèi)2000伏其實(shí)是不夠的，需要加一些保護(hù)器件，基本上4000伏就能保證整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程不會(huì)有損壞，良率有保障。過(guò)高的ESD可能有用，但它并不能代表產(chǎn)品真正的可靠，除了ESD外，還需從功能安全、溫度特性（在工作溫度下能不能保證可靠工作，關(guān)鍵模塊在溫度變化后指標(biāo)準(zhǔn)不準(zhǔn)）、可靠測(cè)量（在惡劣環(huán)境下ADC精度是否有保障）、封裝可靠性、板級(jí)可靠性等方面綜合考量。

CS32F030是比較典型的功能安全產(chǎn)品，做了非常多的可靠性設(shè)計(jì)（關(guān)鍵寄存器保護(hù)、Flash儲(chǔ)存保護(hù)、SRAM儲(chǔ)存保護(hù)、時(shí)鐘保護(hù)、看門狗、ADC可靠測(cè)量、IO電平自檢）。關(guān)鍵寄存器的保護(hù)：在執(zhí)行ESD時(shí)，可能無(wú)法完全排除的靜電干擾正好把計(jì)算器打改寫了，如果沒(méi)有做處理的話會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出錯(cuò)，而且不知道出現(xiàn)什么樣的錯(cuò)誤，所以我們?cè)诤芏嚓P(guān)鍵計(jì)算機(jī)上做了保護(hù)，防止改寫，即使被改寫也能夠知道，軟件可以進(jìn)行相應(yīng)的處理。儲(chǔ)存保護(hù)：我們的flash內(nèi)部是做了硬件校驗(yàn)的，也可以內(nèi)置的CRC模塊來(lái)做軟件的校驗(yàn)，可以知道程序在里面有沒(méi)有錯(cuò)。做IC沒(méi)有100%完全可靠，不出任何錯(cuò)誤是不存在的，零缺陷要通過(guò)芯片的很多措施來(lái)保障。時(shí)鐘保護(hù)：時(shí)鐘是MCU非常關(guān)鍵一環(huán)，時(shí)鐘出了錯(cuò)，芯片再好也沒(méi)有用，我們做了時(shí)鐘和檢測(cè)的裝置，大家在設(shè)計(jì)的時(shí)候用外部時(shí)鐘，如果時(shí)鐘停振或失效時(shí)可以去到內(nèi)部時(shí)鐘做一些基本安全處理，比如碼頭在轉(zhuǎn)的時(shí)候可以讓它慢慢停下來(lái)，不會(huì)造成安全事故。

環(huán)境溫度是指外部環(huán)境的溫度；芯片是有封裝的，散熱有一個(gè)過(guò)程，內(nèi)外可能會(huì)存在溫差，結(jié)溫可以理解為內(nèi)部晶圓的溫度。我們的芯片全系列都是按結(jié)溫125℃設(shè)計(jì)的，CS32F030/031全系列支持105℃工作溫度和125℃結(jié)溫，保證在高可靠性的環(huán)境下工作，在量產(chǎn)中每個(gè)芯片都會(huì)做110度的高溫測(cè)試，保證芯片的可靠性。

沒(méi)有外掛晶振，使用內(nèi)部時(shí)鐘的情況下，內(nèi)部時(shí)鐘就會(huì)有一個(gè)溫度特性，因?yàn)閮?nèi)部時(shí)鐘都是電阻電容這種電路搭起來(lái)的，比如一個(gè)8兆的內(nèi)部時(shí)鐘可能在25℃是7.99兆，但是到了85℃的時(shí)候，會(huì)有漂移。我們?cè)谧鰰r(shí)鐘設(shè)計(jì)的時(shí)候，做了很多溫度補(bǔ)償、防止溫漂的一些特性，包括電壓補(bǔ)償?shù)囊恍╇娐吩诶锩?，讓溫度特性特別好。通過(guò)抗溫漂設(shè)計(jì)，CS32F031的內(nèi)部時(shí)鐘溫漂控制在1%以內(nèi)，滿足UART等通訊的要求，并有效減少時(shí)鐘漂移帶來(lái)的測(cè)量誤差?？赡苡腥藭?huì)好奇就跑個(gè)程序，精度高有什么用，比如說(shuō)異步通訊，一旦你的時(shí)鐘偏了，超出一個(gè)有效范圍，其實(shí)你的通訊就失敗了。

ADC測(cè)量的時(shí)候會(huì)用到內(nèi)部的一個(gè)基準(zhǔn)來(lái)去做一個(gè)比較，如果沒(méi)有外部基準(zhǔn)的話，內(nèi)部基準(zhǔn)的這些溫度特性就代表了你的測(cè)試精準(zhǔn)度。我們的基準(zhǔn)是按60PPM去做的，電壓每攝氏度不超過(guò)60個(gè)PPM指標(biāo)偏差，國(guó)內(nèi)有的是100，有的是200，有的不標(biāo)，但在測(cè)量中其實(shí)是非常重要的一點(diǎn)。

可靠性是有非常多環(huán)節(jié)來(lái)保證的，像客戶需求、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)來(lái)具體分解。所有產(chǎn)品都會(huì)做芯片級(jí)的測(cè)試，包括MSL、uHAST，板級(jí)的HTOL，這些測(cè)試成本非常高，測(cè)一個(gè)循環(huán)可能需要十幾萬(wàn)甚至更高的成本。MCU芯片研發(fā)過(guò)程中投片其實(shí)只占很小一部分，在設(shè)計(jì)、可靠性這塊投入成本非常大。我們有很詳細(xì)的管理流程、可靠性測(cè)試指標(biāo)，會(huì)根據(jù)工業(yè)的、手機(jī)的類別不同有所區(qū)分定制，根據(jù)多年積累、客戶交流、行業(yè)特性來(lái)做策略。

◆ 100%測(cè)試可以保障質(zhì)量么？

芯片的量產(chǎn)100%測(cè)試是一個(gè)偽概念，芯片每一個(gè)都測(cè)了，這是第一個(gè)100%，規(guī)格書列定的范圍都測(cè)了，這是第二個(gè)100%，隨著芯片規(guī)模越來(lái)越大，不可能100%測(cè)試。量產(chǎn)測(cè)試只是質(zhì)量保證中最后一個(gè)執(zhí)行環(huán)節(jié)，更重要的是整個(gè)的體系的保障。

回歸到執(zhí)行層面的生產(chǎn)管理體系，我們會(huì)有一個(gè)全流程的管控，從晶圓流片開(kāi)始，晶圓做任何產(chǎn)品都不是100%穩(wěn)定的，會(huì)有一些工藝偏差，我們會(huì)對(duì)這種工藝偏差做實(shí)時(shí)監(jiān)控，從最源頭防止質(zhì)量異常。CP、封裝、FT+DS，包含倉(cāng)儲(chǔ)的質(zhì)量管理、出貨流程管理上會(huì)有一系列的管控。質(zhì)量不是測(cè)試出來(lái)的，整個(gè)研發(fā)過(guò)程從需求階段一直會(huì)對(duì)質(zhì)量做管控。

質(zhì)量是一個(gè)系統(tǒng)的工程，我們的質(zhì)量管控不僅僅是靠測(cè)試來(lái)保證產(chǎn)品的質(zhì)量，從管理層到執(zhí)行層到各種評(píng)審，通過(guò)系統(tǒng)的管理措施來(lái)保證，是比100%測(cè)試更高的的質(zhì)量管控，產(chǎn)品質(zhì)量可靠。

供貨保障，持續(xù)交付能力

芯片晶圓加工、封裝、測(cè)試整個(gè)過(guò)程需要4~6個(gè)月，目前受國(guó)際形勢(shì)及疫情影響，周期更長(zhǎng)。交付能力對(duì)半導(dǎo)體企業(yè)的資金實(shí)力、供應(yīng)鏈管理能力、系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)效率有極高要求。

優(yōu)秀的供應(yīng)鏈的管理體系建設(shè)，要從需求管理、庫(kù)存計(jì)劃、供應(yīng)執(zhí)行上構(gòu)筑供應(yīng)保障的三道防線。需求管理是第一道防線，根據(jù)正常情況下客戶的需求做預(yù)估，甚至多做一些預(yù)測(cè)去備貨。第二道防線是庫(kù)存計(jì)劃，在很早就預(yù)計(jì)到并制定安全庫(kù)存計(jì)劃，建立安全庫(kù)存。第三道防線是內(nèi)部的一系列管理體系，調(diào)動(dòng)資源，發(fā)揮供應(yīng)鏈的戰(zhàn)斗力。三道防線聯(lián)合發(fā)力才能夠保障在異常情況下交貨，解決大家擔(dān)心的供貨問(wèn)題。

作為電子產(chǎn)品的大腦和心臟，MCU 芯片是信息安全的基石，是守衛(wèi)國(guó)家安全的基礎(chǔ)保障，在全球貿(mào)易保護(hù)和西方國(guó)家對(duì)華芯片出口封鎖的環(huán)境下，中國(guó)科技企業(yè)必須拿出解決方案。