由于美國對高科技的技術(shù)封鎖、疫情等因素影響，近期國外MCU開始缺貨，業(yè)內(nèi)人士反映，國際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深圳房價。國產(chǎn)替代的關(guān)鍵要素在哪里？如何打造工業(yè)級精準(zhǔn)可靠的國貨之光？

在一段視頻中看到，客戶原本使用的是國外芯片做的4*2矩陣產(chǎn)品，芯?？萍?/span>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 CS32F030C8T6，更換完成后效果、性能和國外芯片是一樣的。

兩分鐘完成替代看起來很簡單，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，如果要做一個長期使用的產(chǎn)品，還必須從品質(zhì)保障、供貨能力、系統(tǒng)運營效率、開發(fā)生態(tài)、芯片可靠性、時鐘穩(wěn)定性、抗干擾能力、ADC性能、工具鏈…等因素去綜合考慮。

質(zhì)量優(yōu)勢，產(chǎn)品品質(zhì)可靠

我國集成電路產(chǎn)業(yè)起步較晚，核心技術(shù)缺失，本土設(shè)計能力不足，導(dǎo)致我國芯片大量需求主要依賴進口，整體發(fā)展水平相比西方發(fā)達國家差距較大，國產(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，其實還有很多隱含的指標(biāo)。在設(shè)計能力或者設(shè)計架構(gòu)上，在設(shè)計、對標(biāo)的時候往往會有細微的差異，比如國產(chǎn)替代中某廠商內(nèi)部的電源需要外部電路來輔助穩(wěn)定，而國外的不需要這個元器件，所以多占用了一個引腳，這就導(dǎo)致板子用不了，必須單獨畫一個電路去加一個電容做處理，雖然說改動不是特別大，但會把替換周期拉的特別長。

第二個就是一些隱含的電器特性，比如說反向耐壓，F030/031的一個關(guān)鍵特性是VDD=3.3V時，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有用到這種場景，有的話用的芯片有沒有這個功能。

第三個就是功耗，在功耗上各家設(shè)計及工藝是有差異的。功耗過大帶來的影響：1. 超出硬件設(shè)計范圍，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，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，沒有提升精度，出來效果也是沒有保障的；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，可以重點關(guān)注這幾個指標(biāo)：第一個指標(biāo)是絕對誤差，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；第二個指標(biāo)失調(diào)誤差（Offset）；第三個指標(biāo)增益誤差，增益誤差來源于放大系數(shù)，可以簡單理解為一個斜率偏差；第四個指標(biāo)差分非線性（DNL），每兩個碼值之間的最大偏差；第五個指標(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)基本不會太差。

以芯海科技為例，其INL可以做到1.2LSB，也就是說一個12位的ADC，在測量過程中經(jīng)過校準(zhǔn)調(diào)整后精度可以達到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ADC，同行做的可能是8位9位，因為品質(zhì)有保障，無論是測電壓還是電流，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)在宣傳可靠性時會說產(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可以保障過程中不會損壞。國外的ESD參數(shù)都會寫2000伏，因為國外客戶的生產(chǎn)環(huán)境非常規(guī)范，2000伏就能滿足基本需求，在國內(nèi)2000伏其實是不夠的，需要加一些保護器件，基本上4000伏就能保證整個生產(chǎn)過程不會有損壞，良率有保障。過高的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)）、可靠測量（在惡劣環(huán)境下ADC精度是否有保障）、封裝可靠性、板級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（關(guān)鍵寄存器保護、Flash儲存保護、SRAM儲存保護、時鐘保護、看門狗、ADC可靠測量、IO電平自檢）。關(guān)鍵寄存器的保護：在執(zhí)行ESD時，可能無法完全排除的靜電干擾正好把計算器打改寫了，如果沒有做處理的話會導(dǎo)致整個系統(tǒng)出錯，而且不知道出現(xiàn)什么樣的錯誤，所以我們在很多關(guān)鍵計算機上做了保護，防止改寫，即使被改寫也能夠知道，軟件可以進行相應(yīng)的處理。儲存保護：我們的flash內(nèi)部是做了硬件校驗的，也可以內(nèi)置的CRC模塊來做軟件的校驗，可以知道程序在里面有沒有錯。做IC沒有100%完全可靠，不出任何錯誤是不存在的，零缺陷要通過芯片的很多措施來保障。時鐘保護：時鐘是MCU非常關(guān)鍵一環(huán)，時鐘出了錯，芯片再好也沒有用，我們做了時鐘和檢測的裝置，大家在設(shè)計的時候用外部時鐘，如果時鐘停振或失效時可以去到內(nèi)部時鐘做一些基本安全處理，比如碼頭在轉(zhuǎn)的時候可以讓它慢慢停下來，不會造成安全事故。

環(huán)境溫度是指外部環(huán)境的溫度；芯片是有封裝的，散熱有一個過程，內(nèi)外可能會存在溫差，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)中每個芯片都會做110度的高溫測試，保證芯片的可靠性。

沒有外掛晶振，使用內(nèi)部時鐘的情況下，內(nèi)部時鐘就會有一個溫度特性，因為內(nèi)部時鐘都是電阻電容這種電路搭起來的，比如一個8兆的內(nèi)部時鐘可能在25℃是7.99兆，但是到了85℃的時候，會有漂移。我們在做時鐘設(shè)計的時候，做了很多溫度補償、防止溫漂的一些特性，包括電壓補償?shù)囊恍╇娐吩诶锩?，讓溫度特性特別好。通過抗溫漂設(shè)計，CS32F031的內(nèi)部時鐘溫漂控制在1%以內(nèi)，滿足UART等通訊的要求，并有效減少時鐘漂移帶來的測量誤差。可能有人會好奇就跑個程序，精度高有什么用，比如說異步通訊，一旦你的時鐘偏了，超出一個有效范圍，其實你的通訊就失敗了。

ADC測量的時候會用到內(nèi)部的一個基準(zhǔn)來去做一個比較，如果沒有外部基準(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60個PPM指標(biāo)偏差，國內(nèi)有的是100，有的是200，有的不標(biāo)，但在測量中其實是非常重要的一點。

可靠性是有非常多環(huán)節(jié)來保證的，像客戶需求、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)來具體分解。所有產(chǎn)品都會做芯片級的測試，包括MSL、uHAST，板級的HTOL，這些測試成本非常高，測一個循環(huán)可能需要十幾萬甚至更高的成本。MCU芯片研發(fā)過程中投片其實只占很小一部分，在設(shè)計、可靠性這塊投入成本非常大。我們有很詳細的管理流程、可靠性測試指標(biāo)，會根據(jù)工業(yè)的、手機的類別不同有所區(qū)分定制，根據(jù)多年積累、客戶交流、行業(yè)特性來做策略。

◆ 100%測試可以保障質(zhì)量么？

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

回歸到執(zhí)行層面的生產(chǎn)管理體系，我們會有一個全流程的管控，從晶圓流片開始，晶圓做任何產(chǎn)品都不是100%穩(wěn)定的，會有一些工藝偏差，我們會對這種工藝偏差做實時監(jiān)控，從最源頭防止質(zhì)量異常。CP、封裝、FT+DS，包含倉儲的質(zhì)量管理、出貨流程管理上會有一系列的管控。質(zhì)量不是測試出來的，整個研發(fā)過程從需求階段一直會對質(zhì)量做管控。

質(zhì)量是一個系統(tǒng)的工程，我們的質(zhì)量管控不僅僅是靠測試來保證產(chǎn)品的質(zhì)量，從管理層到執(zhí)行層到各種評審，通過系統(tǒng)的管理措施來保證，是比100%測試更高的的質(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、測試整個過程需要4~6個月，目前受國際形勢及疫情影響，周期更長。交付能力對半導(dǎo)體企業(yè)的資金實力、供應(yīng)鏈管理能力、系統(tǒng)運營效率有極高要求。

優(yōu)秀的供應(yīng)鏈的管理體系建設(shè)，要從需求管理、庫存計劃、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)測去備貨。第二道防線是庫存計劃，在很早就預(yù)計到并制定安全庫存計劃，建立安全庫存。第三道防線是內(nèi)部的一系列管理體系，調(diào)動資源，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)國家安全的基礎(chǔ)保障，在全球貿(mào)易保護和西方國家對華芯片出口封鎖的環(huán)境下，中國科技企業(yè)必須拿出解決方案。