Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2015 №4

Поиск скрытых резервов современных микросхем. Часть I

Иоффе Дмитрий  
Поздняков Петр  

Эта статья открывает цикл, посвященный применению электронных компонентов за пределами температурного диапазона, заявленного производителем. Рассматриваются ситуации, вынуждающие использовать такой подход, и методы его реализации.

Давно ушли в прошлое те времена, когда оборонная промышленность была локомотивом развития электроники и телекоммуникаций. Первые компьютеры предназначались для военных целей, и Интернет тоже изначально считался военным проектом. Сегодня объемы производства мирной электроники несопоставимо больше, чем военной, и развивается коммерческая электроника с огромной скоростью. Вычислительные мощности лежащих в карманах миллионов людей смартфонов могут быть выше, чем у настольных компьютеров десятилетней давности, не говоря уже о компьютерах середины прошлого века, а Интернет теперь не только в тех же карманах и смартфонах, он добрался до холодильников и пылесосов. Конечно, технический уровень изделий при столь широком и разнообразном применении, а также размеры прибыли при таких объемах производства тоже гораздо значительнее, чем при выпуске военной электроники. Поэтому все больше производителей электронных компонентов, даже самых крупных и богатых, отказываются от дорогого и хлопотного изготовления оборонного ассортимента. Так, фирма Intel выпустила последние компоненты военного назначения в 1997 году, а AMD — даже в 1994-м [1]. Однако компоненты для гражданских отраслей, при всех своих достоинствах, не предназначены для эксплуатации в условиях агрессивной окружающей среды. Большинство из них рассчитано на работу в коммерческом температурном диапазоне от 0 до 70 °C или в индустриальном — от -40 до 85 °C, тогда как компоненты, предназначенные для работы в изделиях военного назначения, должны гарантированно функционировать в температурном диапазоне от -55 до 125 °C.

При таком положении дел уровень развития элементной базы для техники, действующей в жестких условиях эксплуатации, в частности военной техники, значительно отстает от современных требований, а ее стоимость оказывается непомерно высокой. Можно отметить, что в последнее время в России расширяется номенклатура сложных компонентов для спецприменений, например [2], и это отрадно, потому что помимо невидимой руки рынка где-то должна быть еще и голова. Но, к сожалению, это е отменяет общей тенденции.

В то же время заказчикам требуется аппаратура с современными возможностями, с одной стороны, а с другой — приемлемая по цене. Это очевидно как для военных применений, где более современная техника обеспечит перевес на поле боя и конкурентные преимущества на рынке вооружений, так и в гражданских отраслях, в частности, при производстве оборудования для бурения глубоких скважин, которое должно работать при очень высоких температурах. А потому постоянно возникают ситуации, когда у разработчиков аппаратуры есть необходимость использовать то или иное изделие для общего применения, но они не могут это сделать, поскольку изготовитель заявил в спецификации недостаточный диапазон допустимых внешних воздействий, в том числе коммерческий температурный диапазон.

В начале 90-х годов прошлого века все это привело к появлению идеологии COTS (Commercial Off-The-Shelf) — использования готовых коммерческих продуктов и технологий «с полки», которые можно купить на рынке [3]. Концепция COTS, в свою очередь, восходит к более ранней идеологии NDI (Non Development Items — «не разрабатываемые заново» комплектующие, узлы и подсистемы). Исторически концепция COTS возникла как инициатива министерства обороны США и оборонных ведомств ряда других западных стран, желающих сократить свои расходы за счет уменьшения доли дорогостоящих уникальных решений и технологий. Применение COTS-изделий позволяет строить более качественные и интересные для пользователя конечные системы и выводить их на рынок быстрее конкурентов. Для российских разработчиков в настоящее время, в условиях усложнения экономической ситуации и введения санкций, перекрывающих доступ к элементной базе оборонного и двойного назначения, такой способ экономии средств на создание аппаратуры с высокими техническими характеристиками особенно актуален.

Идеология COTS предусматривает изготовление аппаратуры в различных исполнениях. Собственно COTS — это изделия коммерческого исполнения. Их температурный диапазон от 0 до 70 °C. Они изготавливаются с использованием полупроводниковых компонентов коммерческого назначения. Как правило, такие изделия применяются в стационарной технике. Далее следует линия ROTS (Rugged-Off-The-Shelf) — готовые изделия повышенной надежности. Их температурный диапазон составляет от -40 до 85 °C. Они выполняются из полупроводниковых компонентов повышенной надежности, имеют лучшие механические характеристики и предназначены для наружной и бортовой техники. И наконец, линия изделий MOTS (Military-Off-The-Shelf) — готовые изделия военного исполнения. Их номинальный температурный диапазон составляет от -55 до 105 °C, а к конструкции предъявляются максимально жесткие механические требования. Такие изделия созданы для наиболее критичных к надежности приложений — бортовых, в том числе авиационно-космических, электронных устройств боевых машин, танков, сложных промышленных систем. Нормативная база COTS-технологий развивается и поддерживается в рамках как международных (IEC/МЭК, ISO) и национальных (ANSI, DIN, IEEE, ГОСТ) организаций по стандартизации, так и крупных профессиональных международных консорциумов (ARINC, PCISIG, VITA, PICMG, GroupIPC и т. д.). Стандартизация ведется совместными усилиями большого числа конкурирующих компаний — Motorola, HP, IBM, SUN, производящих совместимую серийную технику [4].

Как мы видим, одним из важнейших параметров, определяющих допустимость установки электронных компонентов в аппаратуре для ответственного применения, является их рабочий температурный диапазон. И во многих случаях температурный диапазон, указанный производителем в спецификациях, может оказаться недостаточным для аппаратуры, предназначенной для эксплуатации в жестких условиях. Поэтому разработчики ищут возможности использования компонентов за пределами заявленного температурного диапазона. И такие возможности находятся благодаря целому ряду факторов. Во-первых, паспортные данные изделий практически всегда указаны с некоторым запасом. Во-вторых, существует два вида ограничений: предельно допустимые и предельные. В предельно допустимых условиях компонент может работать, но некоторые его характеристики, скажем, быстродействие или потребление, оказываются хуже, чем в рабочих условиях. Но для конкретного применения данные параметры могут быть некритичными или даже несущественными. Кроме того, если выход за пределы заданного диапазона температур влияет на срок службы изделия, но само оно рассчитано на недолгую жизнь или предполагается работа в течение небольших интервалов времени, то это вполне допустимо. Можно проводить и дополнительные испытания компонентов при повышенной и пониженной температуре и последующую их отбраковку в соответствии с полученными результатами. Основанием для подобного подхода к решению проблемы является тот факт, что технология производства кристаллов микросхем квалификационных групп Commercial, Industrial, Automotive и Military часто идентична. Потребности в устройствах класса Military, как правило, малы по сравнению с объемами производства микросхем коммерческого диапазона. Вот почему изготовителям экономически невыгодно разрабатывать и поддерживать отдельную технологию производства кристаллов класса Military, отличную от технологии выпуска кристаллов Commercial и Industrial. По сути, один и тот же кристалл может оказаться в корпусе, промаркированном как изделие коммерческого, индустриального или военного температурного диапазона. Так в чем же разница между микросхемами, предназначенными для работы в различных температурных диапазонах?

Отличие в системе контроля качества продукции и глубине тестирования на всех стадиях производства. Компоненты, от работы которых зависят жизнь и здоровье людей (Automotive, Military), испытываются на всех стадиях производства. Вся совокупность тестов методики тестирования подробно описана в стандартах и рекомендациях. Сложность методики тестирования микросхем, созданных для ответственных применений, можно оценить, заглянув в стандарт AEC-Q100 или посмотрев на рис. 1.

Методика проведения квалификационных тестов микросхем

Рис. 1. Методика проведения квалификационных тестов микросхем (AEC-Q100)

Методика проведения каждого теста описана отдельно в соответствующих дополнительных стандартах JEDEC. Выполнение каждого теста занимает достаточно длительное время и требует серьезного технического оснащения. Например, выполнение теста TC (Temperature Cycling) предполагает выборку трех кристаллов из комплекта 77 штук и их термоциклирование в интервале температур от -55 до +150 °C числом не менее 2000 циклов для тестирования на принадлежность категории Automotive Grade 0, 1000 циклов в том же температурном диапазоне для категории Grade 1. В ходе теста HTCL (High Temperature Storage Life) случайным образом выбирают один кристалл из 45 подобных, далее выбранные образцы хранятся при температуре 150 °C в течение не менее 2000 часов (или 1000 часов при температуре 175 °C) на принадлежность категории Grade 0. После выполнения каждого теста проверяется работоспособность компонентов.

Разумеется, проведение всего комплекса тестов требует серьезных материальных затрат, которые и отражаются в цене компонентов. Очевидно, что не имеет смысла выполнять весь цикл тестирования всей партии выпускаемых микросхем на принадлежность категориям Automotive и Military. Каждый изготовитель еще до запуска производства партии микросхем проводит маркетинговые исследования и определяет потребность в микросхемах, квалифицированных для применения в том или ином температурном диапазоне. Исходя из данных, полученных в процессе исследований, определяется количество пластин и групп микросхем, из числа которых будут отобраны образцы для тестирования на принадлежность к группам Automotive, Military и Industrial. На группу применения Commercial требования стандартов не распространяются: производитель вправе самостоятельно определять состав тестов и методик тестирования компонентов данной группы.

Означает ли, что микросхема с маркировкой Commercial обязательно выйдет из строя при эксплуатации ее за пределами коммерческого температурного диапазона? Ответ не столь очевиден. Как правило, это значит, что из группы, к которой принадлежит микросхема (wafer, lot, паллета), не производился отбор образцов для дорогостоящего тестирования на принадлежность группе Military, Automotive и Industrial.

Таким образом, при соответствующем подходе и для соответствующих ситуаций использование электронных компонентов за пределами заявленного изготовителем диапазона температур может оказаться вполне допустимым. Этот подход в настоящее время широко распространен. Он, в частности, применялся при создании авионики для самолета Boeing-777 [1]. В зарубежной литературе устоялся термин uprating («повышение характеристик») — использование компонента за пределами заявленного диапазона температур. Эта процедура жестко регламентирована и проводится компетентными специалистами разного профиля (рис. 2) [1].

Управление процессом «повышения характеристик»

Рис. 2. Управление процессом «повышения характеристик»

Допустим, в составе устройства (анализатор качества топливовоздушной смеси двигателя внутреннего сгорания) предполагалось использование ПЛИС с температурным диапазоном Military, от -55 до 125 °C. Успешно проведена разработка и тестирование пробной партии устройств, показавшая высокую эффективность созданного изделия. Однако в ходе подготовки к производству основной крупной партии устройств выяснилось, что цены на импортные компоненты, особенно класса Military, существенно подросли и значительно снижают интерес к разработке.

Во всех ли случаях применение ПЛИС военного диапазона является обязательным? Сможет ли коммерческая ПЛИС работать за пределами назначенного ей температурного диапазона? Какие изменения в проекте ПЛИС военного применения необходимо произвести, чтобы коммерческая ПЛИС надежно функционировала за пределами назначенного ей рабочего температурного диапазона?

Мы решили удовлетворить свой академический интерес к этим вопросам и пойти по пути компании Boeing — экспериментально оценить возможности апрейтинга ПЛИС коммерческого исполнения. О методике эксперимента и результатах тестирования ПЛИС за пределами назначенного производителем температурного диапазона будет рассказано в следующих статьях цикла.

Литература

  1. Mishra R. The Temperature Ratings of Electronic Parts. www.electronics-cooling.com/2004/02/the-temperature-ratings-of-electronic-parts
  2. Filure Mechanism Based Stress Test Qualification For Integrated Circuits. AEC-Q100-Rev-H. September 11, 2014.
  3. Двухпроцессорная СБИС с 32-разрядными DSP с плавающей запятой и развитой периферией. www.niiet.ru/chips/processors?id=432
  4. Акиншин Л., Сысоев А. Встраиваемые компьютерные технологии для сильной России // Электронные компоненты. 2008. № 9.
  5. Рыбаков А. Открытые технологии в военных приложениях // Открытые системы. 2000. № 4.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке