Was ist der Unterschied zwischen Chips, von Verbraucherqualität bis hin zu Luft- und Raumfahrtqualität?

Die Sorteneinteilung von Chips ist eigentlich die Einteilung der Härte der Chip-Anwendungsumgebung. Unsere gängigen Chips werden normalerweise in vier Kategorien unterteilt: zivile Qualität (Verbraucherqualität), industrielle Qualität, Automobilqualität und militärische Qualität (Luft- und Raumfahrtqualität). Derzeit ist der Chip mit der höchsten Spezifikation, auf den wir zugreifen können, der Auto-Chip. Im Vergleich zu Chips in Verbraucherqualität können Chips in Automobilqualität extremeren Temperaturen und Einsatzumgebungen standhalten.

Da Chips in Militär- und Autoqualität so leistungsstark sind, würde es dann nicht ausreichen, alle Chips so weit wie möglich den Standards hochwertiger Chips zu entsprechen?

Die Chip-Bewertung ist nicht so einfach. Tatsächlich umfasst es den gesamten Prozess des Schaltungsdesigns, des Herstellungsprozesses sowie der endgültigen Verpackung und Prüfung von Chips. Chips mit hohem Standard sind möglicherweise nicht für Umgebungen anderer Ebenen geeignet. Erstens bedeuten Chips mit höheren Spezifikationen oft höhere Preise, und die Bezahlung unmöglicher Anwendungsszenarien verringert die Kosteneffizienz von Chips. Darüber hinaus gilt nicht, dass die Verarbeitungsgeschwindigkeit umso höher ist, je höher der Chip-Level ist. Manchmal opfert der Chip einen Teil der Leistung, um bei speziellen Anwendungsszenarien nicht abzustürzen.

Einfach ausgedrückt besteht Redundanzdesign darin, die Zuverlässigkeit des Chips im Gegenzug für höhere Ressourceninvestitionen zu erhöhen.

Das Vorhandensein redundanter Schaltkreise im Chip ist keine Verschwendung, da der Chip vollständig auf unbekannte Aufgaben vorbereitet sein muss, um die Möglichkeit von Ausfallzeiten unter besonderen Umständen zu verringern. Chip-Design-Experten erklären die redundanten Schaltkreise: „Wir können das System so anpassen, dass es genügend Pufferung zwischen dem Prozessor und dem Speicher hat, sodass selbst dann, wenn der Speicher maximal ausgelastet ist und ein maximaler Transaktionsfluss zwischen dem Prozessor und der Speicherlatenz besteht.“ Der Prozessor kann viele Transaktionsprobleme abdecken. Bestimmte redundante Caches können Abstürze verhindern, wenn der Speicher bei der Verarbeitung umfangreicher paralleler Aufgaben überläuft. Darüber hinaus kann der gleiche Effekt auch beim Speicherredundanzdesign erzielt werden.

Natürlich ist der Entwurf redundanter Schaltkreise kein einfaches Kopieren und Einfügen. Beispielsweise kann die Chipfabrik die Verarbeitungskapazitätsspanne in einigen Verarbeitungsprozessen erhöhen, wie z. B. dem oben erwähnten redundanten Speicher und Cache, wodurch der Chip rechtzeitig mit Puffer-Timing-Problemen und möglichen Änderungen umgehen kann; Redundanz kann auch optional sein. Ein ausgereifter IP-Kern bietet zwar nicht unbedingt die höchste Rechengeschwindigkeit, kann aber die Zuverlässigkeit maximieren. Redundanz kann es dem Prozessor auch ermöglichen, bei der Berechnung bestimmter Algorithmen eine stabile Strategie anstelle einer effizienten Strategie zu übernehmen und den durch Berechnungsfehler verursachten Schaden so weit wie möglich zu vermeiden.

Im Allgemeinen ist Redundanz nicht redundant. Ingenieure im Bereich des autonomen Fahrens in der Branche haben darauf hingewiesen: „Viele Aspekte des Designs sind Faustregeln. Sie können einen Spielraum von 30 % verlangen, um einen Zeitpuffer bereitzustellen. Dies kann abnormale Bedingungen bewältigen, die beim physischen Design auftreten.“ Diese Marge ist keineswegs eine Verschwendung, sondern eher eine Versicherung für physische Design- oder prozesskritische Probleme.“

Bevor aus einem Stück monokristallinem Silizium schließlich ein für uns nutzbarer Chip wird, muss es Design, Herstellung, Verpackung, Tests und andere Verbindungen durchlaufen. Einer der Hauptzwecke der Verpackung besteht darin, den zerbrechlichen Chip im Inneren vor der äußeren Umgebung zu schützen.

Nehmen wir als Beispiel Chips für die Luft- und Raumfahrt. Herkömmliche Chips in Verbraucherqualität können durch die Verwendung von Kunststoffgehäusen einen ausreichenden Schutz erreichen, während Chips in Luft- und Raumfahrtqualität häufig in Keramik oder Metall verpackt sind und das Gehäuse außerdem mit einer Messingschicht überzogen ist, um kosmische Strahlung und Umgebungen mit hohen Temperaturen zu isolieren. Um die Nebenwirkungen durch Strahlung zu reduzieren, wird beim Verpacken zusätzlich ein Spezialgas eingefüllt.

Derzeit ist die Fahrzeugspezifikationsstufe der Chip mit der höchsten Spezifikation, den Verbraucher sehen können. Gemäß den Anforderungen der Fahrzeugvorschriften muss die Betriebstemperatur zwischen -40 Grad und 125 Grad liegen und außerdem muss es blitz-, feuchtigkeits- und stoßfest sein. Daher müssen bei Chips in Autoqualität beim Verpacken häufig Probleme mit der Wärmeableitung und der Versiegelung berücksichtigt werden. Derzeit sind die meisten Automobilchips in SIP verpackt. Die meisten Module, die eine hohe Rechenstabilität erfordern, sind zum Schutz der Verpackung zusammen integriert. Gleichzeitig wird die Kommunikationsentfernung zwischen verschiedenen Modulen verringert und die Möglichkeit einer Beeinträchtigung bei der Datenübertragung verringert.

Unabhängig davon, ob es sich um einen Chip in Industrie-, Automobil- oder militärischer Luft- und Raumfahrtqualität handelt, müssen nach mehreren Vorbereitungsrunden in der Anfangsphase am Ende strenge Auswahl- und Tests durchgeführt werden. Chips jeder Sorte werden nicht von Chipherstellern hergestellt und sind selbstversiegelt, und die Sorten müssen nach Genehmigung durch die zuständigen inländischen Abteilungen festgelegt werden.

Derzeit werden Chips grob in vier Qualitäten eingeteilt: Verbraucherqualität, Industriequalität, Automobilqualität und Militärqualität (Luft- und Raumfahrt). Chips unterschiedlicher Qualität und Spezifikation stellen vom Design über die Verpackungs- bis zur Testphase unterschiedliche Anforderungen und auch die Einsatzszenarien sind recht unterschiedlich. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Spezifikationen des Chips, desto mehr Chip-Redundanz, desto dichter das Gehäuse und desto komplizierter und strenger der Testprozess.