摘要： 隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，高安全領(lǐng)域如航空航天、衛(wèi)星通信等對電子設(shè)備的可靠性與抗輻照性能提出了極高的要求。CANFD通信芯片作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵組件，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。本文聚焦于抗輻照CANFD通信芯片在高安全領(lǐng)域的國產(chǎn)化替代研究，以廈門國科安芯科技有限公司研發(fā)的ASM1042S芯片為例，深入探討其在抗輻照能力、通信性能及可靠性等方面的表現(xiàn)，分析其國產(chǎn)化替代的可行性與優(yōu)勢，并對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望，旨在為高安全領(lǐng)域的電子設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)程提供有益的參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：抗輻照；CANFD通信芯片；高安全領(lǐng)域；國產(chǎn)化替代；ASM1042S

一、引言

在當(dāng)今全球化背景下，科技競爭日益激烈，尤其是在高安全領(lǐng)域，核心技術(shù)的自主可控成為保障國家信息安全與戰(zhàn)略安全的關(guān)鍵。CANFD（Controller Area Network with Flexible Data Rate）通信技術(shù)以其高數(shù)據(jù)傳輸速率、可靠的錯(cuò)誤控制機(jī)制以及卓越的實(shí)時(shí)性，在航空航天、衛(wèi)星通信、工業(yè)自動化等高安全領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，這些領(lǐng)域所面臨的復(fù)雜惡劣環(huán)境，尤其是空間輻射環(huán)境，對CANFD通信芯片的抗輻照性能構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。長期以來，國外在抗輻照芯片技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，我國在該領(lǐng)域面臨著技術(shù)封鎖與產(chǎn)品依賴的困境。因此，開展抗輻照CANFD通信芯片的國產(chǎn)化替代研究，對于提升我國高安全領(lǐng)域電子設(shè)備的自主可控能力、保障國家關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有極為重要的戰(zhàn)略意義。

二、高安全領(lǐng)域?qū)ANFD通信芯片的需求與挑戰(zhàn)

（一）高安全領(lǐng)域應(yīng)用場景概述

航空航天領(lǐng)域中，飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)、衛(wèi)星的姿態(tài)控制與通信系統(tǒng)等都需要高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸支持。衛(wèi)星通信則要求芯片能夠在太空極端輻射環(huán)境下長時(shí)間穩(wěn)定工作，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確無誤傳輸。工業(yè)自動化中的高安全場景，如核能設(shè)施的監(jiān)控系統(tǒng)、高鐵的列車控制系統(tǒng)等，同樣對通信芯片的抗干擾能力和穩(wěn)定性有著近乎苛刻的要求。

（二）CANFD通信芯片在高安全領(lǐng)域的優(yōu)勢

CANFD技術(shù)在傳統(tǒng)CAN總線基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化升級，大幅提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，最高可達(dá)5Mbps甚至更高，滿足了高安全領(lǐng)域?qū)Υ髷?shù)據(jù)量快速傳輸?shù)男枨蟆Ｆ渚邆涞撵`活數(shù)據(jù)幀格式，能夠更好地適應(yīng)不同類型的傳感器和執(zhí)行器數(shù)據(jù)傳輸要求。同時(shí)，CANFD通信芯片具有強(qiáng)大的錯(cuò)誤檢測與糾正能力，如位填充、循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）等機(jī)制，有效保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｈ欢?，在高安全領(lǐng)域的復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境中，尤其是面對空間輻射環(huán)境中的單粒子效應(yīng)等挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的CANFD通信芯片難以滿足requirements。

（三）空間輻射環(huán)境對CANFD通信芯片的影響

空間輻射環(huán)境中存在的高能粒子，如質(zhì)子、重離子等，當(dāng)它們撞擊芯片時(shí)，會在芯片內(nèi)部產(chǎn)生電離效應(yīng)和位移效應(yīng)。單粒子效應(yīng)是其中最具代表性的危害之一，包括單粒子鎖定（SEL）、單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、單粒子功能中斷（SEFI）等。這些效應(yīng)可能導(dǎo)致芯片的電流激增、邏輯狀態(tài)錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)傳輸中斷甚至芯片永久性損壞，從而引發(fā)系統(tǒng)故障，嚴(yán)重威脅高安全領(lǐng)域任務(wù)的成敗。

三、抗輻照CANFD通信芯片ASM1042S****的研發(fā)與性能特點(diǎn)

（一）芯片研發(fā)背景

國科安芯針對高安全領(lǐng)域?qū)馆椪誄ANFD通信芯片的迫切需求，憑借其在半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)積累與創(chuàng)新能力，成功研發(fā)出ASM1042S芯片。該芯片旨在實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代，打破國外技術(shù)壟斷，為我國高安全領(lǐng)域電子設(shè)備的自主可控發(fā)展提供核心芯片支持。

（二）芯片抗輻照性能設(shè)計(jì)

ASM1042S芯片采用先進(jìn)的半導(dǎo)體制造工藝，并結(jié)合抗輻照設(shè)計(jì)技術(shù)，如模擬電路的加固設(shè)計(jì)、數(shù)字電路的冗余設(shè)計(jì)、布局布線優(yōu)化等，以降低單粒子效應(yīng)等輻射危害對芯片性能的影響。通過合理的電路布局和屏蔽措施，減少了敏感節(jié)點(diǎn)的面積，降低了粒子擊中敏感區(qū)域的概率。同時(shí)，在芯片內(nèi)部設(shè)置了多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測芯片的工作狀態(tài)，一旦檢測到單粒子效應(yīng)引起的異常，可迅速采取措施進(jìn)行處理，如復(fù)位、糾錯(cuò)等，確保芯片的正常運(yùn)行。

（三）芯片通信性能參數(shù)

ASM1042S芯片支持高達(dá)5Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足高安全領(lǐng)域?qū)焖贁?shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。其共模輸入電壓范圍為?0V，具備較強(qiáng)的抗干擾能力。芯片支持3.3V和5VMCUIO接口，具有良好的兼容性，能夠方便地與不同廠商的微控制器進(jìn)行集成。此外，ASM1042S芯片還具備低功耗待機(jī)模式及遠(yuǎn)程喚醒請求特性，有助于延長設(shè)備的使用壽命并降低能耗。

（四）芯片可靠性與保護(hù)特性

ASM1042S芯片通過了AEC-Q100Grade1認(rèn)證，證明了其在可靠性方面的卓越表現(xiàn)。芯片具備多種保護(hù)特性，如IECESD保護(hù)高達(dá)±15kV，總線故障保護(hù)電壓可達(dá)±70V，VCC和VIO（僅限V型號）電源終端具有欠壓保護(hù)，驅(qū)動器顯性超時(shí)（TXDDTO）保護(hù)以及熱關(guān)斷保護(hù)（TSD）等。這些保護(hù)特性有效提高了芯片在復(fù)雜惡劣環(huán)境下的生存能力和可靠性，降低了系統(tǒng)維護(hù)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

四、ASM1042S****芯片抗輻照性能測試與評估

（一）單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)

依據(jù)ASM1042S芯片的單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)，試驗(yàn)采用皮秒脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗(yàn)裝置，利用激光正面輻照芯片，模擬空間輻射環(huán)境中的單粒子效應(yīng)。試驗(yàn)設(shè)定了不同等效激光能量，對應(yīng)LET（LinearEnergyTransfer，線性能量傳輸）范圍值為5、15、25、37、75、100MeV?cm2/mg，以評估芯片在不同輻射強(qiáng)度下的抗單粒子效應(yīng)能力。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，ASM1042SS型can-fd在5V的工作條件下，當(dāng)激光能量提升至3050pJ（對應(yīng)LET值為100±25）MeV?cm2/mg時(shí)，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。這一結(jié)果表明ASM1042S芯片在抗單粒子效應(yīng)方面具有出色的表現(xiàn)，能夠在較高強(qiáng)度的輻射環(huán)境下保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，滿足高安全領(lǐng)域?qū)π酒馆椪招阅艿膰?yán)苛要求。

（二）其他抗輻照性能測試

除了單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)外，ASM1042S芯片還經(jīng)過了一系列其他抗輻照性能測試，如通過37MeV.cm2/mg重粒子試驗(yàn)，其電氣性能參數(shù)變化較小，依然能夠正常工作。這些測試結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了ASM1042S芯片在復(fù)雜輻射環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性，為其在高安全領(lǐng)域的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

五、ASM1042S****芯片在高安全領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢與國產(chǎn)化替代可行性分析

（一）應(yīng)用優(yōu)勢

自主可控與信息安全保障 ：作為國產(chǎn)化替代芯片，ASM1042S的研發(fā)與生產(chǎn)過程完全自主可控，避免了對國外技術(shù)的依賴，降低了因國外技術(shù)封鎖或供應(yīng)中斷帶來的風(fēng)險(xiǎn)。這有助于保障我國高安全領(lǐng)域電子設(shè)備的信息安全，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)的自主可控與保密性。

卓越的抗輻照性能 ：經(jīng)過嚴(yán)格的抗輻照性能測試，ASM1042S芯片在單粒子效應(yīng)等復(fù)雜輻射環(huán)境下表現(xiàn)出色，能夠在太空輻射等惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作。這使得其能夠滿足航空航天、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域?qū)π酒馆椪漳芰Φ母邩?biāo)準(zhǔn)要求，保障系統(tǒng)在長期運(yùn)行過程中的可靠性與穩(wěn)定性。

高性能通信能力 ：具備高達(dá)5Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率和靈活的數(shù)據(jù)幀格式，能夠高效地處理高安全領(lǐng)域中大量傳感器數(shù)據(jù)和控制指令的快速傳輸需求。其低功耗待機(jī)模式及遠(yuǎn)程喚醒功能，在保證通信性能的同時(shí)，有助于延長設(shè)備電池壽命，降低能耗，特別適用于對能耗敏感的航空航天等應(yīng)用場景。

高可靠性和完善的保護(hù)特性 ：通過多項(xiàng)可靠性認(rèn)證和具備多種完善的保護(hù)特性，如ESD保護(hù)、總線故障保護(hù)、欠壓保護(hù)等，ASM1042S芯片能夠在復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境中有效抵御各種干擾和異常情況，減少系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備的維護(hù)效率和使用壽命，降低總體擁有成本。

（二）國產(chǎn)化替代可行性分析

技術(shù)性能達(dá)標(biāo) ：ASM1042S芯片在通信性能、抗輻照性能和可靠性等方面均達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，能夠滿足高安全領(lǐng)域?qū)ANFD通信芯片的各項(xiàng)要求。其與國際主流芯片的兼容性設(shè)計(jì)，使得在現(xiàn)有系統(tǒng)中進(jìn)行國產(chǎn)化替代時(shí)，無需對整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行大規(guī)模修改，降低了替代成本和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

產(chǎn)業(yè)生態(tài)支持 ：隨著我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，國產(chǎn)芯片的產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善。從芯片設(shè)計(jì)、制造到封裝測試，各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力都在不斷提升，為ASM1042S芯片的量產(chǎn)和應(yīng)用提供了有力的產(chǎn)業(yè)支撐。同時(shí)，國內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和高校在半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)方面的投入不斷增加，為國產(chǎn)芯片的技術(shù)創(chuàng)新和人才培養(yǎng)提供了源源不斷的動力。

政策環(huán)境有利 ：國家對集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給予了高度重視，出臺了一系列政策措施，旨在推動我國集成電路產(chǎn)業(yè)的自主可控發(fā)展。這些政策為ASM1042S芯片的國產(chǎn)化替代提供了良好的政策環(huán)境和發(fā)展機(jī)遇，鼓勵(lì)國內(nèi)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)加大研發(fā)力度，提升國產(chǎn)芯片的技術(shù)水平和市場競爭力。

六、ASM1042S****芯片在高安全領(lǐng)域的具體應(yīng)用場景分析

（一）航空航天領(lǐng)域

衛(wèi)星通信系統(tǒng) ：在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，ASM1042S芯片可應(yīng)用于衛(wèi)星的星載計(jì)算機(jī)、信號處理模塊以及地面站與衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)傳輸鏈路中。由于衛(wèi)星在太空運(yùn)行過程中長期受到宇宙射線的輻射影響，芯片的抗輻照性能至關(guān)重要。ASM1042S芯片的高抗輻照能力確保了衛(wèi)星通信系統(tǒng)在復(fù)雜的太空環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，避免了因芯片故障導(dǎo)致的通信中斷或數(shù)據(jù)丟失，保障衛(wèi)星任務(wù)的順利完成。

飛機(jī)航空電子系統(tǒng) ：飛機(jī)的航空電子系統(tǒng)涵蓋了飛行控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等多個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)之間需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交互。ASM1042S芯片的高速CANFD通信能力和高可靠性特性，能夠滿足飛機(jī)航空電子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求。同時(shí)，其抗輻照性能也為飛機(jī)在高海拔飛行過程中可能受到的宇宙射線影響提供了防護(hù)保障，降低了系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)，提高了飛機(jī)的飛行安全性。

（二）工業(yè)自動化領(lǐng)域

核能設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng) ：核能設(shè)施的安全運(yùn)行至關(guān)重要，其監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集大量的傳感器數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、輻射劑量等，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理和傳輸，以實(shí)現(xiàn)對核反應(yīng)堆狀態(tài)的精確監(jiān)控和控制。ASM1042S芯片在核能設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠充分發(fā)揮其高抗輻照性能和可靠的數(shù)據(jù)傳輸能力，確保在核輻射環(huán)境下監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為核能設(shè)施的安全運(yùn)行提供有力保障。

高鐵列車控制系統(tǒng) ：高鐵列車的運(yùn)行速度高，對列車控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性要求極高。列車控制系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)，如牽引控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、信號控制系統(tǒng)等，需要通過高速通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和協(xié)同工作。ASM1042S芯片的CANFD通信技術(shù)能夠?yàn)楦哞F列車控制系統(tǒng)提供高帶寬、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸通道，確保列車控制系統(tǒng)的指令快速準(zhǔn)確無誤地傳輸，保障高鐵列車的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，芯片的抗干擾能力和可靠性特性也有助于應(yīng)對高鐵運(yùn)行過程中可能遇到的各種復(fù)雜電磁環(huán)境和振動等惡劣條件。

（三）醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域

醫(yī)療影像設(shè)備 ：在醫(yī)療影像設(shè)備如CT機(jī)、MRI機(jī)等中，ASM1042S芯片可用于設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集模塊與圖像處理模塊之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。醫(yī)療影像設(shè)備在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的圖像數(shù)據(jù)，需要快速傳輸和處理以實(shí)現(xiàn)對患者病情的及時(shí)診斷。ASM1042S芯片的高速通信能力能夠滿足醫(yī)療影像設(shè)備對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，同時(shí)其高可靠性和抗干擾性能確保了圖像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，提高了醫(yī)療診斷的準(zhǔn)確性和效率。

放射治療設(shè)備 ：放射治療設(shè)備是一種用于癌癥治療的高精度醫(yī)療設(shè)備，其在工作過程中會產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射環(huán)境。ASM1042S芯片的抗輻照性能使其能夠在放射治療設(shè)備的控制系統(tǒng)中穩(wěn)定工作，確保設(shè)備的精確控制和治療過程的安全性。芯片的可靠通信能力也有助于實(shí)現(xiàn)放射治療設(shè)備與醫(yī)院信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，提高醫(yī)療服務(wù)的質(zhì)量和管理水平。

七、結(jié)論

本文深入探討了抗輻照CANFD通信芯片在高安全領(lǐng)域國產(chǎn)化替代的重要性和緊迫性，以ASM1042S芯片為例，詳細(xì)分析了其在抗輻照性能、通信性能、可靠性等方面的特點(diǎn)和優(yōu)勢，并對其在航空航天、工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備等高安全領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

通過對ASM1042S芯片的研究與分析，我們可以看到國產(chǎn)抗輻照CANFD通信芯片在技術(shù)性能上已經(jīng)取得了顯著突破，具備了替代國外同類產(chǎn)品的潛力。未來，隨著我國半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的逐步完善，國產(chǎn)抗輻照CANFD通信芯片有望在高安全領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，為我國的國家安全和科技進(jìn)步提供有力的技術(shù)支撐。

審核編輯 黃宇