一、引言

（一）研究背景

在現代科技的快速發展中，電子系統在高輻射環境中的應用日益廣泛，尤其是在航空航天、核工業以及軍事裝備等領域。這些領域對電子設備的可靠性和穩定性提出了極高的要求。然而，高輻射環境中的高能粒子輻射會對電子芯片產生嚴重影響，常見的輻射效應包括單粒子翻轉（SEU）和單粒子鎖定（SEL）。SEU是指高能粒子撞擊芯片內部的敏感區域，導致存儲單元或邏輯狀態發生意外翻轉；SEL則是指高能粒子引發的短路效應，可能導致芯片或系統功能異常甚至損壞。

CANFD（Controller Area Network with Flexible Data Rate）作為一種高效的通信協議，因其靈活的數據速率（最高可達5Mbps）和擴展的數據幀（最大64字節）等優勢，已經成為工業與汽車領域的主流通信協議。然而，傳統CANFD芯片的抗輻照能力相對較弱，難以滿足高輻射環境的需求。近年來，隨著技術的不斷進步，抗輻照CANFD芯片逐漸成為研究熱點。

（二）研究目的與意義

本文旨在系統分析CANFD芯片在輻射環境中的技術演進路徑，重點關注其抗輻照設計的關鍵技術、性能提升以及面臨的挑戰。通過深入研究，本文期望為行業提供技術升級路徑與市場策略的參考。

二、技術演進與核心突破

（一）抗輻照設計的關鍵技術

抗輻照芯片的核心設計策略在于“加固+容錯+屏蔽”三重防護機制。這三種機制相互配合，共同提升芯片在高輻射環境下的可靠性。

①加固設計

工藝優化 ：通過先進的半導體工藝優化，可以顯著提升芯片的抗輻照能力。例如，采用深亞微米工藝可以減少芯片內部的缺陷密度，從而降低輻射對芯片的影響。此外，優化的晶體管設計可以提高其在高能粒子轟擊下的穩定性。

封裝優化 ：封裝技術對抗輻照性能也起著關鍵作用。例如，采用陶瓷封裝可以有效阻擋外部輻射的侵入，同時提供良好的散熱性能。此外，優化的封裝布局可以減少電磁干擾，進一步提升芯片的可靠性。

總線故障保護 ：在高輻射環境下，總線故障是常見的問題之一。通過設計高電壓保護機制，可以有效防止總線故障對芯片的損壞。例如，國科安芯的ASM1042系列芯片能夠實現高達±70V的總線故障保護電壓（H型號），遠超普通芯片的±40V水平。

②容錯機制

顯性超時保護 ：在CANFD通信中，顯性超時保護機制可以有效防止總線阻塞。通過設置合理的超時時間（如1.2ms3.8ms），可以在檢測到總線故障時及時切斷通信，避免進一步的損壞。ASM1042系列芯片的顯性超時時間tTXD_DTO為1.2ms3.8ms。

熱關斷保護 ：在高輻射環境下，芯片容易出現過熱問題。通過內置的熱關斷保護機制，可以在芯片溫度超過設定閾值時自動切斷電源，從而避免因過熱導致的損壞。ASM1042系列芯片具備熱關斷保護功能，能夠有效防止因過熱導致的損壞。

循環延遲優化 ：在高負載網絡環境中，循環延遲的優化對于實時性至關重要。通過優化芯片的內部設計，可以將循環延遲降低到110ns的典型值，從而確保系統的實時性。ASM1042系列芯片的典型循環延遲為110ns。

③屏蔽優化

電磁兼容性（EMC）設計 ：通過優化封裝布局，可以提升芯片的電磁兼容性（EMC）性能。例如，ASM1042系列芯片的EMC性能符合SAEJ2962-2標準，在最高500kbps的速率下無需共模扼流圈。

材料選擇 ：選擇高屏蔽性能的材料也是提升抗輻照能力的重要手段，可以有效阻擋高能粒子的侵入，減少輻射對芯片內部電路的影響。

（二）CANFD協議的性能升級

隨著技術的不斷進步，抗輻照CANFD芯片在協議性能方面也取得了顯著的提升。這些性能升級主要體現在以下幾個方面：

①高速通信能力

通信速率提升 ：新一代抗輻照CANFD芯片能夠支持高達5Mbps的通信速率，符合ISO11898-2:2016標準。這種高速通信能力使得芯片能夠在高負載網絡環境中高效傳輸數據。ASM1042系列芯片支持5Mbps的數據速率。

兼容性優化 ：為了滿足不同應用場景的需求，抗輻照CANFD芯片還優化了與多種電壓的MCU接口的兼容性。例如，ASM1042系列芯片支持3.3V/5V的MCU接口。

②低功耗設計

待機功耗降低 ：在高輻射環境下，芯片的功耗控制對于系統的穩定性和可靠性至關重要。通過優化芯片的電路設計，可以將待機功耗降低到0.5μA的水平。ASM1042系列芯片的待機功耗低至0.5μA。

動態功耗管理 ：除了降低待機功耗外，動態功耗管理也是提升芯片性能的重要手段。通過智能的功耗管理系統，芯片可以根據實際通信需求動態調整功耗，從而在保證性能的同時降低能耗。

③延時優化

隱性-顯性切換延時 ：在CANFD通信中，隱性-顯性切換延時是影響系統實時性的重要因素之一。新一代抗輻照CANFD芯片通過優化內部電路設計，將隱性-顯性切換延時降低到100ns的典型值。ASM1042系列芯片的隱性-顯性切換延時tPROP(LOOP1)典型值為100ns。

三、行業分析：技術融合與新興機遇

（一）技術融合驅動創新

異構集成

集成設計 ：下一代抗輻照CANFD芯片將朝著集成MCU與CANFD收發器的方向發展。這種異構集成設計可以減少芯片數量，降低系統復雜度，同時提升系統的整體性能。例如，集成設計可以實現更高效的通信和數據處理，提升系統的實時性和可靠性。

多電壓設計支持 ：為了滿足不同應用場景的需求，抗輻照CANFD芯片需要支持多種電壓的系統設計。例如，ASM1042系列芯片的VIO引腳支持3.3V/5V兼容，為多電壓設計提供了接口支持。

工藝升級

更高工藝節點 ：隨著半導體工藝技術的不斷進步，抗輻照CANFD芯片將向更高工藝節點遷移。例如，從深亞微米工藝向納米工藝升級，可以顯著提升芯片的性能和集成度。更高的工藝節點可以實現更小的晶體管尺寸，從而提升芯片的運算速度和降低功耗。

性能提升目標 ：工藝升級的目標是提升芯片的抗輻照能力，同時降低功耗。ASM1042系列芯片的SEU耐受能力已經達到≥75Mev·cm2/mg，未來有望進一步提升。

（二）新興應用場景拓展

智能電網領域

特高壓變電站 ：特高壓變電站等智能電網設施對芯片的耐受能力提出了新的挑戰。特高壓變電站需要在高電壓、強電磁干擾的環境下穩定運行，芯片需要具備高耐壓和良好的電磁兼容性。ASM1042系列芯片的±58V總線保護電壓（非H型號）使其有望在智能電網的通信與控制領域得到廣泛應用。

分布式能源管理 ：隨著分布式能源的快速發展，智能電網對通信芯片的需求也在不斷增加。ASM1042系列芯片的高速通信能力和低功耗設計使其能夠滿足分布式能源管理系統的通信需求，提升系統的運行效率和可靠性。

無人系統領域

無人機群通信 ：無人機群通信需要高實時性與抗干擾能力，以確保在復雜環境下的穩定通信。ASM1042系列芯片的5Mbps速率和110ns延時優勢顯著，能夠滿足無人機群通信的需求，提升無人機群的協同作戰能力。

無人車控制系統 ：無人車控制系統對芯片的抗輻照能力和可靠性要求極高。ASM1042系列芯片能夠在高輻射環境下穩定運行，同時具備低功耗和高實時性，使其成為無人車控制系統的核心部件之一。

四、結論與展望

國產抗輻照CANFD芯片已經實現了從“跟跑”到“并跑”的跨越，未來的發展需要聚焦于以下幾個關鍵方向：

（一）技術縱深

先進工藝突破 ：突破先進工藝技術瓶頸，開發自適應糾錯算法，進一步提升芯片在極端環境下的適應性。通過工藝升級和算法優化，可以顯著提升芯片的抗輻照能力，降低功耗，提升性能。

可靠性提升 ：通過優化芯片的內部設計和封裝技術，提升芯片的可靠性和穩定性。例如，采用高屏蔽性能的材料和優化的封裝布局，可以有效阻擋高能粒子的侵入，減少輻射對芯片內部電路的影響。

（二）市場滲透

國家重大工程應用 ：瞄準衛星互聯網、核聚變裝置等國家重大工程領域，加速國產抗輻照CANFD芯片對進口產品的替代進程。通過與國家重大工程項目的緊密結合，可以提升國產芯片的市場認可度，加速國產化替代進程。

國際市場拓展 ：在滿足國內市場需求的基礎上，積極拓展國際市場。通過提升芯片的性能和可靠性，降低產品成本，提升國產抗輻照CANFD芯片在國際市場的競爭力。

（三）生態構建

行業標準制定 ：聯合上下游企業共同制定抗輻照CANFD芯片的行業標準，提升整個產業鏈的競爭力。通過制定統一的技術標準，可以規范市場秩序，提升產品質量，促進產業的健康發展。

“芯片-系統-服務”一體化解決方案 ：打造“芯片-系統-服務”一體化的解決方案，提升國產抗輻照CANFD芯片的市場競爭力。通過提供從芯片到系統集成再到售后服務的一體化解決方案，可以更好地滿足客戶需求，提升客戶滿意度。

審核編輯 黃宇