• 可靠性不再僅僅以年計量。用例正在發(fā)生巨大的變化?，F(xiàn)在的汽車在90％到95％的時間是閑置的，但自動駕駛汽車可能只有5％到10％的時間在閑置。這會影響電子產(chǎn)品的架構(gòu)和開發(fā)技術(shù)的潛在商業(yè)模式。

• 隨著邊緣電子設(shè)備變得更加復(fù)雜，人們對功能性和「足夠好」的定義也有所不同。過去，如果無人機(jī)或機(jī)器人上的攝像頭被損壞或弄臟，通常會被換掉。但隨著邊緣設(shè)備中的電子產(chǎn)品變得越來越復(fù)雜，可以保證其有足夠功能的條件下，補(bǔ)償已破裂的攝像頭。另一方面，由于更嚴(yán)格的系統(tǒng)容差，在不太復(fù)雜的系統(tǒng)中可被接受的部分在復(fù)雜的系統(tǒng)中可能不會被接受。

• 影響老化和質(zhì)量建模的因素比過去更多。雖然其中一些在開發(fā)芯片時可能不明顯，但與在PCB上相比，一個已知良好的芯片與其它芯片封裝在一起時可能有不同的表現(xiàn)。

整個電子產(chǎn)品領(lǐng)域，用例（use cases）在發(fā)生變化。即使在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部也是如此，盡管歷史上在采用新技術(shù)和新方法時數(shù)據(jù)中心也非常保守。

Helic市場副總裁Magdy Abadir表示：「芯片正在加速老化從而發(fā)生故障。它們時鐘可能會缺失或發(fā)生額外的抖動，或是發(fā)生電介質(zhì)擊穿。任何時候都有可能發(fā)生一件什么事讓你擔(dān)心。在偶爾使用電子產(chǎn)品的時代許多老化模型是先進(jìn)的，但現(xiàn)在芯片一直在運(yùn)行，在芯片內(nèi)部，模塊也在升溫，因此老化加速，而老化的芯片會出現(xiàn)各種奇怪的現(xiàn)象。許多公司目前還沒有修改他們的老化模型。他們假設(shè)這些設(shè)備可以持續(xù)三到四年，但它們可能很快就失效?？紤]到從開始設(shè)計時的利潤就很小，老化可能將他們拋棄。」

在汽車領(lǐng)域芯片利用率趨勢也在發(fā)生變化，并且會持續(xù)到可以取代人類司機(jī)的全自動汽車出現(xiàn)的時候。汽車正在處理越來越多的數(shù)據(jù)，其中一些從雷達(dá)、激光雷達(dá)和照相機(jī)等傳感器流式傳輸而來。所有這些數(shù)據(jù)處理的時間都需要比過去更短，準(zhǔn)確度更高，這些給電子設(shè)備帶來了巨大的壓力。

ADAS的首席技術(shù)專家Norman Chang說：「與過去的兩到五年不同，ADAS的可靠性至少為十五年。老化不僅僅指時間上的老化，也與負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性（NBTI）、與熱量有關(guān)的電遷移率、靜電放電（ESD）和熱耦合有關(guān)?！?/p>

圖1：芯片和封裝的熱建模。來源：ANSYS

雖然許多汽車一級供應(yīng)商都構(gòu)建可以承受極端溫度、機(jī)械震動和各種噪聲的芯片，但使用較長時間的先進(jìn)節(jié)點(diǎn)CMOS從未有過這類壓力。許多業(yè)內(nèi)人士證實(shí)，汽車制造商正在開發(fā)10 / 7nm芯片來管理所有這些數(shù)據(jù)，并在前沿節(jié)點(diǎn)工作，避免他們的設(shè)計過時，這些設(shè)計通常用于近幾代的汽車。問題在于實(shí)際數(shù)據(jù)非常少，無法證明隨著時間的推移，這些設(shè)備在任何環(huán)境條件下可以可靠運(yùn)行。

Segars說：「你必須做不同的設(shè)計。有一種想法是，你將需要更少的汽車，因?yàn)樗鼈儾粫恢碧幱陂e置狀態(tài)。但另一派認(rèn)為自動駕駛汽車將跑得越來越快，也將會快地磨損，最后所有東西都會磨損。挑戰(zhàn)在于，確保電子部件不會比機(jī)械部件先磨損，這就要求設(shè)計有所不同。這包括從嚴(yán)肅對待噪聲到減小峰值電流的所有事情?！?/p> 更薄的絕緣層，更薄的襯底

圖2：出什么問題了。來源：Fraunhofer

每個新的節(jié)點(diǎn)下工藝偏差都會增加。在過去的十年里，智能手機(jī)推動了縮小路線圖（iPhone于2007年推出）的前進(jìn)?，F(xiàn)在，先進(jìn)節(jié)點(diǎn)技術(shù)的最大用戶是用于數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、AI和云的服務(wù)器。

工藝偏差和可靠性之間的聯(lián)系已有詳細(xì)的記錄，但偏差的存在使老化模型更難準(zhǔn)確地建立。為解決這個問題，提出過許多不同的方法，從復(fù)雜的統(tǒng)計建模和仿真到將傳感器放在芯片上或?qū)ζ溥M(jìn)行封裝。

到目前為止，大多數(shù)老化/退化建模都集中在數(shù)字電路上。模擬為老化提供了一個不同的視角。

Moortec首席技術(shù)官Oliver King表示：「由于產(chǎn)品核心部件有領(lǐng)先的芯片，因此公司對老化和工藝偏差有很好的理解，所以它們不會盲目前進(jìn)。模擬有許多可變的效應(yīng)。數(shù)字芯片可能會不能使用，但對于模擬來說，它可能稍微不好或電路稍有缺陷，所以你必須對此進(jìn)行調(diào)整。傳統(tǒng)模擬開發(fā)人員不像數(shù)字開發(fā)人員那樣推動幾何效應(yīng)的增長。電遷移仍是一個問題，電流密度也是問題，但并沒有出現(xiàn)很多老化效應(yīng)。盡管如此，芯片也需要更積極的維修，以及是否要采取行動?！?/p>

Rambus產(chǎn)品管理高級總監(jiān)Frank Ferro觀點(diǎn)類似：「有了物理層（PHY），最大的挑戰(zhàn)是環(huán)境溫度。隨著溫度的升高，性能發(fā)生漂移，所以你需要重新校準(zhǔn)。對于消費(fèi)者來說，有「圣誕節(jié)測試」這種東西。在天冷的時候，你在車庫里存放一臺Playstation或其他電子設(shè)備，然后在圣誕節(jié)早上開啟它，電路需要能夠從冷開始馬上運(yùn)作。這與汽車或基站的存儲系統(tǒng)類似。老化會對這些系統(tǒng)產(chǎn)生影響，你需要重新校準(zhǔn)系統(tǒng)來減弱這些影響。」

Ferro說，物理層經(jīng)過與數(shù)字元件相同的資格認(rèn)證，包括老化和電壓和溫度變化的測試。但物理層的設(shè)計目的是隨著這些變化而變化，這些很難被設(shè)計成數(shù)字電路，特別是在先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)工藝，先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)工藝下，margining對功率和性能有一定的影響。

模擬電路通常基于所謂的「任務(wù)概況」而設(shè)計。因此，自動駕駛汽車中的特定功能將代表為自動駕駛汽車IP設(shè)計的任務(wù)概況。

Cadence的IC和PCB部門高級營銷經(jīng)理Art Schaldenbrand說：「我們看到的一個重要問題是，根據(jù)它們的運(yùn)作方式，不僅有一種情況。設(shè)備失效有很多可能，所以我們看不同的壓力下什么可能會失效。10％的設(shè)備偏置溫度不穩(wěn)定性（BTI）可能會導(dǎo)致失效，但這是最糟糕的壓力。所以我們需要更好的方式來表達(dá)退化。finFET與平面器件的應(yīng)力不同，所以需要模擬不同的現(xiàn)象。」

隨著摩爾定律的減緩，越來越多的公司開始采用先進(jìn)的封裝來提高性能，并提供更多的設(shè)計靈活性。目前為止，，如何對先進(jìn)的包裝進(jìn)行建模以確定壓力和老化尚不完全清楚。一部分原因在于，有很多的封裝可供選擇，沒有人能確定哪一個是最好的。還有一部分的原因在于，許多這些封裝都相對較新，封裝內(nèi)部需要隨著時間去探究。

Helic Abadir說：「封裝層可能太靠近其他組件或來自另一側(cè)的應(yīng)力。這需要建模。及時在其老化之前，它也必須建立其老化模型，因?yàn)樾?yīng)在增多。所以放置方式尤其重要，如果你移動一下，那你就改變了共振頻率。沒有簡單的方法。你必須通過分析和設(shè)計，如果發(fā)現(xiàn)了問題，你可能需要移動?！?/p>

隨著設(shè)計轉(zhuǎn)移到先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)或出于安全考慮新市場中使用時間的增加，老化、壓力和其他效應(yīng)變得越來越成問題。

Fraunhofer的 Lange 說：「這取決于客戶今天提出的問題。談話的對象不同，他們的出發(fā)點(diǎn)不同，但問題的頻率有更大的。許多人只在開始，他們看到了更高的電壓和更高的溫度，并在進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)來推斷過應(yīng)力。但了解退化如何影響整個電路更困難。 對于復(fù)雜的芯片還有很多工作要做?！?/p>

但隨著對它的重視，解決這些問題的投資也會增加。芯片設(shè)計師剛剛注意到退化建模和老化問題。 與十年前的功耗一樣，這一切都將改變。