裴淳

（中國電子科學研究院, 北京 100041）

引言

器件是組成電子產(chǎn)品的最基本單元，是決定電子產(chǎn)品性能和功能的決定因素。由于我國電子行業(yè)起步較晚，國內(nèi)的電子產(chǎn)品中的大部分器件（尤其是集成電路等核心器件）均采購自國外。到2018年，中國進口芯片進口額已經(jīng)高達2.06 萬億元，超過石油成為了最大的進口貨物。隨著國際環(huán)境的變化，自主可控的問題日益突出，以“中興”“華為”等事件為契機，更多的國內(nèi)電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠商為了保證供應鏈的安全，開始逐步尋求國產(chǎn)的器件來替代國外的器件。

出于節(jié)省設計成本的考慮，電子產(chǎn)品的設計者更愿意采用原位替換的方法將國外器件直接更換成國產(chǎn)器件，即在盡量保證電路設計基本不變的前提下直接實現(xiàn)器件的插拔替換。同時出于成本和市場的考慮，國內(nèi)器件生產(chǎn)廠家，也傾向于對標國外器件開展設計，因此其產(chǎn)品在各項參數(shù)方面與國外器件存在較大的相似性

相較于其他替換方法，原位替換雖然更加簡潔高效，但卻可能會為電子產(chǎn)品引入不可控的風險。實際中國產(chǎn)與國外器件在設計、工藝等方面存在著差異，進而會反映到器件的功能和性能方面，最終將影響到整個電子產(chǎn)品運行的安全穩(wěn)定。因此有必要通過替代驗證，確定國內(nèi)外器件的差異，對于存在差異的方面采取有目的的改進設計，最終降低的替代風險。實際上，國內(nèi)的很多單位和企業(yè)（尤其是航天領域）早就開展了替代驗證工作。然而由于缺少系統(tǒng)性的替代驗證項目確定方法，替代驗證項目的選取存在較大的主觀性，有時部分驗證項目存在遺漏，有時又會面臨替代項目過多在有限的時間和經(jīng)費下無法取舍。

現(xiàn)有開展替代驗證最為充分、積累經(jīng)驗最多的是航天領域，針對宇航元器件的應用驗證，已經(jīng)建立了完整的管理、分析、評價體系[1-6]。但上述研究成果僅適用于航天領域，不具有普遍的適用性。一方面國內(nèi)航天領域?qū)τ詈皆骷嵭形褰y(tǒng)一的原則，從元器件研制、生產(chǎn)、驗收、檢驗、使用都開展了監(jiān)督和管理[7]，開展的主要是應用驗證而替代驗證，很多國產(chǎn)器件并不具有對應國外器件型號，同時其他領域也可能無法達到同樣的管控力度和分析試驗水平。例如，航天領域開展了結(jié)構(gòu)分析等試驗來判斷器件的固有可靠性，但這需要使用方對元器件的設計工藝有足夠的了解，同時具有充足的分析技術能力，這對于很多電子產(chǎn)品設計單位很難實現(xiàn)，這些單位可能更多采用的仍是功能性能測試試驗。另一方面，在確定替代驗證項目方法時，現(xiàn)階段采用的仍是基于頭腦風暴和專家經(jīng)驗的確定方法[8]。這種方法存在一定的主觀性，難以避免地會出現(xiàn)遺漏和重復問題。針對上述現(xiàn)狀，本文將給出一種基于知識挖掘和去耦分析的國產(chǎn)器件替代驗證項目確定方法，幫助電子產(chǎn)品設計者快速確定替代驗證開展項目。

1 替代驗證項目確定思路

1.1 資料收集

替代驗證項目確定前需要開展替代驗證相關信息的收集。收集的資料至少包括3 大類。第一類是器件信息，包括國外和國產(chǎn)器件的功能性能、使用環(huán)境等，具體形式包括產(chǎn)品手冊、產(chǎn)品規(guī)范、質(zhì)量保證大綱、鑒定檢驗信息等。第二類是電子產(chǎn)品設計信息，包括待驗證器件所在電路板或者更上一級的電子產(chǎn)品信息，具體形式包括功能設計方案、環(huán)境條件等。第三類是以往使用或驗證信息，包括國產(chǎn)器件以往的使用經(jīng)歷和驗證經(jīng)歷，包括其他電子產(chǎn)品的元器件清單、驗證試驗報告等。

1.2 特性參數(shù)提取

考慮到國外器件產(chǎn)品手冊中的信息較為豐富，基本可以覆蓋設計中的全部要求項目，因此可以用產(chǎn)品手冊中涉及的特性參數(shù)作為初始全集。為方便后續(xù)的必要性分析、去耦分析和具體的試驗的開展，建議將特性參數(shù)分為多個層級。第一層級特性參數(shù)一般包括功能性能特性、邊界環(huán)境特性和可靠性特性。第二層級中功能性能參數(shù)包含功能特性、性能特性、輸入特性、輸出特性、精度特性等；邊界環(huán)境特性包括軟件接口特性、電氣接口特性、物理接口特性、工作環(huán)境特性等。

1.3 對比篩選

圖1 待驗證特性參數(shù)的對比篩選流程圖

待驗證特性參數(shù)的對比篩選流程如圖1 所示。在確定特性參數(shù)全集的基礎上，查閱國產(chǎn)電子器件產(chǎn)品資料，開展第一輪篩選確定是否存在對應的特性參數(shù)描述以及特性參數(shù)在數(shù)值或范圍上是否具有差異，將未提及或有差異的特性參數(shù)篩選出來作為初步待驗證特性參數(shù)。其中差異包括兩個方面，一是在特性參數(shù)典型值數(shù)值或工作/協(xié)議方式上存在不同；二是指國產(chǎn)電子器件的特性參數(shù)在范圍上不相等且無法覆蓋國外電子器件的特性參數(shù)。在上述第一輪篩選后，利用電子產(chǎn)品設計要求資料進行第二輪篩選，確定與設計要求直接相關的特性參數(shù)。例如DSP 的最高浮點計算速度就直接決定了電路的運算能力。對于與設計要求相關性的不明確的特性參數(shù)，可以通過必要性評估進一步進行區(qū)分，將重要度高的驗證特性參數(shù)也作為待驗證特性參數(shù)。

1.4 必要性分析

部分特性參數(shù)與電路功能和性能的映射關系并不明確，這時就需要通過經(jīng)驗評估二者之間的相關性，確定那些可能對電子產(chǎn)品影響較大的參數(shù)。一般可采用專家評分法，半定量的確定特性參數(shù)的影響程度，如可以成立包含電子產(chǎn)品功能設計、接口設計、電路設計、結(jié)構(gòu)設計、軟件設計、電磁設計、可靠性設計在內(nèi)的設計師專家組，每個專家對設計要求非直接相關的特性參數(shù)進行打分（允許專家對不熟悉的特性參數(shù)棄權(quán)不打分）；打分項包括功能影響、接口影響、電路影響、結(jié)構(gòu)影響、軟件影響、電磁影響和可靠性影響；每項分數(shù)均為1～10，其中1 分為影響最小，10 分為影響；對每一個特性參數(shù)計算平均分；當特性參數(shù)的平均分超過設定的閾值時，則認為該特性參數(shù)也時待驗證特性參數(shù)。

1.5 去耦分析

在獲得待驗證特性參數(shù)后，則需要確定對應的替代驗證項目和驗證級別?？梢岳闷骷漠a(chǎn)品手冊確定特性參數(shù)的測試方法，也可以參考相關的測試試驗標準和規(guī)范確定試驗項目。在確定驗證項目后，還需要進一步確定驗證級別（一般可分為器件級、電路級和產(chǎn)品級）和驗證所需的硬件和軟件條件。同時，部分待驗證項目還可能存在重復或者可以合并的情況，針對這種情況應開展去耦分析?？梢酝ㄟ^相關矩陣的方法確定驗證項目的相關性，重點合并那些測試電路、試驗環(huán)境、測試/試驗設備相似的驗證項目。同時還要分析以往的使用環(huán)境和驗證開展情況，刪除那些已經(jīng)在使用中經(jīng)歷或者開展過的驗證項目。通過上述壓縮，確定最終需要開展的替代驗證項目。

2 案例應用

2.1 案例簡介

國產(chǎn)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器件GM4680 為例說明替代驗證項目的確定方法。GM4680 的生產(chǎn)廠家為成都振芯科技股份有限公司，可用作替代AD 公司的AD9680。在本案例中，將在信號接收機的接口模塊中使用上述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器件，實現(xiàn)接收信號從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。

2.2 替代驗證項目確定過程

AD9680 的產(chǎn)品手冊[9]可以從AD 公司官網(wǎng)上直接下載，根據(jù)產(chǎn)品手冊內(nèi)容確定特性參數(shù)全集如表1 所示。對比國外和國產(chǎn)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的特性參數(shù)，電子器件特性參數(shù)提及和存在差距情況如表1 所示。表1 中“可覆蓋”表示國外和國產(chǎn)雖然參數(shù)容限范圍不同，但是國產(chǎn)器件特性參數(shù)可以覆蓋國外器件參數(shù)容限范圍。初步待驗證特性參數(shù)如表1 所示。對初步待驗證特性參數(shù)進行第二次分類篩選，篩選出與設計要求直接相關的特性參數(shù)。與設計要求非直接相關特性參數(shù)（表2中表示為“需要打分”）和第一部分需驗證特性參數(shù)（表2 中表示為“需要驗證”）如表2 所示。

成立負責功能設計、接口設計、電路設計、結(jié)構(gòu)設計、軟件設計、電磁設計、可靠性設計的設計師各一名的專家組，對所有的設計要求非直接相關的特性參數(shù)進行打分評估必要性。最后選擇平均分大于或等于7 的特性參數(shù)為第二部分需驗證特性參數(shù)。合并步驟四中的第一部分需驗證特性參數(shù)和步驟五中的第二部分需驗證特性參數(shù)，完整的需驗證特性參數(shù)如表3 所示。查詢相關標準并結(jié)合軟硬件試驗條件，確定參數(shù)的測試方法、驗證項目和驗證級別名稱如表3 所示。可以看到部分特性參數(shù)的替代驗證項目相同，所以予以合并開展。

對初定替代驗證項目進行進一步的去耦分析，分析結(jié)果如表4 所示，其中數(shù)值從0～10，數(shù)值越高說明替代驗證項目的相關性越強?？梢钥吹皆鲆鏈y試、失調(diào)測試和高溫測試，三者存在較大相關性，實際中失調(diào)測試是常溫零輸入誤差測試、增益測試是常溫變輸入誤差測試、高溫測試是變溫輸入誤差測試，因此三者可以合并為溫度和輸入可調(diào)的精度測試。對合并后的替代驗證項目再次進行耦合分析，分析結(jié)果如表4 所示。

表1 第一次特性參數(shù)篩選表

表2 第二次特性參數(shù)篩選表

表3 完整的需驗證的特性參數(shù)

表4 去耦分析結(jié)果

可以看出所有替代驗證項目均相互獨立，最終確定的替代驗證項目包括精度測試（器件級驗證）、時序分析（板級驗證）、電壓極限測試（器件級驗證）和壽命測試（器件級驗證）共4 項。

3 結(jié)束語

本文以替代驗證器件的信息、電子產(chǎn)品設計信息中挖掘驗證需求，通過對比篩選逐步確定出國內(nèi)外器件存在差異且對電子產(chǎn)品設計有影響的器件特性參數(shù)，通過驗證項目的去藕分析，最給出了替代驗證項目的確定方法，該方法具有較強的普適性和操作性。此外，在實際生產(chǎn)設計時還可能會存在一些隱藏或者變動的設計要求，器件與器件之間、器件與軟件之間也可能存在不可預期的耦合影響關系，因此替代驗證與設計改進相似，也是一個動態(tài)完善的過程。上述分析確定的替代驗證項目可作為驗證最低要求和規(guī)劃參考，在設計過程中應結(jié)合遇到的具體問題，在此基礎上不斷補充完善，以盡可能地降低替代風險。