一、引言

（一）研究背景

在现代科技的快速发展中，电子系统在高辐射环境中的应用日益广泛，尤其是在航空航天、核工业以及军事装备等领域。这些领域对电子设备的可靠性和稳定性提出了极高的要求。然而，高辐射环境中的高能粒子辐射会对电子芯片产生严重影响，常见的辐射效应包括单粒子翻转（SEU）和单粒子锁定（SEL）。SEU是指高能粒子撞击芯片内部的敏感区域，导致存储单元或逻辑状态发生意外翻转；SEL则是指高能粒子引发的短路效应，可能导致芯片或系统功能异常甚至损坏。

CANFD（Controller Area Network with Flexible Data Rate）作为一种高效的通信协议，因其灵活的数据速率（最高可达5Mbps）和扩展的数据帧（最大64字节）等优势，已经成为工业与汽车领域的主流通信协议。然而，传统CANFD芯片的抗辐照能力相对较弱，难以满足高辐射环境的需求。近年来，随着技术的不断进步，抗辐照CANFD芯片逐渐成为研究热点。

（二）研究目的与意义

本文旨在系统分析CANFD芯片在辐射环境中的技术演进路径，重点关注其抗辐照设计的关键技术、性能提升以及面临的挑战。通过深入研究，本文期望为行业提供技术升级路径与市场策略的参考。

二、技术演进与核心突破

（一）抗辐照设计的关键技术

抗辐照芯片的核心设计策略在于“加固+容错+屏蔽”三重防护机制。这三种机制相互配合，共同提升芯片在高辐射环境下的可靠性。

①加固设计

工艺优化：通过先进的半导体工艺优化，可以显著提升芯片的抗辐照能力。例如，采用深亚微米工艺可以减少芯片内部的缺陷密度，从而降低辐射对芯片的影响。此外，优化的晶体管设计可以提高其在高能粒子轰击下的稳定性。

封装优化：封装技术对抗辐照性能也起着关键作用。例如，采用陶瓷封装可以有效阻挡外部辐射的侵入，同时提供良好的散热性能。此外，优化的封装布局可以减少电磁干扰，进一步提升芯片的可靠性。

总线故障保护：在高辐射环境下，总线故障是常见的问题之一。通过设计高电压保护机制，可以有效防止总线故障对芯片的损坏。例如，国科安芯的ASM1042系列芯片能够实现高达±70V的总线故障保护电压（H型号），远超普通芯片的±40V水平。

②容错机制

显性超时保护：在CANFD通信中，显性超时保护机制可以有效防止总线阻塞。通过设置合理的超时时间（如1.2ms~3.8ms），可以在检测到总线故障时及时切断通信，避免进一步的损坏。ASM1042系列芯片的显性超时时间tTXD_DTO为1.2ms~3.8ms。

热关断保护：在高辐射环境下，芯片容易出现过热问题。通过内置的热关断保护机制，可以在芯片温度超过设定阈值时自动切断电源，从而避免因过热导致的损坏。ASM1042系列芯片具备热关断保护功能，能够有效防止因过热导致的损坏。

循环延迟优化：在高负载网络环境中，循环延迟的优化对于实时性至关重要。通过优化芯片的内部设计，可以将循环延迟降低到110ns的典型值，从而确保系统的实时性。ASM1042系列芯片的典型循环延迟为110ns。

③屏蔽优化

电磁兼容性（EMC）设计：通过优化封装布局，可以提升芯片的电磁兼容性（EMC）性能。例如，ASM1042系列芯片的EMC性能符合SAEJ2962-2标准，在最高500kbps的速率下无需共模扼流圈。

材料选择：选择高屏蔽性能的材料也是提升抗辐照能力的重要手段，可以有效阻挡高能粒子的侵入，减少辐射对芯片内部电路的影响。

（二）CANFD协议的性能升级

随着技术的不断进步，抗辐照CANFD芯片在协议性能方面也取得了显著的提升。这些性能升级主要体现在以下几个方面：

①高速通信能力

通信速率提升：新一代抗辐照CANFD芯片能够支持高达5Mbps的通信速率，符合ISO11898-2:2016标准。这种高速通信能力使得芯片能够在高负载网络环境中高效传输数据。ASM1042系列芯片支持5Mbps的数据速率。

兼容性优化：为了满足不同应用场景的需求，抗辐照CANFD芯片还优化了与多种电压的MCU接口的兼容性。例如，ASM1042系列芯片支持3.3V/5V的MCU接口。

②低功耗设计

待机功耗降低：在高辐射环境下，芯片的功耗控制对于系统的稳定性和可靠性至关重要。通过优化芯片的电路设计，可以将待机功耗降低到0.5μA的水平。ASM1042系列芯片的待机功耗低至0.5μA。

动态功耗管理：除了降低待机功耗外，动态功耗管理也是提升芯片性能的重要手段。通过智能的功耗管理系统，芯片可以根据实际通信需求动态调整功耗，从而在保证性能的同时降低能耗。

③延时优化

隐性-显性切换延时：在CANFD通信中，隐性-显性切换延时是影响系统实时性的重要因素之一。新一代抗辐照CANFD芯片通过优化内部电路设计，将隐性-显性切换延时降低到100ns的典型值。ASM1042系列芯片的隐性-显性切换延时tPROP(LOOP1)典型值为100ns。

三、行业分析：技术融合与新兴机遇

（一）技术融合驱动创新

异构集成

集成设计：下一代抗辐照CANFD芯片将朝着集成MCU与CANFD收发器的方向发展。这种异构集成设计可以减少芯片数量，降低系统复杂度，同时提升系统的整体性能。例如，集成设计可以实现更高效的通信和数据处理，提升系统的实时性和可靠性。

多电压设计支持：为了满足不同应用场景的需求，抗辐照CANFD芯片需要支持多种电压的系统设计。例如，ASM1042系列芯片的VIO引脚支持3.3V/5V兼容，为多电压设计提供了接口支持。

工艺升级

更高工艺节点：随着半导体工艺技术的不断进步，抗辐照CANFD芯片将向更高工艺节点迁移。例如，从深亚微米工艺向纳米工艺升级，可以显著提升芯片的性能和集成度。更高的工艺节点可以实现更小的晶体管尺寸，从而提升芯片的运算速度和降低功耗。

性能提升目标：工艺升级的目标是提升芯片的抗辐照能力，同时降低功耗。ASM1042系列芯片的SEU耐受能力已经达到≥75Mev·cm²/mg，未来有望进一步提升。

（二）新兴应用场景拓展

智能电网领域

特高压变电站：特高压变电站等智能电网设施对芯片的耐受能力提出了新的挑战。特高压变电站需要在高电压、强电磁干扰的环境下稳定运行，芯片需要具备高耐压和良好的电磁兼容性。ASM1042系列芯片的±58V总线保护电压（非H型号）使其有望在智能电网的通信与控制领域得到广泛应用。

分布式能源管理：随着分布式能源的快速发展，智能电网对通信芯片的需求也在不断增加。ASM1042系列芯片的高速通信能力和低功耗设计使其能够满足分布式能源管理系统的通信需求，提升系统的运行效率和可靠性。

无人系统领域

无人机群通信：无人机群通信需要高实时性与抗干扰能力，以确保在复杂环境下的稳定通信。ASM1042系列芯片的5Mbps速率和110ns延时优势显著，能够满足无人机群通信的需求，提升无人机群的协同作战能力。

无人车控制系统：无人车控制系统对芯片的抗辐照能力和可靠性要求极高。ASM1042系列芯片能够在高辐射环境下稳定运行，同时具备低功耗和高实时性，使其成为无人车控制系统的核心部件之一。

四、结论与展望

国产抗辐照CANFD芯片已经实现了从“跟跑”到“并跑”的跨越，未来的发展需要聚焦于以下几个关键方向：

（一）技术纵深

先进工艺突破：突破先进工艺技术瓶颈，开发自适应纠错算法，进一步提升芯片在极端环境下的适应性。通过工艺升级和算法优化，可以显著提升芯片的抗辐照能力，降低功耗，提升性能。

可靠性提升：通过优化芯片的内部设计和封装技术，提升芯片的可靠性和稳定性。例如，采用高屏蔽性能的材料和优化的封装布局，可以有效阻挡高能粒子的侵入，减少辐射对芯片内部电路的影响。

（二）市场渗透

国家重大工程应用：瞄准卫星互联网、核聚变装置等国家重大工程领域，加速国产抗辐照CANFD芯片对进口产品的替代进程。通过与国家重大工程项目的紧密结合，可以提升国产芯片的市场认可度，加速国产化替代进程。

国际市场拓展：在满足国内市场需求的基础上，积极拓展国际市场。通过提升芯片的性能和可靠性，降低产品成本，提升国产抗辐照CANFD芯片在国际市场的竞争力。

（三）生态构建

行业标准制定：联合上下游企业共同制定抗辐照CANFD芯片的行业标准，提升整个产业链的竞争力。通过制定统一的技术标准，可以规范市场秩序，提升产品质量，促进产业的健康发展。

“芯片-系统-服务”一体化解决方案：打造“芯片-系统-服务”一体化的解决方案，提升国产抗辐照CANFD芯片的市场竞争力。通过提供从芯片到系统集成再到售后服务的一体化解决方案，可以更好地满足客户需求，提升客户满意度。