飛馳之“芯”

短短十幾年間，中國(guó)鐵路實(shí)現(xiàn)了從步入到引領(lǐng)世界高鐵發(fā)展，已成為當(dāng)代的“經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈”。從2008年基建狂飆期的“四橫四縱”到2017年的“十橫十縱”，高鐵將中國(guó)經(jīng)濟(jì)送上了快車(chē)道，如今當(dāng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整使發(fā)展城市群和城市圈成為國(guó)家戰(zhàn)略時(shí)，“經(jīng)濟(jì)毛細(xì)血管”的城際高鐵、城際軌道交通理所當(dāng)然被納入了新基建的范疇。

城際間的列車(chē)和高鐵相比，只是外形稍有不同。但由于城際間交通變得更加公交化，運(yùn)營(yíng)頻次更高、上下站點(diǎn)更多，這意味著要實(shí)現(xiàn)更多的重聯(lián)重組，對(duì)安全性有著更高要求，而且要確保列車(chē)通信網(wǎng)的準(zhǔn)確高效。另一方面，由于高鐵的速度已經(jīng)基本滿(mǎn)足需求，人們更關(guān)注乘坐的舒適性、娛樂(lè)性，無(wú)線(xiàn)充電、按摩椅甚至投影等技術(shù)都會(huì)用到列車(chē)中。這些新的發(fā)展方向需要新技術(shù)的支持，大數(shù)據(jù)分析、人工智能、無(wú)線(xiàn)傳感器、以太網(wǎng)等將越來(lái)越多導(dǎo)入到軌道交通設(shè)施中。

從1879年第一臺(tái)電力機(jī)車(chē)誕生起，電力電子即登場(chǎng)，最初主要是幫助實(shí)現(xiàn)列車(chē)更快的運(yùn)行速度和更大的裝載能力。之后軌道交通的一系列創(chuàng)新都離不開(kāi)芯片，如今無(wú)論是軌道感應(yīng)和監(jiān)控、輔助電源、電力推進(jìn)、信息系統(tǒng)、控制管理以及軌道旁信令和控制等應(yīng)用中，芯片都發(fā)揮著重要作用。根據(jù)德州儀器（TI）區(qū)域銷(xiāo)售經(jīng)理Leo Chen的預(yù)估，一列完整的高鐵中，包含的芯片數(shù)量會(huì)高達(dá)二十萬(wàn)顆，其中僅TI的芯片使用量就要達(dá)數(shù)萬(wàn)顆。

德州儀器（TI）區(qū)域銷(xiāo)售經(jīng)理Leo Chen

自主化之路上的挑戰(zhàn)

2008年中國(guó)初入高鐵圈時(shí)，走的是和很多領(lǐng)域相同的貿(mào)工技之路，進(jìn)口國(guó)外的設(shè)備在國(guó)內(nèi)組裝生產(chǎn)。十年后，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“復(fù)興號(hào)”完全采用自主標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，90%以上基礎(chǔ)零部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)化。高鐵未來(lái)的發(fā)展繞不開(kāi)兩大難點(diǎn)（同時(shí)也是重點(diǎn)）——復(fù)雜性及可靠性。

我國(guó)幅員遼闊，一輛列車(chē)既要在冰雪之地的東北安全運(yùn)行，又要在潮濕的南方運(yùn)行，既要滿(mǎn)足西藏的高海拔，同時(shí)也要滿(mǎn)足新疆的干熱氣候，如此復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。而極端的氣候和地理差異，需要芯片廠(chǎng)家能夠提供通用性更強(qiáng)，同時(shí)耐溫范圍以及可靠性更強(qiáng)的產(chǎn)品。

國(guó)際上并沒(méi)有類(lèi)似的應(yīng)用環(huán)境，而且由于行業(yè)窄導(dǎo)致玩家很少，需要設(shè)計(jì)者自己基于需求不斷升級(jí)迭代。這意味著我國(guó)高鐵研發(fā)已經(jīng)進(jìn)入了“無(wú)人區(qū)”，之前沒(méi)人做過(guò)，之后也沒(méi)人知道該怎么去做。要穿越高科技的無(wú)人區(qū)，需要有芯片領(lǐng)域的合作伙伴共同前行，只不過(guò)與其他行業(yè)相比對(duì)合作伙伴的要求更高，需要芯片及方案供應(yīng)商有很好的系統(tǒng)know-how，能夠提供完整的系統(tǒng)、完善的技術(shù)支持。同時(shí)，由于長(zhǎng)生命周期，需要產(chǎn)品具有一致性及持續(xù)穩(wěn)定的供貨能力，而且還要滿(mǎn)足未來(lái)8至10年的要求。

所幸自主化之路上并不只有孤獨(dú)寂寞冷，20世紀(jì)90年代中期，我國(guó)第一版國(guó)產(chǎn)化的電力機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)電路板，就采用了TI的C2000?控制器。上世紀(jì)80年代量產(chǎn)的C2000處理器，今天還在服務(wù)中國(guó)的軌道交通事業(yè)，TI始終如一，陪伴中國(guó)客戶(hù)一起解決設(shè)計(jì)中的困難和挑戰(zhàn)。

簡(jiǎn)單的追求

千差萬(wàn)別的應(yīng)用場(chǎng)景和不同的應(yīng)用需求造就的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，需要供應(yīng)商提供靈活的解決方案。以數(shù)字電源為例，高鐵中的用電設(shè)備種類(lèi)非常豐富，不同種類(lèi)的負(fù)載對(duì)于電源方案的要求也是不同的。TI的C2000數(shù)字電源產(chǎn)品，可以支持任意的控制模式及環(huán)路拓?fù)湓O(shè)計(jì)，支持不同的開(kāi)關(guān)頻率，這樣客戶(hù)就可以用一個(gè)平臺(tái)覆蓋到多樣性的復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)。

同時(shí)，C2000還具有實(shí)時(shí)處理特性以及完整的電源監(jiān)控和保護(hù)功能，下一代C2000還滿(mǎn)足SIL-D的功能安全特性，從而簡(jiǎn)化復(fù)雜的安全設(shè)計(jì)流程要求。TI的處理器中集成了高性能的Arm?核與DSP，可以單芯片滿(mǎn)足復(fù)雜的運(yùn)算及控制需求。同時(shí)還支持多協(xié)議通信接口，以實(shí)現(xiàn)高度可靠的互聯(lián)。

最安心的保障

眾所周知，鐵路系統(tǒng)的使用生命周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年之久，因此各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)可靠性都要求很高。就電力系統(tǒng)而言，列車(chē)中的動(dòng)力電壓很高，從受電弓獲得的直流電壓約為1500伏，而后還包括交流380伏、直流110伏等等一系列不同電壓。因此為了避免芯片被擊穿燒毀，以及保證信號(hào)傳輸?shù)母呖煽啃?，采用高性能隔離技術(shù)勢(shì)在必行。

TI基于二氧化硅的電容隔離技術(shù)，具有三大特點(diǎn)：首先是具有高達(dá)2100V的隔離電壓；其次是隔離層壽命長(zhǎng)達(dá)一百年，滿(mǎn)足功能安全的時(shí)效要求；第三則是具有極低的電磁輻射。這三個(gè)特點(diǎn)使其非常適合軌道交通行業(yè)。

而在處理器方面，針對(duì)鐵路軌交對(duì)于備份冗余的需求，TI的雙核及多核處理器可以提供鎖步或者冗余功能，從而達(dá)到可靠性要求。

在功能安全方面，所有 TI 產(chǎn)品在發(fā)布之前都要接受資質(zhì)認(rèn)證和可靠性測(cè)試或基于相似性證明的鑒定，從而保證產(chǎn)品具有高可靠性。TI的模擬和嵌入式處理產(chǎn)品滿(mǎn)足嚴(yán)格的功能安全標(biāo)準(zhǔn)要求（如 ISO 26262 和 IEC 61508）。并使用 TüV SüD 認(rèn)證的功能安全硬件和軟件開(kāi)發(fā)流程來(lái)開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)產(chǎn)品。TI 有大量的HiRel和車(chē)規(guī)級(jí)的產(chǎn)品，都可以滿(mǎn)足功能安全的要求。   

一輛全新的高鐵從設(shè)計(jì)到測(cè)試再到正式量產(chǎn)載客，需要經(jīng)歷一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，這其中還要進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)60萬(wàn)公里的測(cè)試，以確保產(chǎn)品的安全可靠。TI始終為客戶(hù)提供高可靠、穩(wěn)定且超長(zhǎng)的供貨周期以及不停產(chǎn)的承諾支持，并且可以提供涵蓋從處理器到模擬，從電源到傳感器，從隔離保護(hù)到無(wú)線(xiàn)的豐富產(chǎn)品組合及系統(tǒng)解決方案。

高鐵自主之路的同行者

除了復(fù)雜性和可靠性這兩個(gè)設(shè)計(jì)痛點(diǎn)之外，設(shè)計(jì)過(guò)程中另一個(gè)頭痛的則是對(duì)方案更新迭代的制約。各種原因造成高鐵的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一旦定板，就幾乎沒(méi)有修改的可能，因此需要開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的思考。作為供應(yīng)商，TI給出的解決方案是從產(chǎn)品定義開(kāi)始就和客戶(hù)緊密合作，共同推進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

早在2008年TI就與南車(chē)株洲研究所（如今的中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所）建立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，雙方一起探討未來(lái)的場(chǎng)景、技術(shù)需要如何發(fā)展。2021年4月，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室升級(jí)，株洲所的設(shè)計(jì)師可以借助TI品類(lèi)齊全的模擬和嵌入式處理系列產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理器、氮化鎵(GaN)電源集成電路、行業(yè)領(lǐng)先的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及其他高可靠性產(chǎn)品。該實(shí)驗(yàn)室可以支撐中車(chē)株洲做一些前沿性的設(shè)計(jì)和研究，同時(shí)TI也會(huì)投入資源為其專(zhuān)門(mén)定義和開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。

聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室升級(jí)的背后，體現(xiàn)出我國(guó)高鐵自主技術(shù)的進(jìn)步，也體現(xiàn)出TI進(jìn)入中國(guó)30多年來(lái)，對(duì)于中國(guó)鐵路發(fā)展歷史的見(jiàn)證。從當(dāng)初的進(jìn)口組裝到“復(fù)興號(hào)”的推出，如今中國(guó)引領(lǐng)了全球的軌道交通市場(chǎng)，高鐵也成為國(guó)家名片。在這個(gè)從跟隨到學(xué)習(xí)、再到超越的過(guò)程中， TI高度本地化的團(tuán)隊(duì)一直陪在這條引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新的路上。

未來(lái)除了現(xiàn)在的高鐵、地鐵、城際之外，也許磁懸浮列車(chē)、無(wú)軌列車(chē)等都會(huì)應(yīng)用到日常的城市內(nèi)的交通出行上，而且智能交通系統(tǒng)中需要智能化、數(shù)據(jù)化以互聯(lián)化。TI正在與中車(chē)基于聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行更深層次的交流和互動(dòng)，更深入地理解系統(tǒng)，共同探索也是為了能提供更多支持。Leo說(shuō)道，希望看到通過(guò)TI和中車(chē)的合作，有更多的中國(guó)列車(chē)伴隨著“一帶一路”的發(fā)展飛馳在世界各個(gè)角落，這也是一名TIer“芯向中國(guó)，科創(chuàng)世界”的初心。