淺談集成電路的功能安全

摘要

集成電路 （IC） 是所有現(xiàn)代安全系統(tǒng)的根本。集成電路提供邏輯，控制傳感器，從很大程度上看，其本身就是傳感器。集成電路驅(qū)動(dòng)最終元件以實(shí)現(xiàn)安全狀態(tài)，它們是軟件運(yùn)行的平臺(tái)。半導(dǎo)體內(nèi)部的高集成度可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)，其代價(jià)是IC內(nèi)部復(fù)雜性增加。這種集成會(huì)減少器件數(shù)量，改善系統(tǒng)可靠性，并為提高診斷覆蓋率和縮短診斷測(cè)試間隔創(chuàng)造機(jī)會(huì)——所有這些都是以安全性適中為代價(jià)的 ［NK1］ 。有人可能會(huì)認(rèn)為，由于復(fù)雜性增加，這種高集成度是一件壞事。然而，雖然集成電路復(fù)雜性提高，但在模塊和系統(tǒng)層面上可以大大簡(jiǎn)化。令人吃驚的是，過(guò)程控制、機(jī)械、電梯、變速驅(qū)動(dòng)器和有毒氣體傳感器都有相應(yīng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，但關(guān)于集成電路卻沒(méi)有專門(mén)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)。相反，相關(guān)要求和知識(shí)是零散地分布在IEC 61508和其他B級(jí)、C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中。本文為解讀現(xiàn)有半導(dǎo)體功能安全標(biāo)準(zhǔn)提供指導(dǎo)。

簡(jiǎn)介

通常，集成電路按照 IEC 61508 或 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。另外，二級(jí)和三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中有時(shí)還會(huì)有其他要求。只有按照功能安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和評(píng)估，才能讓人放心這些復(fù)雜的集成電路足夠安全。當(dāng)編寫(xiě) IEC 61508 時(shí)，其針對(duì)的是定制系統(tǒng)，而不是開(kāi)放市場(chǎng)批量生產(chǎn)的集成電路。本文將回顧并評(píng)論集成電路的已知功能安全要求。雖然本文集中討論 IEC 61508 及其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，但很多內(nèi)容都與汽車(chē)、航空電子和醫(yī)療等應(yīng)用有關(guān)。

功能安全

功能安全是安全性的一部分，與系統(tǒng)在需要的時(shí)候是否有把握?qǐng)?zhí)行安全相關(guān)任務(wù)有關(guān) ［NK2］ 。功能安全不同于其他被動(dòng)形式的安全，如電氣安全、機(jī)械安全或本質(zhì)安全。

功能安全是一種主動(dòng)形式的安全。例如，它能確保馬達(dá)以足夠快的速度關(guān)閉，防止對(duì)打開(kāi)防護(hù)門(mén)的操作員造成傷害，或者當(dāng)有人在附近時(shí)，機(jī)器人會(huì)降低運(yùn)行的速度和力度。

標(biāo)準(zhǔn)

主要功能安全標(biāo)準(zhǔn)是 IEC 61508 1。該標(biāo)準(zhǔn)的第一版于 1998 年出版，第二版于 2010 年出版，并于 2017 年開(kāi)始更新至第三版的工作，可能的完成日期是在 2022 年。自從 1998 年公布 IEC 61508 第一版以來(lái)，基本 IEC 61508 標(biāo)準(zhǔn)已針對(duì)不同領(lǐng)域進(jìn)行適應(yīng)性修改，例如汽車(chē) （ISO 26262）、過(guò)程控制 （IEC 61511）、PLC （IEC 61131-6）、IEC 62061 （機(jī)械）、變速驅(qū)動(dòng)器 （IEC 61800-5-2） 以及其他許多領(lǐng)域。此類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)有助于對(duì)非常寬泛的 IEC 61508 進(jìn)行解釋以便用于這些受到更大限制的領(lǐng)域。

一些功能安全標(biāo)準(zhǔn)，例如 ISO 13849 和 D0-178/D0-254，并非衍生自 IEC 61508。盡管如此，任何熟悉 IEC 61508 并閱讀這些標(biāo)準(zhǔn)的人都不會(huì)對(duì)其內(nèi)容感到過(guò)于吃驚。

在安全系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，執(zhí)行關(guān)鍵功能安全活動(dòng)的是安全功能。安全功能定義了實(shí)現(xiàn)或保持安全所必須執(zhí)行的操作。典型的安全功能包含輸入子系統(tǒng)、邏輯子系統(tǒng)和輸出子系統(tǒng)。通常，這意味著對(duì)潛在的不安全狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并且基于檢測(cè)到的值做出決定，如果認(rèn)為有潛在危險(xiǎn) ［NK3］ ，則指示輸出子系統(tǒng)將系統(tǒng)置于已定義的安全狀態(tài)。

圖 1.功能安全標(biāo)準(zhǔn)示例。

不安全狀態(tài)存在到實(shí)現(xiàn)安全狀態(tài)的時(shí)間至關(guān)重要 ［NK4］ 。例如，安全功能可能包括如下器件：一個(gè)傳感器用來(lái)檢測(cè)機(jī)器上的防護(hù)裝置是否打開(kāi)，一個(gè) PLC 用來(lái)處理數(shù)據(jù)，以及一個(gè)具有安全扭矩關(guān)閉輸入的變速驅(qū)動(dòng)器，它在 ［NK5］ 插入機(jī)器中的手可能接近運(yùn)動(dòng)部件之前關(guān)閉電機(jī)。

安全完整性等級(jí)

SIL 代表安全完整性等級(jí)，是表示需要將風(fēng)險(xiǎn)降至何種程度才能達(dá)到可接受水平的手段。根據(jù) IEC 61508 標(biāo)準(zhǔn)，安全等級(jí)有 1、2、3、4 四級(jí)，從一個(gè)級(jí)別到下一個(gè)級(jí)別，安全性會(huì)提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。機(jī)器和工廠自動(dòng)化場(chǎng)景中不會(huì)看到 SIL 4，因?yàn)橐话闱闆r下，這種場(chǎng)合中遭受危險(xiǎn)的人員通常不會(huì)超過(guò)一個(gè)。SIL 4 針對(duì)的是數(shù)百甚至數(shù)千人可能受到傷害的核能和鐵路等應(yīng)用。還有其他功能安全標(biāo)準(zhǔn)，例如汽車(chē)使用 ASIL（汽車(chē)安全完整性等級(jí)） A、B、C 和 D，以及 ISO 13849 標(biāo)準(zhǔn)。其性能等級(jí) a、b、c、d 和 e 可以對(duì)應(yīng)到 SIL 1 至 SIL 3 尺度。

表 1.各應(yīng)用領(lǐng)域安全等級(jí)的粗略對(duì)應(yīng)

筆者不相信單個(gè) IC 可能有超過(guò) SIL 3 的安全水平。但值得注意的是，IEC 61508-2:2010 附錄 F 中的表格顯示了一個(gè) SIL 4 列。

三項(xiàng)關(guān)鍵要求

功能安全對(duì) IC 開(kāi)發(fā)提出了三項(xiàng)關(guān)鍵要求。下面研究這些要求。

要求 1—遵循嚴(yán)格的開(kāi)發(fā)流程

IEC 61508 是一個(gè)全生命周期模型，涵蓋了從安全概念到需求采集、維護(hù)，直至最終物料處理 ［NK6］ 的所有階段。不是所有這些階段都與集成電路相關(guān)，甄別哪些階段有關(guān)需要培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)。IEC 61508 為 ASIC 提供了一個(gè)V模型，另外還有審查、審核及其他要求，它代表了一個(gè)體系，雖然不能保證安全，但過(guò)去已證明它能產(chǎn)生 ［NK7］ 安全的系統(tǒng)和 IC。

由于更改故障 ［NK8］ 集成電路的成本很高，所以大多數(shù) IC 制造商已經(jīng)建立嚴(yán)格的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于小幾何尺寸工藝，僅僅一套掩膜的成本就可能超過(guò) 50 萬(wàn)美元。這種情況加上長(zhǎng)交貨期，迫使集成電路設(shè)計(jì)商不得不實(shí)施嚴(yán)格的開(kāi)發(fā)流程和優(yōu)良 ［NK9］ 的檢查與驗(yàn)證階段 ［NK10］ 。功能安全的一大區(qū)別在于，不僅必須實(shí)現(xiàn)安全性，還要證明安全性，即使是最好的IC制造商也需要在其正常開(kāi)發(fā)流程之上添加安全流程，以確保合規(guī)性的適當(dāng)證據(jù)得以創(chuàng)建并存檔 ［NK11］ 。

開(kāi)發(fā)流程引入的故障稱為系統(tǒng)故障。這些故障只能通過(guò)設(shè)計(jì)變更來(lái)解決。與需求采集相關(guān)的故障、EMC魯棒性不足和測(cè)試不充分就是此類(lèi)故障。

IEC 61508-2:2010 的附錄 F 列出了一系列專門(mén)測(cè)量，IEC 委員會(huì)專家認(rèn)為這些測(cè)量適合用于集成電路開(kāi)發(fā)。表 F.2 適用于 FPGA 和 CPLD，表 F.1 適用于數(shù)字 ASIC。這些測(cè)量分為 R （推薦）或 HR （強(qiáng)烈推薦）兩類(lèi)，具體取決于 SII，某些情況下還提供了備選技術(shù)。對(duì)于擁有良好開(kāi)發(fā)流程的 IC 供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，其中的要求很少會(huì)讓人感到意外，但 SIL 3 的 99% 故障覆蓋率要求是有挑戰(zhàn)性的，尤其是對(duì)于小型數(shù)字或混合信號(hào)器件，其中很多電路位于模塊的外圍。該標(biāo)準(zhǔn)第二版中的要求僅適用于數(shù)字 IC，但許多要求也可應(yīng)用于模擬或混合信號(hào) IC（ISO 26262 的下一版本將包含類(lèi)似表格，并有針對(duì)模擬和混合信號(hào)集成電路的版本）。

除表 F.1 和表 F.2 外，還有一些介紹性文字也提供了一些見(jiàn)解。例如，這個(gè)介紹性文字說(shuō)允許使用經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證的工具，在復(fù)雜度相似的項(xiàng)目中使用 18 個(gè)月是合理的時(shí)間長(zhǎng)度。這意味著并不需要應(yīng)用 IEC 61508-3 關(guān)于工具的全部要求。

如果模塊/系統(tǒng)設(shè)計(jì)者過(guò)去曾成功使用某一 IC，并且了解其應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)故障率，那么他可以宣稱其“經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證”。對(duì)于集成電路設(shè)計(jì)者或制造商來(lái)說(shuō)，作出這種宣稱要困難得多，因?yàn)樗麄円话悴惶私庾罱K應(yīng)用或?qū)F(xiàn)場(chǎng)故障單元返回給他們進(jìn)行分析的百分率的含義 ［NK12］ 。

軟件

所有軟件錯(cuò)誤都是系統(tǒng)性的，因?yàn)檐浖粫?huì)老化。任何片內(nèi)軟件都應(yīng)考慮 IEC 61508-3 的要求。通常，片內(nèi)軟件可能包括微控制器/ DSP 的內(nèi)核/引導(dǎo)程序。但在某些情況下，微控制器/DSP 可能包含一個(gè)由IC制造商預(yù)編程的小型微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)邏輯塊，而不是使用狀態(tài)機(jī)。該預(yù)編程的微控制器軟件還需要符合 IEC 61508-3 的要求。應(yīng)用級(jí)軟件通常是模塊/系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的責(zé)任，而不是 IC 制造商的責(zé)任，但 IC 供應(yīng)商可能需要提供編譯器或低級(jí)驅(qū)動(dòng)程序等工具。如果這些工具用于安全相關(guān)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)，那么IC制造商需要為最終用戶提供足夠的信息，以滿足 IEC 61508-3:2010 第 7.4.4 條中的工具要求。

筆者也使用 C 語(yǔ)言和其他很多編程語(yǔ)言做過(guò)編程。筆者還做過(guò)少量 Verilog 編程。Verilog 及其姊妹語(yǔ)言VHDL是用于設(shè)計(jì)數(shù)字集成電路的兩種代表性硬件定義語(yǔ)言 （HDL）。一個(gè)有趣的問(wèn)題是 HDL 是否是軟件，但現(xiàn)在遵循 IEC 61508-2:2010 附錄 F 就足夠了。在實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)如果遵循附錄 F，那么結(jié)合 IEC 61508 的其他要求（生命周期階段等），HDL 是否是軟件的問(wèn)題并不重要，因?yàn)?a target="_blank">開(kāi)發(fā)者最終仍要完成所有必需的任務(wù)。一個(gè)值得注意的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是 IEC 62566 2，它處理的是利用 HDL 開(kāi)發(fā)的核工業(yè)安全功能。

要求 2—固有可靠性

IEC 61508 以 PFH （每小時(shí)危險(xiǎn)故障平均頻率）或 PFD （需要時(shí)發(fā)生故障的概率）的形式提出了可靠性要求。這些限制與成年人因自然原因而死亡的風(fēng)險(xiǎn)，以及人們認(rèn)為工作或處理日常業(yè)務(wù)不應(yīng)顯著增加這一風(fēng)險(xiǎn)的想法有關(guān)。SIL 3 安全功能的最大 PFH 為 10–7/h，或者每 1000 年約有一次的危險(xiǎn)故障率。表示為 FIT （故障次數(shù)/每運(yùn)行十億小時(shí)的故障率）的話，即為 100 FIT。

鑒于典型的安全功能有一個(gè)輸入模塊、一個(gè)邏輯模塊和一個(gè)執(zhí)行器模塊，并且 PFH 預(yù)算必須分配給所有三個(gè)模塊，所以某一 IC 的 PFH 完全可能是個(gè)位數(shù) （《10 FIT）?？梢允褂萌哂嗉軜?gòu)來(lái)提高這些數(shù)字，若有兩個(gè) 100 FIT 結(jié)構(gòu)，則每個(gè)可以提供相同的置信度，使模塊可靠性達(dá)到 10 FIT （受常見(jiàn)原因故障 （CCF） 限制）。然而，冗余會(huì)消耗大量空間和能量，并增加成本。

ADI 公司之類(lèi)的 IC 制造商在網(wǎng)站上提供其所有已發(fā)布 IC 的基于加速壽命測(cè)試的可靠性信息。此信息有時(shí)會(huì)不被重視，因?yàn)檫@種可靠性評(píng)估是在人為條件下于實(shí)驗(yàn)室中完成的。推薦使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如 SN 295003 或 IEC 623804，但這些標(biāo)準(zhǔn)有一些問(wèn)題：

?它們預(yù)測(cè) 99% 置信度下的可靠性，IEC 61508 僅要求 70% 置信度下的數(shù)據(jù)，因此標(biāo)準(zhǔn)偏悲觀。

?它們將隨機(jī)故障模式和系統(tǒng)故障模式混為一談。根據(jù) IEC 61508 的規(guī)定，應(yīng)以不同方式處理這些故障模式。

?它們不是經(jīng)常更新。

?它們未考慮不同供應(yīng)商之間的質(zhì)量差異。

SN 29500 之類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明的是片內(nèi)晶體管的可靠性。如果使用兩個(gè) IC （每個(gè)有 50 萬(wàn)個(gè)晶體管）來(lái)實(shí)現(xiàn)安全功能，每個(gè) IC 的 FIT 為 70，那么整個(gè)系統(tǒng)的 FIT 為 140。但是，如果用一個(gè)含 100 萬(wàn)個(gè)晶體管的 IC 來(lái)替代這兩個(gè) IC，那么這一個(gè) IC 的 FIT 只有 80，減少了 40% 以上。

IC 內(nèi)部的軟錯(cuò)誤往往被忽略。軟錯(cuò)誤不同于傳統(tǒng)的可靠性預(yù)測(cè)，因?yàn)橐坏嚯娫偻?，軟錯(cuò)誤就會(huì)消失。引起軟錯(cuò)誤的原因是空間中的中子或封裝材料中的α粒子，它們撞擊片內(nèi)RAM單元或觸發(fā)器 （FF），改變其中存儲(chǔ)的值。ECC （雙比特錯(cuò)誤檢測(cè)和單比特錯(cuò)誤校正 ［NK13］ ）可用來(lái)檢測(cè)并無(wú)縫糾正 RAM 中的錯(cuò)誤，但代價(jià)是速度降低和片內(nèi)錯(cuò)誤增多。奇偶校驗(yàn)增加的開(kāi)銷(xiāo)更少，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要解決錯(cuò)誤恢復(fù)問(wèn)題。如果不使用奇偶校驗(yàn)或 ECC 技術(shù)，則軟錯(cuò)誤率可能會(huì)比傳統(tǒng)硬錯(cuò)誤率高出多達(dá) 1000 倍 （IEC 61508 提供的RAM數(shù)值為 1000 FIT/MB）。用于解決實(shí)現(xiàn)邏輯電路的 FF （觸發(fā)器）中軟錯(cuò)誤的技術(shù)不那么令人滿意，但看門(mén)狗定時(shí)器、計(jì)算中的時(shí)間冗余以及其他技術(shù)可提供幫助。

要求 3—容錯(cuò)性

無(wú)論產(chǎn)品有多可靠，有時(shí)候還是會(huì)出事。容錯(cuò)性承認(rèn)這一現(xiàn)實(shí)并予以解決。容錯(cuò)性主要包含兩方面。一個(gè)是使用冗余，另一個(gè)是使用診斷。這兩方面都承認(rèn) ［NK14］ ，無(wú)論 IC 的可靠性或 IC 開(kāi)發(fā)流程有多好，故障難免會(huì)發(fā)生。

冗余可以是相同的或不同的，可以在片內(nèi)或片外。IEC 61508-2:2010 的附錄 E 提供了一組技術(shù)來(lái)證明，已經(jīng)采取了充分的措施來(lái)支持關(guān)于數(shù)字電路使用相同冗余的片內(nèi)冗余性聲明。附錄E似乎是針對(duì)雙鎖步微控制器的，針對(duì)以下方面的片內(nèi)獨(dú)立性沒(méi)有給出任何指導(dǎo)：

?模擬和混頻信號(hào)集成電路

?模塊與其片內(nèi)診斷之間

?采用不同冗余的數(shù)字電路

但在某些情況下，可以針對(duì)這些情況對(duì)附錄E加以靈活解釋。附錄 E 中有一個(gè)有意思的內(nèi)容是 βIC 計(jì)算，其衡量片內(nèi)常見(jiàn)原因故障。通過(guò)它可以判斷間隔是否足夠，前提是常見(jiàn)原因故障的來(lái)源所代表的 β 小于 25%，這與 IEC 61508-6:2010 的表格中的 1%、5% 或 10% 相比是較高的。

診斷是集成電路真正可以大放異彩的領(lǐng)域。片內(nèi)診斷可以：

?通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)片內(nèi)模塊的預(yù)期故障 ［NK15］ 模式

?不增加 PCB 空間，因?yàn)橥獠恳_需求有限

?以高速率運(yùn)行（診斷測(cè)試間隔極小 ［NK16］ ）

?無(wú)需冗余器件來(lái)通過(guò)比較進(jìn)行診斷

這意味著片內(nèi)診斷可以最大限度地減少系統(tǒng)成本和面積。一般而言，診斷是多種多樣的（有不同實(shí)施方式），取決于其監(jiān)控的片內(nèi)項(xiàng)目［NK17］ ，因此它們不太可能以與被監(jiān)控項(xiàng)目［NK18］ 相同的方式和同時(shí)發(fā)生故障。當(dāng)故障確實(shí)發(fā)生時(shí)［NK19］ ，它們遇到的很可能是同樣的問(wèn)題（常常與EMC、電源問(wèn)題和溫度過(guò)高有關(guān)），哪怕診斷功能是在單獨(dú)的芯片上實(shí)現(xiàn)。雖然該標(biāo)準(zhǔn)不包含此要求，但存在與使用片內(nèi)電源監(jiān)視器和看門(mén)狗電路有關(guān)的問(wèn)題，而這些是最后的診斷手段。［NK20］ 某些外部評(píng)估人員會(huì)堅(jiān)持將此類(lèi)診斷放在片外。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)較簡(jiǎn)單集成電路的診斷將由遠(yuǎn)程微控制器/DSP 控制，測(cè)量在片內(nèi)完成，但結(jié)果發(fā)送到芯片外進(jìn)行處理。

IEC 61508 要求最低級(jí)別的診斷覆蓋率［NK21］ ，用 SFF （安全失效系數(shù)［NK22］ ）給出，其考慮安全故障和危險(xiǎn)故障，與忽略安全故障的 DC （診斷覆蓋率）相關(guān)但不同。已實(shí)施診斷的成功程度可以使用量化 FMEA 或 FMEDA 來(lái)衡量。但是，在 IC 中實(shí)施的診斷也可以覆蓋 IC 外部的器件，IC 內(nèi)的項(xiàng)目 ［NK23］ 可以通過(guò)系統(tǒng)級(jí)診斷來(lái)覆蓋。當(dāng) IC 開(kāi)發(fā)人員執(zhí)行 FMEDA 時(shí)，必須假定 IC 開(kāi)發(fā)人員一般不知道最終應(yīng)用的細(xì)節(jié)［NK24］ 。在 ISO 26262 術(shù)語(yǔ)中，這被稱為 SEooC （脫離背景的安全要素［NK25］ ）。對(duì)于要利用 IC 級(jí) FMEDA 的最終用戶，他們必須確信上述假設(shè)對(duì)其系統(tǒng)仍然成立。

雖然 IEC 61508-2:2010 的表 A.1 （實(shí)際上是表 A.2 至 A.14）就 IC 失效提供了很好的指導(dǎo)，分析 IC 時(shí)應(yīng)予以考慮，但 IEC 60730:2010 5 的附錄 H 就該主題提供了更好的論述。

集成電路的開(kāi)發(fā)方案

開(kāi)發(fā)用于功能安全系統(tǒng)的集成電路有幾種方案。標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有要求只能使用符合標(biāo)準(zhǔn)的集成電路，而是要求模塊或系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員確信所選的集成電路適用于目標(biāo)系統(tǒng)。

可用方案包括：

?方案 1：完全依照 IEC 61508 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用外部評(píng)估和安全手冊(cè)

?方案 2：依照 IEC 61508 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，無(wú)外部評(píng)估，但有安全手冊(cè)

?方案 3：依照半導(dǎo)體公司的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行開(kāi)發(fā)，但會(huì)發(fā)布安全數(shù)據(jù)手冊(cè)

?方案 4：依照半導(dǎo)體公司的標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行開(kāi)發(fā) ［NK26］

注意：未依照 IEC 61508 開(kāi)發(fā)的器件，其安全手冊(cè)可能被稱為安全數(shù)據(jù)手冊(cè)或類(lèi)似名稱，以避免與遵照安全手冊(cè)開(kāi)發(fā)的器件發(fā)生混淆。

對(duì)于半導(dǎo)體制造商來(lái)說(shuō)，方案1成本最高，但對(duì)模塊或系統(tǒng)設(shè)計(jì)商來(lái)說(shuō)可能最有利。擁有這樣一個(gè)器件，其中集成電路安全概念中顯示的應(yīng)用與系統(tǒng)的應(yīng)用相匹配，可以降低模塊或系統(tǒng)進(jìn)行外部評(píng)估時(shí)遇到問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。SIL 2 安全功能的額外設(shè)計(jì)工作量可能在 20% 或更多。即使沒(méi)有功能安全，半導(dǎo)體制造商通常也已經(jīng)實(shí)施了嚴(yán)格的開(kāi)發(fā)流程，而且額外工作量可能會(huì)更多。

方案 2 節(jié)省了外部評(píng)估的成本，但其他方面的影響相同。如果客戶無(wú)論如何都要讓模塊/系統(tǒng)進(jìn)行外部認(rèn)證，并且集成電路是該系統(tǒng)的重要組成部分，那么此方案是合適的。

方案 3 最適合于已經(jīng)發(fā)布的集成電路，提供安全數(shù)據(jù)手冊(cè)可以讓模塊或系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員獲得其在更高級(jí)別上進(jìn)行安全設(shè)計(jì)所需的額外信息。這包括如下信息：所用實(shí)際開(kāi)發(fā)流程的詳細(xì)信息，集成電路的 FIT 數(shù)據(jù)，任何診斷的詳細(xì)信息，以及制造現(xiàn)場(chǎng)的 ISO 9001 認(rèn)證證據(jù)等。

然而，方案 4 仍然是開(kāi)發(fā)集成電路最常用的方法。使用此類(lèi)器件開(kāi)發(fā)安全模塊或系統(tǒng)，將需要額外的器件和開(kāi)支用于模塊/系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@些器件沒(méi)有充分的診斷能力，需要雙通道架構(gòu)以資比較，而不是單通道架構(gòu)。若沒(méi)有安全數(shù)據(jù)手冊(cè)，模塊/系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還需要做出保守的假設(shè)，并將集成電路視為黑盒子。

此外，半導(dǎo)體公司需要制定自己對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的解釋，筆者自己的公司為此開(kāi)發(fā)了內(nèi)部文件 ADI61508 和 ADI26262。ADI61508 采用了 IEC 61508:2010 的七個(gè)部分，并根據(jù)集成電路開(kāi)發(fā)解釋了相關(guān)要求。

SIL 2/3 開(kāi)發(fā)

有時(shí)候，集成電路可以依照 SIL 3 的所有系統(tǒng)要求進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這意味著 IEC 61508-2:2010 表 F.1 針對(duì) SIL 3 的所有相關(guān)項(xiàng)目都得到遵守，并且所有設(shè)計(jì)評(píng)審和其他分析都按照 SIL 3 級(jí)要求完成。但是，硬件度量標(biāo)準(zhǔn)可能只對(duì) SIL 2 來(lái)說(shuō)是夠好的。這種電路可以被標(biāo)識(shí)為 SIL 2/3 或更典型的 SIL M/N，其中M表示根據(jù)硬件度量標(biāo)準(zhǔn)可以聲明的最高 SIL 級(jí)別，N表示根據(jù)系統(tǒng)要求可以聲明的最高SIL級(jí)別。兩個(gè) SIL 2/3 集成電路可用來(lái)實(shí)現(xiàn) SIL 3 模塊或系統(tǒng)，因?yàn)楦鶕?jù)硬件度量標(biāo)準(zhǔn)，兩個(gè) SIL 2 項(xiàng)目并聯(lián)就會(huì)將該組合升級(jí)到 SIL 3，但就系統(tǒng)要求而言，各項(xiàng)目已經(jīng)是 SIL 3。如果集成電路僅是 SIL 2/2，那么將兩個(gè)這樣的集成電路并聯(lián)不會(huì)使其成為 SIL 3，因?yàn)槠涑淦淞坎贿^(guò)是 SIL 3/2。

將硬件度量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于集成電路

除了幾乎全部安全功能都由集成電路實(shí)現(xiàn)的情況之外，很難為半導(dǎo)體指定 SFF、DC 或 PFH 限值。以 SFF 為例，SIL 3 要求 SFF 大于 99%，這適用于完整安全功能，而不只是集成電路。如果集成電路為 98%，仍然可以利用它來(lái)實(shí)現(xiàn) SIL 3 安全功能，但系統(tǒng)的其他部分需要實(shí)現(xiàn)更高的覆蓋率以進(jìn)行補(bǔ)償。集成電路的安全手冊(cè)或安全數(shù)據(jù)手冊(cè)需要公布 λDD、λDU 和 λ 以用于系統(tǒng)級(jí) FMEDA。

理想情況下，IC要求是在系統(tǒng)級(jí)分析中導(dǎo)出的，但通常情況并非如此，開(kāi)發(fā)實(shí)際上是一個(gè) SEooC （參見(jiàn) ISO 26262，脫離背景的安全要素［NK27］ ）。在 SEooC 的情況下，IC 開(kāi)發(fā)者需要假設(shè) IC 在系統(tǒng)中將會(huì)如何使用。然后，系統(tǒng)或模塊設(shè)計(jì)者必須將這些假設(shè)與實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行比較，以確定 IC 的功能安全性對(duì)系統(tǒng)是否足夠。這些假設(shè)可以決定診斷是在IC上實(shí)施，還是在系統(tǒng)級(jí)實(shí)施，并因此影響IC級(jí)特性和功能。

保密性 （Security）

系統(tǒng)的安全性與保密性密不可分。目前，IEC 61508 或 ISO 26262 中與保密性有關(guān)的唯一指導(dǎo)是讓讀者參考 IEC 62443 系列 6。但是，IEC 62443 似乎更多地是針對(duì)較大的組件，例如整個(gè) PLC 組件，而不是單個(gè) IC。好消息是，功能安全標(biāo)準(zhǔn)中消除系統(tǒng)故障的大部分要求也適用于保密性。沒(méi)有任何參照是很有趣的，因?yàn)樵谀承┣闆r下，硬件可以提供硬件信任根和類(lèi)似 PUF （物理上不可克隆的功能）的功能，這對(duì)于安全性和保密性十分重要。

結(jié)論

現(xiàn)有 IEC 61508 涵蓋了從集成電路開(kāi)發(fā)到煉油廠的一切。雖然針對(duì)機(jī)械和過(guò)程控制等領(lǐng)域有專門(mén)的行業(yè)專用標(biāo)準(zhǔn)，并且 IEC 61508 第二版中有關(guān)于集成電路的一些指導(dǎo)，但針對(duì)集成電路并無(wú)專用標(biāo)準(zhǔn)。缺乏具體要求導(dǎo)致要求被任意解釋，因此不同客戶和外部評(píng)估人員的期望之間可能出現(xiàn)沖突。

這意味著，各行業(yè)將傾向于按照更高層次的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)集成電路提出行業(yè)特定的要求。這樣的要求已經(jīng)可以在 EN 50402 7 等標(biāo)準(zhǔn)中看到，但最特別的是 ISO 26262的2016 版草案 8 中，其中新增的第 11 部分專門(mén)處理集成電路。