随着第五代移动通信开始部署，运营商开始围绕eMBB、mMTC、URLLC等场景开展5G业务，通信基础设施需要满足更高的峰值速率、频谱效率、可靠、连接密度和低时延等苛刻的技术指标。为满足这些技术指标，5G通信设备（以无线接入网设备为例）的收发通道数量增加，从4G的8通道增加到64通道，带宽从几十兆增加到200兆，发射功率从100w增加到240W或更高，这些因素共同导致5G基站的额定满载功耗相比4G增加数倍¹。此外，随着5G通信设备小型化的演进，元器件面临更严苛的温度。半导体材料及晶体管参数天然对温度敏感，温度对以下方面是有影响的

• • 器件的功能、性能，包括AC、DC timing

• • 封装内部的器件可靠性

• • 封装的可靠性

为降低设备功耗及元器件工作温度，在元器件层面，通信设备商用ASIC替代FPGA，采用新型的die attach material以及TIM（thermal interface material）甚至半导体制冷器（TEC）帮助导热；在软件层面，通信设备商部署深度休眠（deep sleep）等功能减少功耗。尽管有多种途径帮助降低设备的功耗、温度，但为了设备及元器件的可靠性，在通信设备生命周期，尤其开发阶段，对元器件级、板级和系统级的可靠性评估和验证是重要的。

本文将以NAND flash为介质的某非易失性存储器为例，评估其在某通信设备中的任务剖面。首先将介绍非易失性（Non-volatile）存储器，及闪存的可靠性指标；然后分享几种关于Mission Profile 任务剖面的定义；最后基于某存储器件在通信设备中的任务剖面，结合Arrhenius方程和厂商提供的本征可靠性数据进行可靠性评价。

非易失性（Non-volatile）存储器介绍

用户数据的存储媒介，要求断电后仍具备一定的数据保持能力（data retention），即非易失性——Non-volatile。目前主要的数据存储介质包括机械硬盘HDD、以NAND flash为介质的闪存（包括eMMC，UFS，SSD等）。

其中，HDD的供应商以希捷Seagate，东芝Toshiba和西部数据WDC为主。尽管消费者近些年直接使用HDD的机会在减少，例如2022年出货的笔记本电脑中有92%的装配了固态硬盘，但是HDD在NAS（Network Attached Storage）以及数据中心等应用中占较高的份额。下图为HDD的结构示意，主要元器件包括磁盘（disk/platter）、磁头（head）、电机，以及电路中的控制器、存储器等。

此外，NAND Flash的供应商主要有Samsung（三星）， Micron（美光），Kioxia（铠侠）， Western Digital（西部数据），Solidigm，占据约95%的市场份额。诸如手机中的eMMC、UFS，个人计算机中的固态硬盘SSD，相机中的SD卡、CF卡等，都以NAND flash为存储介质。其中，eMMC、UFS以及近期兴起的BGA封装SSD结构如下，由NAND Flash和相应的控制器组成。

NAND Flash 的可靠性指标

擦写耐久 （Program / Erase Endurance）

JESD22-A117E 对该指标的定义为“The ability of a reprogrammable read-only memory to withstand data rewrites and still comply with applicable specifications”，即存储器能被反复擦写并仍符合其手册标明性能的能力。

Flash器件的手册或厂商提供的测试报告中会标明该器件的Endurance，例如某基于MLC NAND Flash的eMMC的寿命为2K P/E cyles @MLC；25K P/E cyles @pSLC。意味着该器件在MLC模式下能够可靠地进行2,000次擦写，在pseudo-SLC模式下能够可靠地进行25,000次擦写。

数据保持能力（Data Retention）

JESD22-A117E 对该指标的定义为“The ability of an EEPROM cell to retain data over time”，即存储单元长时间可靠地保持数据的能力。

Flash器件手册或厂商提供的测试报告中会标明该器件的data retention，例如5 years @ 10% P/E cycles (55 °C)；1 year @ 100% P/E cycles (55°C)。在谈及数据保持时，需要限定存储器的剩余寿命以及温度。下图中的公式为Arrhenius equation，用来计算加速因子，其中AF是要计算的Acceleration Factor，Tu为目标结温，Tt为测试中的结温。根据Tt温度下测试的数据保持时间，可以计算出相应Tu温度下的加速因子，进而算出对应的数据保持时间。例如某型号NOR flash在125°C进行200小时data retention测试通过，那么可以计算出55°C能保证的数据保持时间为20年，25°C下为1078年。

Mission Profile 任务剖面

Mission Profile 任务剖面是在元器件或产品的生命周期内，经历的工作条件对时间的函数表达。不同的设备（通信设备、汽车、船舰、导弹），同样的元器件在不同场景（存储器在手机、汽车、通信设备等领域），其任务剖面不尽相同。例如同样的车规元器件，在汽车应用中，每天会有长达几小时的idle状态，而在通信设备中，其设计目标是全天候的运行。以下是几种对任务剖面的理解。

美军标 MIL-STD-721（Definitions of Terms for Reliability and Maintainability）对任务剖面的定义为，从开始到完成指定任务的过程中，对产品所经历的事件和环境进行分阶段描述，包括任务成功以及失效的标准。

Mission Profile: A time-phased description of the events and environments an item experience from initiation to completion of a specified mission, to include the criteria of mission success or critical failures.

国军标 GJB451-90 （可靠性维修性保障性术语）对任务剖面的定义为，

任务剖面：产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述。

IEC 61709:2017 （Electric components - Reliability - Reference conditions for failure rates and stress models for conversion）对任务剖面的定义为，元器件在产品生命周期内所经历的工作条件，包含各种影响其可靠性的环境因子，任务剖面将功能和环境条件定义为时间的函数，例如温度、电压等可能是稳定的常数，也可能随着时间周期性变化，或随机变化。

• • During their life, components experience different conditions of use that represent the major factors affecting component reliability: the complex of these conditions is defined as mission profile.

• • The mission profile defines the required function and the environmental condition as a function of time. This will vary according to the type of operation that is undertaken. This operation may be continuous over time at a fixed level, continuous over time at a variable level or sporadic over time at either a fixed level or a variable level , in some cases switch on and switch off could be significant and of more importance than the steady state operational conditions.

• • Careful consideration of the mission profile is needed in order to fully understand how it affects the component reliability.

案例分析：基于任务剖面的通信设备中的存储器件可靠性评价

在无线接入网设备中，非易失性存储器面临两个挑战，即10年全天候的运行以及期间的高温挑战。以某产品型号中的存储器件为例：

擦写耐久方面 在该型号产品中，存储器件将处于p-SLC模式，经过评估，在产品生命周期内，对存储器件的磨损将低于厂商标称的寿命。Endurance方面的评估是重要的，否则可能会出现特斯拉Model S和Model X中eMMC相关的现场失效²。

温度方面 通过热仿真和过往现场数据的统计，得到以下近似的温度剖面（存储器件的壳温）。温度可能引发氧化层介质缺陷、漏电等现象，也会引发闪存存储单元的阈值电压漂移，导致数据保持相关的失效。

受益于Arrhenius方程（Arrhenius是瑞典科学家，毕业于Uppsala 大学，1903诺贝尔化学奖得主），我们可以从统计学角度预测温度相关加速因子。

总结

室外基站复杂的工况和严苛的运行环境，加上半导体元器件的参数及可靠性对温度敏感，基于任务剖面的器件评估对设备商和元器件供应商都具有一定价值。

参考文献

1. 1. 中国移动研究院．5G基站节能技术白皮书． 2020-08

2. 2. U.S. Department of Transportation. Burned-out flash crippling tesla model S and X units, 2019-12.