短短十幾年間,，中國鐵路實現(xiàn)了從步入到引領(lǐng)世界高鐵發(fā)展,，已成為當代的“經(jīng)濟大動脈”。從2008年基建狂飆期的“四橫四縱”到2017年的“十橫十縱”,，高鐵將中國經(jīng)濟送上了快車道,，如今當產(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家戰(zhàn)略時,，“經(jīng)濟毛細血管”的城際高鐵、城際軌道交通理所當然被納入了新基建的范疇,。
城際間的列車和高鐵相比,，只是外形稍有不同,。但由于城際間交通變得更加公交化,，運營頻次更高、上下站點更多,，這意味著要實現(xiàn)更多的重聯(lián)重組,，對安全性有著更高要求,，而且要確保列車通信網(wǎng)的準確高效。另一方面,，由于高鐵的速度已經(jīng)基本滿足需求,，人們更關(guān)注乘坐的舒適性、娛樂性,，無線充電,、按摩椅甚至投影等技術(shù)都會用到列車中。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、無線傳感器,、以太網(wǎng)等將越來越多導(dǎo)入到軌道交通設(shè)施中,。
從1879年第一臺電力機車誕生起，電力電子即登場,，最初主要是幫助實現(xiàn)列車更快的運行速度和更大的裝載能力,。之后軌道交通的一系列創(chuàng)新都離不開芯片，如今無論是軌道感應(yīng)和監(jiān)控,、輔助電源,、電力推進、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)量會高達二十萬顆，其中僅TI的芯片使用量就要達數(shù)萬顆,。
德州儀器（TI）區(qū)域銷售經(jīng)理Leo Chen
自主化之路上的挑戰(zhàn)
2008年中國初入高鐵圈時,，走的是和很多領(lǐng)域相同的貿(mào)工技之路，進口國外的設(shè)備在國內(nèi)組裝生產(chǎn),。十年后,，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“復(fù)興號”完全采用自主標準設(shè)計，90%以上基礎(chǔ)零部件已經(jīng)實現(xiàn)完全國產(chǎn)化,。高鐵未來的發(fā)展繞不開兩大難點（同時也是重點）——復(fù)雜性及可靠性,。
我國幅員遼闊，一輛列車既要在冰雪之地的東北安全運行,，又要在潮濕的南方運行,，既要滿足西藏的高海拔，同時也要滿足新疆的干熱氣候,，如此復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境使得系統(tǒng)設(shè)計更為復(fù)雜,。而極端的氣候和地理差異,，需要芯片廠家能夠提供通用性更強，同時耐溫范圍以及可靠性更強的產(chǎn)品,。
國際上并沒有類似的應(yīng)用環(huán)境,，而且由于行業(yè)窄導(dǎo)致玩家很少，需要設(shè)計者自己基于需求不斷升級迭代,。這意味著我國高鐵研發(fā)已經(jīng)進入了“無人區(qū)”,，之前沒人做過，之后也沒人知道該怎么去做,。要穿越高科技的無人區(qū),，需要有芯片領(lǐng)域的合作伙伴共同前行，只不過與其他行業(yè)相比對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,，由于長生命周期，需要產(chǎn)品具有一致性及持續(xù)穩(wěn)定的供貨能力,，而且還要滿足未來8至10年的要求,。
所幸自主化之路上并不只有孤獨寂寞冷，20世紀90年代中期,，我國第一版國產(chǎn)化的電力機車驅(qū)動電路板,，就采用了TI的C2000?控制器。上世紀80年代量產(chǎn)的C2000處理器,，今天還在服務(wù)中國的軌道交通事業(yè),，TI始終如一，陪伴中國客戶一起解決設(shè)計中的困難和挑戰(zhàn),。
簡單的追求
千差萬別的應(yīng)用場景和不同的應(yīng)用需求造就的設(shè)計復(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)備種類非常豐富,，不同種類的負載對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)路拓撲設(shè)計,，支持不同的開關(guān)頻率，這樣客戶就可以用一個平臺覆蓋到多樣性的復(fù)雜電路的設(shè)計,。
同時,，C2000還具有實時處理特性以及完整的電源監(jiān)控和保護功能，下一代C2000還滿足SIL-D的功能安全特性，從而簡化復(fù)雜的安全設(shè)計流程要求,。TI的處理器中集成了高性能的Arm?核與DSP,，可以單芯片滿足復(fù)雜的運算及控制需求,。同時還支持多協(xié)議通信接口,，以實現(xiàn)高度可靠的互聯(lián)。
最安心的保障
眾所周知,，鐵路系統(tǒng)的使用生命周期長達數(shù)十年之久,，因此各個環(huán)節(jié)對可靠性都要求很高。就電力系統(tǒng)而言,，列車中的動力電壓很高,，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，以及保證信號傳輸?shù)母呖煽啃?，采用高性能隔離技術(shù)勢在必行,。
TI基于二氧化硅的電容隔離技術(shù)，具有三大特點：首先是具有高達2100V的隔離電壓,；其次是隔離層壽命長達一百年,，滿足功能安全的時效要求；第三則是具有極低的電磁輻射,。這三個特點使其非常適合軌道交通行業(yè),。
而在處理器方面，針對鐵路軌交對于備份冗余的需求,，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)認證和可靠性測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)品滿足嚴格的功能安全標準要求（如 ISO 26262 和 IEC 61508）,。并使用 TüV SüD 認證的功能安全硬件和軟件開發(fā)流程來開發(fā)并生產(chǎn)產(chǎn)品,。TI 有大量的HiRel和車規(guī)級的產(chǎn)品,，都可以滿足功能安全的要求,。
一輛全新的高鐵從設(shè)計到測試再到正式量產(chǎn)載客，需要經(jīng)歷一個漫長的過程,，這其中還要進行長達60萬公里的測試,，以確保產(chǎn)品的安全可靠。TI始終為客戶提供高可靠、穩(wěn)定且超長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，從隔離保護到無線的豐富產(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設(shè)計痛點之外,，設(shè)計過程中另一個頭痛的則是對方案更新迭代的制約。各種原因造成高鐵的系統(tǒng)設(shè)計一旦定板,，就幾乎沒有修改的可能,，因此需要開發(fā)團隊具有長遠的思考。作為供應(yīng)商,，TI給出的解決方案是從產(chǎn)品定義開始就和客戶緊密合作,，共同推進系統(tǒng)開發(fā)。
早在2008年TI就與南車株洲研究所（如今的中車株洲電力機車研究所）建立了聯(lián)合實驗室,，雙方一起探討未來的場景,、技術(shù)需要如何發(fā)展。2021年4月,，聯(lián)合實驗室升級,，株洲所的設(shè)計師可以借助TI品類齊全的模擬和嵌入式處理系列產(chǎn)品進行設(shè)計，包括實時數(shù)字信號處理器,、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。該實驗室可以支撐中車株洲做一些前沿性的設(shè)計和研究,，同時TI也會投入資源為其專門定義和開發(fā)產(chǎn)品,。
聯(lián)合實驗室升級的背后，體現(xiàn)出我國高鐵自主技術(shù)的進步,，也體現(xiàn)出TI進入中國30多年來,，對于中國鐵路發(fā)展歷史的見證。從當初的進口組裝到“復(fù)興號”的推出,，如今中國引領(lǐng)了全球的軌道交通市場,，高鐵也成為國家名片。在這個從跟隨到學(xué)習,、再到超越的過程中,， TI高度本地化的團隊一直陪在這條引進、消化,、吸收,、再創(chuàng)新的路上。
未來除了現(xiàn)在的高鐵,、地鐵,、城際之外,，也許磁懸浮列車、無軌列車等都會應(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正在與中車基于聯(lián)合實驗室進行更深層次的交流和互動,，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說道,，希望看到通過TI和中車的合作,，有更多的中國列車伴隨著“一帶一路”的發(fā)展飛馳在世界各個角落,，這也是一名TIer“芯向中國,，科創(chuàng)世界”的初心。
