汽車電子功能安全工程師必看！ISO 26262認證基本原理解析

　　功能安全

　　ISO 26262的目標是為所有汽車電子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的安全標準。實現(xiàn)系統(tǒng)安全要求在機械、液壓、氣動、電氣和電子系統(tǒng)等各種技術(shù)中實施若干安全措施，并且這些安全措施應(yīng)用于開發(fā)過程的各個層面。

　　ISO 26262定義了各種汽車安全完整性等級(ASIL)——QM，A，B，C和D-，以幫助將所需的流程、開發(fā)工作和產(chǎn)品內(nèi)功能安全機制映射到可接受的風險等級。這五個級別的嚴格范圍涵蓋從基本質(zhì)量管理到故障可導(dǎo)致致命事故的系統(tǒng)的廣泛范圍。在后一種情況下，ASIL D要求汽車系統(tǒng)中的單點故障量(SPFM)小于1%。下面的表1提供了有關(guān)ASIL水平與故障指標的更多信息。

　　表1要實現(xiàn)ASIL D，系統(tǒng)中99%以上的單點故障必須由安全機制覆蓋。ASIL B和C需要較少的覆蓋范圍。(資料來源：ISO 26262-5：2011，表4和表5內(nèi)容來自ISO 26262-1：2011)

　　汽車SoC通過特定的硬件功能提供診斷覆蓋，以確保符合ISO 26262標準。這些片上功能安全機制包括糾錯碼(ECC)、數(shù)據(jù)鏈路和內(nèi)部存儲器的奇偶校驗保護等技術(shù)，通過智能互連結(jié)構(gòu)智能復(fù)制處理元件，內(nèi)置自測(BIST)和錯誤報告機制。

　　盡管ISO 26262關(guān)注的是E / E系統(tǒng)的功能安全性，但它實際上提供了一個框架，可以解決安全相關(guān)系統(tǒng)的整個生命周期。ISO 26262提供以下指導(dǎo)：

　　生命周期管理，產(chǎn)品開發(fā)，生產(chǎn)，運營，服務(wù)，退役以及在這些生命周期階段定制必要的活動

　　根據(jù)危險的嚴重程度，暴露概率和可控性來應(yīng)用安全要求，以避免不合理的風險

　　驗證和確認措施，以確保足夠和可接受的安全水平

　　與供應(yīng)商關(guān)系的要求

　　所有這些看起來很復(fù)雜，但是通過關(guān)注三個主要方面，即“3P”，可以簡化對ISO 26262的要求的理解:

　　人(People)

　　流程(Process)

　　產(chǎn)品(Product)

　　供應(yīng)商必須向客戶提供文檔，詳細說明其為準備符合標準的人員，流程和產(chǎn)品所采取的措施。有了“3P”在半導(dǎo)體IP市場中所起作用這一視角，SoC架構(gòu)師和設(shè)計團隊可以在選擇合適的IP時做出明智的選擇。了解IP供應(yīng)商的組織和運營特征可以實現(xiàn)更好的芯片、更安全的汽車，以及更高效的開發(fā)能力。

　　圖3：人員、流程和產(chǎn)品是ISO 26262功能安全活動的基礎(chǔ)

　　功能安全涉及開發(fā)過程的所有部分，包括規(guī)范，設(shè)計，實現(xiàn)，集成，認證和驗證，還包括生產(chǎn)，管理和服務(wù)流程。由于安全標準的特定要求，構(gòu)建為汽車SoC設(shè)計IP的組織存在很大困難。客戶資格認證和第三方ISO 26262認證所需的額外培訓、評估、分析和文檔可能會使汽車電子的IP開發(fā)增加大量費用。

　　必須在供應(yīng)鏈上傳達這些功能安全活動的證據(jù)。因此，為汽車半導(dǎo)體市場提供產(chǎn)品的每個組織都必須記錄符合標準的開發(fā)活動。該文檔內(nèi)容必須涵蓋相關(guān)人員、用于開發(fā)解決方案的流程，以及符合ISO 26262標準所需產(chǎn)品的分析。

　　人

　　朝著半導(dǎo)體IP的ISO 26262合規(guī)邁出的第一步是培訓參與IP開發(fā)的人員。許多公司采取培訓一小群人的“捷徑”，通常是ISO 26262要求的功能安全管理員(FSM)和少數(shù)“安全工程師”。

　　然而，由于ISO 26262第2部分“功能安全管理”的要求，特別是條款5.4.2“安全文化”和5.4.3“權(quán)限管理”，要確?？沙掷m(xù)的安全文化，團隊成員具有與其職責相對應(yīng)的足夠技能、能力和資格，就要求在整個組織中廣泛了解功能安全知識。這需要大量的員工培訓。

　　ISO 26262個人培訓和認證

　　雖然培訓的主要對象是工程師，但還需要包括組織內(nèi)參與產(chǎn)品開發(fā)和支持的其他人員，包括高管、營銷人員、工程人員、文檔團隊、質(zhì)量保證經(jīng)理和應(yīng)用工程師等。該組織指定和培訓的職能安全經(jīng)理(FSM)的任務(wù)是在所有參與產(chǎn)品開發(fā)的人員中推廣安全文化，而FSM通常負責為所有這些員工提供內(nèi)部或第三方培訓?？蛻敉ǔＰ枰贗SO 26262中稱為“集成商”的半導(dǎo)體IP以及第三方ISO 26262評估員提供員工功能安全培訓證明。

　　作為實際實施的一個例子，超過50人的Arteris IP員工已通過ISO 26262咨詢公司exida的ISO 26262功能安全從業(yè)者(FSP)培訓和認證，該公司也是ANSI認證的ISO 26262標準認證機構(gòu)。Arteris IP擁有經(jīng)驗豐富的FSM員工，不僅通過其廣泛的ISO 26262培訓計劃，還通過建立功能安全流程來確保安全文化，確保整個半導(dǎo)體IP開發(fā)過程的質(zhì)量。

　　流程

　　良好的流程對于避免系統(tǒng)故障至關(guān)重要。系統(tǒng)故障以可預(yù)測的方式與特定原因相關(guān)聯(lián)，只能通過改變設(shè)計、制造、操作程序、文檔或系統(tǒng)的其他相關(guān)因素來消除。簡而言之，系統(tǒng)故障通常是被“設(shè)計到”系統(tǒng)中的，而質(zhì)量流程有助于避免將故障設(shè)計到系統(tǒng)中。

　　因為我們是工程師，所以對ISO 26262流程的大部分注意力都集中在使用技術(shù)和軟件工具來解決ISO 26262 Part 8稱為“支持流程”的細節(jié)上。然而，這是錯誤的方法。

　　良好的安全流程或任何產(chǎn)品開發(fā)流程的關(guān)鍵不是專家使用和集成需求管理，變更管理，驗證和開發(fā)過程的其他部分的工具，而是由所有員工持續(xù)使用質(zhì)量管理系統(tǒng)(QMS)。

　　質(zhì)量管理體系(QMS)

　　符合ISO 26262第8部分質(zhì)量管理體系要求的任何流程都符合ISO 26262標準。但是，現(xiàn)有的軟件、硬件和汽車系統(tǒng)開發(fā)QMS是最先進的，可以作為供應(yīng)商流程的基礎(chǔ)。

　　下面的表2提供了一些例子：

　　表2：符合ISO 26262的質(zhì)量管理體系(QMS)的示例。資料來源：ISO 26262-8：2011

　　第三方評估公司為每個質(zhì)量管理體系提供認證。然而，作為汽車供應(yīng)鏈中的供應(yīng)商，無論您是否已獲得第三方流程認證，您的客戶都將對您的流程進行獨立審核。雖然伴隨第三方流程認證的報告可以幫助您的客戶評估您的流程，但您的客戶仍有義務(wù)確認您是否符合ISO 26262。

　　可追溯性

　　可追溯性有助于實現(xiàn)ISO 26262合規(guī)性。

　　在芯片設(shè)計領(lǐng)域，大多數(shù)設(shè)計團隊已經(jīng)擁有最先進的系統(tǒng)，可以通過實施跟蹤規(guī)范項目，然后再進行驗證測試。但是，ISO 26262要求從安全相關(guān)要求及其實施的雙向可追溯性，從概念階段——ISO 26262第3部分到生產(chǎn)和操作——ISO 26262第7部分。這意味著質(zhì)量保證(QA)測試結(jié)果可以通過其驗證測試、實施、規(guī)范和要求來追溯。此外，配置、更改和文檔需要保持最新，并且是可跟蹤性信息鏈的一部分。

　　對于尚未開發(fā)出服務(wù)于汽車產(chǎn)品的半導(dǎo)體設(shè)計團隊來說，這種可追溯性通常是陌生的。這些團隊很難改變過去運作良好的規(guī)范實施和驗證系統(tǒng)，以采用支持更廣泛可追溯性的新系統(tǒng)。一種解決方案是實現(xiàn)可追溯性系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過工程集成并“包裝”現(xiàn)有的開發(fā)系統(tǒng)，以提供所需的可追溯性水平。

　　例如，Arteris IP一直使用Atlassian Jira問題跟蹤工具作為其半導(dǎo)體IP和相關(guān)IP可配置軟件的產(chǎn)品開發(fā)規(guī)范實施驗證流程的核心。過去，基于Microsoft Word的市場需求文檔(MRD)，產(chǎn)品需求文檔(PRD)和規(guī)范中的項目被用作Jira系統(tǒng)的輸入并與工程開發(fā)任務(wù)相關(guān)聯(lián)，跟蹤其狀態(tài)，并自動驗證測試生成并記錄。

　　圖4：自動可追溯性工具提供了前向和后向可追溯性的方法，有助于變更管理

　　ISO 26262流程的底線是大多數(shù)針對汽車市場的公司必須執(zhí)行以下操作：

　　選擇符合ISO 26262標準的質(zhì)量管理體系，使用它，并能夠向第三方評估員和客戶評估員解釋您對它的使用。

　　實現(xiàn)更廣泛的自動化可追溯性，涵蓋質(zhì)量保證、交付和支持的所有要求。

　　產(chǎn)品

　　如果供應(yīng)商聲稱其產(chǎn)品“符合ISO 26262的安全要求”而沒有首先培訓其員工并記錄其流程，那么它就不符合要求。一旦人員接受培訓并且質(zhì)量流程到位并正在使用，下一步就是根據(jù)ISO 26262分析產(chǎn)品，并向半導(dǎo)體集成商提供分析文檔。對于半導(dǎo)體和半導(dǎo)體IP供應(yīng)商而言，執(zhí)行此分析需要記錄一組商定的假設(shè)，因為芯片或IP供應(yīng)商不會完全了解它將成為系統(tǒng)的一部分。

　　汽車芯片和IP：SEooC，AoU和ASIL定制

　　簡而言之，ISO 26262分析的前提是“系統(tǒng)”是正在開發(fā)和分析的實體，而ISO 26262的第1部分將系統(tǒng)定義為“一組至少與傳感器，控制器和執(zhí)行器彼此相關(guān)的元件”。顯然，芯片和用于制造它的IP不是符合ISO 26262標準的系統(tǒng)。那么，它們是什么呢?

　　芯片及其IP通常被看作(通常在設(shè)計時未知)系統(tǒng)的“元素”。雖然他們最終將成為整個系統(tǒng)的一部分，但其相關(guān)知識很難被100%理解，所以，芯片和IP被歸類為ISO 26262中的特殊類型的元素，稱為“SEooC”(Safety Elements out of Context)。SEooC要求IP提供商或集成商記錄使用假設(shè)(AoU)，其反映了IP的集成商/用戶將使用的預(yù)期安全概念、安全要求和安全機制。

　　由于有很多關(guān)于SEooC、AoU以及芯片和IP定制的假設(shè)，ISO 26262要求IP供應(yīng)商和芯片集成商就開發(fā)接口協(xié)議(DIA)達成一致，該協(xié)議定義了雙方使用的假設(shè)和責任。DIA文件將解釋來自IP供應(yīng)商的ASIL定制以及這種定制背后的原因，以及對所有使用假設(shè)的解釋。

　　故障模式和安全機制

　　產(chǎn)品內(nèi)功能安全機制用于檢測、緩解和糾正系統(tǒng)運行時由隨機錯誤引起的故障。單事件效應(yīng)(SEE)——由宇宙射線引起的電磁干擾和當它們與半導(dǎo)體相互作用時發(fā)射的電離能量——是產(chǎn)生隨機錯誤的原因。這些隨機錯誤可能具有瞬態(tài)或永久性影響。隨機瞬態(tài)效應(yīng)也稱為“軟錯誤”，包括單個位翻轉(zhuǎn)(SBU)，例如存儲器單元或邏輯觸發(fā)器中的“位翻轉(zhuǎn)”，以及單個事件瞬變(SET)，它們可能是電壓故障，可能不會導(dǎo)致錯誤。還存在這些可以同時發(fā)生的情況，導(dǎo)致多個位擾亂(MBU)。由SEE引起的“硬錯誤”導(dǎo)致永久性損壞，包括單事件閂鎖(SEL)、單事件燒毀(SEB)等。

　　圖5：單事件效應(yīng)(SEE)錯誤層次圖

　　由于導(dǎo)致這些錯誤的原因是自然物理現(xiàn)象，并且是隨機發(fā)生，因此檢測并減輕其影響以實現(xiàn)和維持系統(tǒng)安全非常重要。為此，工程團隊在其產(chǎn)品中開發(fā)特定安全技術(shù)特性。以下是這些功能的示例，也稱為功能安全機制：

　　添加和檢查添加到片上通信流量的奇偶校驗或ECC位

　　復(fù)制邏輯并比較結(jié)果

　　三模冗余(TMR)或多數(shù)表決

　　通訊超時

　　驗證操作正確性的硬件檢查程序

　　安全控制器從整個系統(tǒng)收集錯誤消息，并在系統(tǒng)中進行更高級的通信

　　內(nèi)置自檢(BIST)，適用于所有功能安全機制

　　圖6：故障模式影響和診斷分析(FMEDA)包括使用故障注入分析安全機制，如BIST

　　我們已經(jīng)描述了分析IP和芯片所需的假設(shè)，以及它們的故障模式和安全機制，下面將討論實際的分析過程。

　　首先進行定性分析(FMEA)，然后進行定量分析(FMEDA)

　　一旦設(shè)計團隊了解其故障模式和功能安全機制，就可以執(zhí)行并記錄定性安全分析，稱為故障模式影響和分析(FMEA)。FMEA是一種漸進的方法，用于識別設(shè)計中的所有可能的故障方式(故障模式)以及這些故障產(chǎn)生的后果。設(shè)計團隊往往沒有足夠重視對其項目的定性分析，而是傾向于直接進入定量分析。這是錯誤的!正確執(zhí)行FMEA是正確定義如何減輕故障的關(guān)鍵，也是用于驗證FMEA定量分析的基礎(chǔ)。

　　完成FMEA后，設(shè)計團隊必須使用稱為故障模式影響診斷分析(FMEDA)的定量分析進一步分析故障模式和安全機制。盡管可以估計大多數(shù)功能安全機制的診斷覆蓋范圍(即“保護”)的假設(shè)，但大多數(shù)半導(dǎo)體集成商都堅持使用故障注入技術(shù)來驗證項目中實施的功能安全措施的診斷覆蓋范圍。需要詳細了解IP實施，以確定必須注入故障的位置，以觸發(fā)功能安全機制，以及最有效地觀察機制輸出的位置。

　　盡管故障注入分析對于驗證FMEA很重要，但僅靠FMEDA是不夠的。需要將其他技術(shù)一起用于驗證使用故障注入無法輕易證明的診斷覆蓋率。一個示例是驗證使用假設(shè)，該假設(shè)定義了客戶必須與元素一起集成的安全機制。這對于駐留在IP塊之外的安全機制(例如時鐘和電壓監(jiān)視器)非常常見。除了故障注入以驗證FMEA之外，還可以使用的其他技術(shù)包括故障樹分析(FTA)、相關(guān)故障分析(DFA)和引腳級FMEA。

　　由IP開發(fā)團隊創(chuàng)建的FMEDA報告允許經(jīng)過全面培訓的安全管理人員審查有關(guān)遵守ISO 26262的所有信息。由IP提供商或半導(dǎo)體集成商聘請的第三方評估公司或咨詢公司也可以審查分析和開發(fā)過程，以幫助評估功能安全合規(guī)性。

　　結(jié)論

　　在ISO 26262下滿足汽車功能安全組件的標準是一個涉及供應(yīng)商的人員，流程和產(chǎn)品的艱巨過程。創(chuàng)建滿足這些需求的產(chǎn)品和技術(shù)需要運營和工程重點、強大的安全文化、管理承諾以及對時間和金錢的重大投資。如果供應(yīng)商提供此類產(chǎn)品，則由集成商決定是否已采取超出產(chǎn)品級別的所有步驟來確定索賠是否有效。未能進一步調(diào)查將使集成商面臨使用不符合評估和審核要求的組件的風險，這些組件是客戶在供應(yīng)鏈中進一步遵守ISO 26262要求所必需的。

　　依賴于有關(guān)安全目標的產(chǎn)品開發(fā)中涉及的人員、流程和分析的不完整信息的項目可能使進入新興的乘用車電子系統(tǒng)設(shè)計的努力無效，包括ADAS和自動駕駛汽車的設(shè)計。電子系統(tǒng)集成商必須向汽車制造商提供證據(jù)，證明系統(tǒng)的所有組件都經(jīng)過徹底評估，以驗證其安全可靠的說法。如果不遵守標準、不傳達如何遵循標準，可能會導(dǎo)致汽車供應(yīng)商的額外工作或返工。