摘要

隨著航天、核能等高輻射環(huán)境領(lǐng)域?qū)﹄娮釉O(shè)備可靠性的要求不斷提高，抗輻照MCU（微控制單元）在保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行方面的重要性日益凸顯。本文聚焦于國科安芯推出的AS32S601ZIT2型MCU，一款基于開源RISC-V指令集架構(gòu)的商業(yè)航天級MCU，深入探討了其抗輻照設(shè)計技術(shù)細節(jié)與試驗評估成果。通過對質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗、總劑量效應(yīng)試驗以及單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗的系統(tǒng)分析，結(jié)合對現(xiàn)有抗輻照MCU研究的綜述，揭示了該MCU在高輻射環(huán)境下的性能表現(xiàn)及其潛在應(yīng)用價值，為相關(guān)領(lǐng)域抗輻照MCU的選型與研發(fā)提供了參考。

一、引言

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，MCU作為核心組件，其性能與可靠性直接影響到系統(tǒng)的整體表現(xiàn)。尤其在航天、核能、高能物理實驗等高輻射環(huán)境中，輻射可能導(dǎo)致MCU內(nèi)部電路功能紊亂、數(shù)據(jù)錯誤甚至永久性損壞，進而威脅到系統(tǒng)的安全運行。因此，研發(fā)具備抗輻照能力的MCU成為解決這一問題的關(guān)鍵。

近年來，隨著RISC-V架構(gòu)的興起，其開源、靈活的特性使得設(shè)計人員能夠根據(jù)特定應(yīng)用場景定制指令集與微架構(gòu)，為抗輻照MCU的設(shè)計提供了新的可能性。在這一背景下，國科安芯推出的AS32S601ZIT2型MCU作為基于RISC-V架構(gòu)的抗輻照MCU代表，憑借其先進的抗輻照加固技術(shù)與優(yōu)越的性能指標，為高輻射環(huán)境下的電子系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供了可靠選擇。本文旨在通過對其抗輻照設(shè)計與試驗評估的深入剖析，揭示該MCU在抗輻照領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用前景。

二、抗輻照MCU研究現(xiàn)狀與抗輻照****試驗方法進展

（一）抗輻照MCU研究現(xiàn)狀

抗輻照MCU的研發(fā)一直是國際研究熱點，旨在解決電子設(shè)備在高輻射環(huán)境下的可靠性問題。根據(jù)文獻報道，傳統(tǒng)抗輻照MCU多基于封閉架構(gòu)，如ARM、MIPS等，其在抗輻照設(shè)計上存在諸多限制。例如，ARM架構(gòu)MCU的抗輻照設(shè)計需在有限指令集與固定微架構(gòu)基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，難以滿足特殊高輻射環(huán)境下的定制化需求。

相較之下，基于RISC-V架構(gòu)的抗輻照MCU展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。RISC-V架構(gòu)的開源特性允許設(shè)計人員根據(jù)特定輻射環(huán)境與應(yīng)用場景，靈活定制指令集擴展與微架構(gòu)優(yōu)化，從而實現(xiàn)更高效的抗輻照加固設(shè)計。此外，其模塊化設(shè)計思想便于集成抗輻照模塊，使MCU在具備高性能的同時，兼顧抗輻照能力。這為抗輻照MCU的設(shè)計提供了更廣闊的空間，使其能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的輻射環(huán)境。

（二）抗輻照試驗方法研究進展

抗輻照試驗是評估MCU抗輻照性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，現(xiàn)有研究已發(fā)展出多種試驗方法。質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗通過模擬空間輻射環(huán)境中的高能質(zhì)子對MCU進行輻照，以評估其在單粒子效應(yīng)下的性能表現(xiàn)。該試驗?zāi)軌蛴行Ы沂綧CU在空間輻射環(huán)境下的功能穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)可靠性，為航天電子系統(tǒng)選型提供重要依據(jù)。

總劑量效應(yīng)試驗則關(guān)注MCU在長期累積輻射劑量下的性能退化情況。該試驗采用γ射線或X射線對MCU進行持續(xù)輻照，通過監(jiān)測其電參數(shù)與功能變化，確定MCU的抗總劑量輻照能力，對于預(yù)測電子設(shè)備在核能等長期輻射環(huán)境下的使用壽命具有重要意義。

單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗作為一種新興的試驗方法，利用皮秒脈沖激光模擬重離子對MCU的輻照效應(yīng)。該試驗?zāi)軌蚓_控制激光能量與注量，實現(xiàn)對MCU單粒子效應(yīng)的高分辨率掃描，有助于深入研究MCU在重離子輻射下的敏感區(qū)域與失效機制，為抗輻照加固設(shè)計提供更精準的指導(dǎo)。

三、AS32S601ZIT2型MCU抗輻照設(shè)計

（一）RISC-V架構(gòu)優(yōu)勢與定制化抗輻照設(shè)計

AS32S601ZIT2型MCU基于32位RISC-V指令集架構(gòu)，充分利用了其開源與靈活的特性。設(shè)計人員針對高輻射環(huán)境需求，對指令集進行了定制擴展，增加了抗輻照相關(guān)的指令與數(shù)據(jù)處理機制。例如，在存儲操作指令中融入了ECC（錯誤糾正碼）校驗指令，使得MCU能夠在數(shù)據(jù)存儲與讀取過程中自動檢測并糾正因輻射引發(fā)的位錯誤，提高了數(shù)據(jù)的可靠性。

在微架構(gòu)層面，采用了高冗余設(shè)計策略。關(guān)鍵信號通路設(shè)置了多重冗余路徑，當主路徑受輻射影響出現(xiàn)故障時，冗余路徑能夠迅速接替工作，確保MCU功能的連續(xù)性。同時，優(yōu)化了流水線結(jié)構(gòu)，增加了輻射監(jiān)測與響應(yīng)環(huán)節(jié)。在每個流水線階段設(shè)置了輻射感應(yīng)單元，實時監(jiān)測芯片受輻射情況，一旦檢測到輻射水平超出預(yù)設(shè)閾值，立即啟動相應(yīng)的防護措施，如暫停當前指令執(zhí)行、增強信號強度等，以降低輻射對MCU性能的影響，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（二）抗輻照加固技術(shù)細節(jié)

1. 存儲單元抗輻照加固

AS32S601ZIT2型MCU配備了512KiB內(nèi)部SRAM、512KiB D-Flash以及2MiB P-Flash，且均采用了ECC糾錯碼技術(shù)。ECC技術(shù)通過在數(shù)據(jù)存儲時增加校驗位，在數(shù)據(jù)讀取時根據(jù)校驗位檢測并糾正錯誤，有效提高了存儲單元在輻射環(huán)境下的可靠性。實驗數(shù)據(jù)表明，該MCU在遭受一定劑量輻射后，存儲單元的錯誤率顯著低于未采用ECC技術(shù)的同類MCU，確保了數(shù)據(jù)存儲的完整性和準確性。

此外，存儲單元還采用了分散式布局與屏蔽結(jié)構(gòu)。將關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲區(qū)域分散布置在芯片不同位置，降低了單個輻射事件同時影響多個存儲單元的概率。同時，在存儲單元周圍設(shè)計了金屬屏蔽層，進一步阻擋輻射粒子的侵入，減少輻射對存儲單元的直接影響，增強了存儲單元的抗輻照能力。

2. 外圍電路抗輻照加固

在模擬電路方面，優(yōu)化了ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）等模擬外設(shè)的電路設(shè)計。采用了高精度的參考電壓源與濾波電路，提高了模擬電路對輻射干擾的抑制能力。通過增加冗余采樣與平均處理算法，降低了輻射引起的噪聲對模擬信號采樣的影響，保證了模擬信號轉(zhuǎn)換的精度與穩(wěn)定性。

數(shù)字電路部分，運用了抗輻照邏輯門與觸發(fā)器。這些邏輯器件采用了特殊的版圖設(shè)計與制造工藝，具有更強的抗輻照能力。例如，采用了加寬的有源區(qū)、深溝隔離等技術(shù)，降低了輻射引起的漏電流與寄生效應(yīng)，確保數(shù)字電路在輻射環(huán)境下能夠穩(wěn)定工作，正常執(zhí)行邏輯運算與數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

3. 電源管理與信號完整性抗輻照加固

電源管理模塊采用了多級穩(wěn)壓與濾波電路，能夠有效抑制輻射引起的電源電壓波動。在電源線上布置了去耦電容與磁珠，濾除高頻噪聲，保證MCU內(nèi)部各模塊能夠獲得穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。同時，優(yōu)化了電源管理模塊的控制算法，使其能夠在檢測到電源異常時迅速做出響應(yīng)，如切換備用電源、降低功耗等，以維持MCU的基本運行功能，保障系統(tǒng)在輻射環(huán)境下的穩(wěn)定性。

針對信號完整性問題，設(shè)計了抗輻照的I/O接口電路。采用了差分信號傳輸技術(shù)，提高了信號的抗干擾能力。對信號線進行了合理的布局與屏蔽，減少輻射對信號傳輸?shù)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合干擾。此外，優(yōu)化了信號驅(qū)動與接收電路，增強了信號的驅(qū)動能力與接收靈敏度，確保MCU在輻射環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸與通信，維持系統(tǒng)的正常運行。

四、抗輻照試驗評估

（一）質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗

1. 試驗?zāi)康呐c方法

質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗旨在評估AS32S601ZIT2型MCU在空間輻射環(huán)境中高能質(zhì)子作用下的性能表現(xiàn)。試驗在中國原子能科學研究院100MeV質(zhì)子回旋加速器上進行，選取1個MCU樣品作為試驗對象。設(shè)定質(zhì)子能量為100MeV，注量率范圍在1e7至1e10，通過調(diào)節(jié)質(zhì)子束流強度與輻照時間，使MCU樣品接受不同注量的質(zhì)子輻照。試驗過程中，實時監(jiān)測MCU的電參數(shù)、工作電流、功能狀態(tài)等關(guān)鍵指標，以判斷其是否出現(xiàn)單粒子效應(yīng)，如單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、單粒子鎖定（SEL）等。

2. 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果顯示，在總注量達到1e10的嚴苛條件下，AS32S601ZIT2型MCU功能依舊保持正常。其工作電流穩(wěn)定在設(shè)計范圍內(nèi)，未出現(xiàn)因單粒子效應(yīng)導(dǎo)致的異常電流波動。MCU的存儲單元、外圍接口等功能模塊均能夠正常工作，數(shù)據(jù)讀寫準確無誤，通信接口傳輸穩(wěn)定可靠。這表明該MCU在質(zhì)子輻射環(huán)境下具備出色的抗單粒子效應(yīng)能力，能夠有效抵御高能質(zhì)子引發(fā)的功能紊亂與失效風險。

（二）總劑量效應(yīng)試驗

1. 試驗?zāi)康呐c方法

總劑量效應(yīng)試驗用于確定AS32S601ZIT2型MCU在長期累積輻射劑量下的性能退化情況。試驗在北京大學技術(shù)物理系鈷源平臺進行，采用鈷60γ射線源，確保輻射場在樣品輻照面積內(nèi)的不均勻性小于10%。利用電離室、熱釋光劑量計等測量系統(tǒng)，精確控制輻照劑量，測量不確定度小于5%。試驗中，MCU樣品接受總劑量高達150krad(Si)的γ射線輻照，涵蓋室溫測試、50%過輻照、室溫測量以及高溫退火等多個環(huán)節(jié)。在輻照前后及不同階段，對MCU的電參數(shù)與功能進行測試，以評估其抗總劑量輻照能力。

2. 試驗結(jié)果與分析

經(jīng)測試，在總劑量達到150krad(Si)的γ射線輻照后，AS32S601ZIT2型MCU的電參數(shù)與功能均保持穩(wěn)定。工作電流僅由初始的135mA微降至132mA，CAN接口依舊能夠正常通信，F(xiàn)LASH/RAM的擦寫功能也未受輻射影響。這說明該MCU具備強大的抗總劑量輻照能力，能夠在長期累積輻射環(huán)境下維持穩(wěn)定運行。

（三）單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗

1. 試驗?zāi)康呐c方法

單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗旨在模擬重離子對AS32S601ZIT2型MCU的輻照效應(yīng)，深入研究其在高LET（線性能量傳遞）值重離子輻射下的性能表現(xiàn)。試驗在中關(guān)村B481的脈沖激光單粒子效應(yīng)實驗室進行，采用皮秒脈沖激光單粒子效應(yīng)裝置。通過調(diào)節(jié)激光LET值（5-75MeV·cm2/mg），模擬不同能量的重離子對MCU的輻照。試驗中，MCU樣品在5V工作條件下，初始激光能量設(shè)定為120pJ（對應(yīng)LET值為5MeV·cm2/mg），隨著激光能量逐步提升至1585pJ（對應(yīng)LET值為75MeV·cm2/mg），實時監(jiān)測MCU的工作狀態(tài)，包括工作電流、功能表現(xiàn)等關(guān)鍵指標，以判斷其是否出現(xiàn)單粒子效應(yīng)，如單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、單粒子鎖定（SEL）等。

2. 試驗結(jié)果與分析

當激光能量達到1585pJ（對應(yīng)LET值為75MeV·cm2/mg）時，監(jiān)測到AS32S601ZIT2型MCU發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）現(xiàn)象，但未出現(xiàn)更為嚴重的單粒子鎖定（SEL）效應(yīng)。具體表現(xiàn)為MCU內(nèi)部存儲單元中的部分數(shù)據(jù)位出現(xiàn)錯誤翻轉(zhuǎn)，但通過其自身的ECC糾錯機制，能夠及時檢測并糾正這些錯誤，使MCU迅速恢復(fù)至正常工作狀態(tài)。這表明該MCU在面對高LET值重離子輻射時，雖會出現(xiàn)局部的數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)錯誤，但憑借其抗輻照設(shè)計，成功避免了因單粒子效應(yīng)引發(fā)的全面鎖定失效，展現(xiàn)了良好的抗輻照魯棒性。

五、應(yīng)用場景分析

（一）商業(yè)航天領(lǐng)域

在商業(yè)航天領(lǐng)域，衛(wèi)星、航天器等設(shè)備在太空運行過程中會受到宇宙射線、太陽風暴等輻射環(huán)境的影響，對電子設(shè)備的抗輻照性能提出了極高要求。AS32S601ZIT2型MCU憑借其卓越的抗輻照能力，在商業(yè)航天任務(wù)中具有廣泛的應(yīng)用潛力。

例如，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，MCU作為核心控制單元，負責數(shù)據(jù)處理、信號控制與通信管理等關(guān)鍵任務(wù)。AS32S601ZIT2型MCU能夠在太空輻射環(huán)境下穩(wěn)定運行，確保衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可靠工作，實現(xiàn)高質(zhì)量的通信服務(wù)。其在質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗與總劑量效應(yīng)試驗中的優(yōu)異表現(xiàn)，使其能夠有效抵御太空輻射環(huán)境中的高能質(zhì)子與累積輻射劑量對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的影響，保障衛(wèi)星在長期運行過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

在航天器姿態(tài)控制與導(dǎo)航系統(tǒng)中，MCU的精確控制與數(shù)據(jù)處理能力對于航天器的安全運行至關(guān)重要。AS32S601ZIT2型MCU的高抗輻照性能使其能夠在復(fù)雜的太空輻射環(huán)境下為航天器的姿態(tài)控制與導(dǎo)航系統(tǒng)提供可靠的控制支持，確保航天器的精確飛行與安全著陸。此外，其豐富的接口資源與高性能處理能力也能夠滿足航天器姿態(tài)控制與導(dǎo)航系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸與處理的高要求，為商業(yè)航天任務(wù)的成功實施提供有力保障。

（二）核能領(lǐng)域

核能作為一種重要的清潔能源，在核電站等核能設(shè)施中，電子設(shè)備需要長期暴露在輻射環(huán)境中，對MCU的抗輻照性能提出了嚴峻挑戰(zhàn)。AS32S601ZIT2型MCU在核能領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

在核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)中，MCU負責監(jiān)測與控制核反應(yīng)堆的運行狀態(tài)，確保核反應(yīng)堆的安全運行。AS32S601ZIT2型MCU的高抗輻照能力使其能夠在核反應(yīng)堆周圍高輻射環(huán)境下穩(wěn)定工作，準確采集核反應(yīng)堆的各項運行參數(shù)，如溫度、壓力、中子通量等，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制邏輯對核反應(yīng)堆進行精確控制，保障核反應(yīng)堆的安全運行。其在總劑量效應(yīng)試驗中的出色表現(xiàn)，證明了其具備長期抵御累積輻射劑量的能力，能夠滿足核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)對MCU可靠性的嚴苛要求，為核能的安全利用提供技術(shù)支撐。

在核輻射監(jiān)測系統(tǒng)中，MCU作為數(shù)據(jù)采集與處理的核心組件，對核輻射監(jiān)測的準確性和可靠性起著關(guān)鍵作用。AS32S601ZIT2型MCU能夠承受核輻射環(huán)境的考驗，在長期運行過程中保持穩(wěn)定的性能，準確采集核輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進行實時分析與處理。其豐富的模擬接口與高精度ADC、DAC等外設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對核輻射監(jiān)測傳感器信號的精確采集與控制，為核能設(shè)施的輻射監(jiān)測與安全保障提供可靠的解決方案。

（三）高能物理實驗領(lǐng)域

高能物理實驗中，粒子加速器等設(shè)備會產(chǎn)生高強度的輻射場，對周邊電子設(shè)備的抗輻照性能提出了極高的要求。AS32S601ZIT2型MCU在高能物理實驗領(lǐng)域的應(yīng)用能夠為實驗數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)提供可靠的硬件支持。

在粒子探測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，MCU負責采集與處理粒子探測器產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，其性能直接影響到實驗數(shù)據(jù)的準確性和完整性。AS32S601ZIT2型MCU能夠在高能物理實驗的強輻射環(huán)境下穩(wěn)定運行，憑借其高性能處理能力與豐富的接口資源，快速采集粒子探測器輸出的信號，并進行初步處理與傳輸，確保實驗數(shù)據(jù)的及時獲取與可靠記錄。其在單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗中的良好表現(xiàn)，證明了其在面對高LET值重離子輻射時具備較強的抗單粒子效應(yīng)能力，能夠有效減少輻射對實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響，提高實驗數(shù)據(jù)的質(zhì)量與可靠性。

在加速器控制系統(tǒng)中，MCU參與加速器的束流控制、磁場調(diào)節(jié)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。AS32S601ZIT2型MCU的高抗輻照性能使其能夠在加速器周圍的強輻射環(huán)境下可靠工作，精確執(zhí)行控制指令，實現(xiàn)對加速器運行參數(shù)的精確調(diào)控，保障加速器的穩(wěn)定運行。這對于開展高精度的高能物理實驗具有重要意義，為探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)與基本相互作用等前沿科學問題提供了有力的技術(shù)支持。

（四）其他潛在應(yīng)用領(lǐng)域

除了上述主要應(yīng)用領(lǐng)域外，AS32S601ZIT2型MCU在醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自動化等涉及輻射環(huán)境的領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價值。

在醫(yī)療設(shè)備方面，如放射治療設(shè)備、醫(yī)學影像設(shè)備等，電子設(shè)備需要在輻射環(huán)境下穩(wěn)定運行，同時保障醫(yī)療數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。AS32S601ZIT2型MCU的抗輻照能力能夠滿足這些設(shè)備在輻射環(huán)境下的使用要求，確保醫(yī)療設(shè)備的正常工作，提高醫(yī)療診斷與治療的效果與安全性。

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，如核化工、放射性物質(zhì)處理等特殊工業(yè)環(huán)境，自動化控制系統(tǒng)需要具備抗輻照能力以保障生產(chǎn)過程的安全與穩(wěn)定。AS32S601ZIT2型MCU可以作為自動化控制系統(tǒng)的核心控制器，抵御輻射環(huán)境的干擾，實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的精確控制與監(jiān)測，提高生產(chǎn)效率與安全性，降低輻射環(huán)境對工業(yè)生產(chǎn)的影響。

審核編輯 黃宇