摘要

隨著商業(yè)航天與深空探測任務(wù)的快速發(fā)展，航天器載荷系統(tǒng)對具備高性能、高可靠性與快速迭代能力的微控制器(Microcontroller Unit, MCU)需求日益迫切。傳統(tǒng)抗輻照器件長期依賴封閉式架構(gòu)，在成本效益、技術(shù)自主性及生態(tài)開放性方面面臨顯著瓶頸。RISC-V開源指令集架構(gòu)憑借其模塊化設(shè)計、可擴展性與活躍的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，為宇航級MCU的研制提供了全新的技術(shù)范式。本文基于國科安芯AS32S601ZIT2型32位RISC-V架構(gòu)MCU的系統(tǒng)性地面輻照試驗數(shù)據(jù)，分析其在空間輻射環(huán)境下的單粒子效應(yīng)(Single Event Effects, SEE)與總劑量效應(yīng)(Total Ionizing Dose, TID)響應(yīng)特性及工程防護策略，為RISC-V架構(gòu)抗輻照器件的宇航應(yīng)用選型、系統(tǒng)集成與可靠性評估提供完整的理論支撐與實踐指南。

1. 引言

空間輻射環(huán)境由地球輻射帶、銀河宇宙射線及太陽質(zhì)子事件構(gòu)成的高能粒子流組成，對在軌航天器電子系統(tǒng)構(gòu)成持續(xù)性威脅。當高能質(zhì)子、α粒子或重離子穿透半導體器件靈敏體積時，通過直接電離或核反應(yīng)產(chǎn)生電荷簇，引發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子功能中斷(Single Event Functional Interrupt, SEFI)甚至SEL，可導致載荷系統(tǒng)數(shù)據(jù)錯誤、功能失效乃至永久性損壞。與此同時，累積電離效應(yīng)導致的TID會引起氧化物電荷積累與界面態(tài)生成，誘發(fā)閾值電壓漂移、跨導退化與漏電流增加，逐步削弱器件性能并縮短任務(wù)壽命。

傳統(tǒng)航天級MCU多基于專有架構(gòu)開發(fā)，面臨研發(fā)周期長、成本高昂及供應(yīng)鏈受限等問題。近年來，RISC-V開源指令集架構(gòu)憑借其開放性、模塊化及可定制特性，為宇航處理器設(shè)計注入新活力。AS32S601系列MCU基于國科安芯自研E7內(nèi)核，集成浮點運算單元(Floating-Point Unit, FPU)與16KiB L1 Cache，工作主頻達180MHz，集成512KiB SRAM、2MiB Flash及豐富的外設(shè)接口，專為商業(yè)航天、核電站等高安全場景設(shè)計。然而，其空間環(huán)境適應(yīng)性須通過嚴格的地面模擬試驗驗證。

現(xiàn)有研究多集中于FPGA與存儲器的SEE效應(yīng)，對RISC-V架構(gòu)MCU的系統(tǒng)性SEE數(shù)據(jù)相對匱乏。本文基于AS32S601ZIT2的質(zhì)子加速器、皮秒脈沖激光及鈷60源輻照試驗數(shù)據(jù)，從試驗方法學、失效閾值量化、效應(yīng)機理剖析、防護策略構(gòu)建四個層面展開深度分析，為國產(chǎn)RISC-V器件的宇航工程應(yīng)用提供科學依據(jù)。

2. 器件架構(gòu)與抗輻照設(shè)計特征分析

2.1 RISC-V內(nèi)核與存儲器保護體系

AS32S601ZIT2采用32位RISC-V指令集架構(gòu)，自研E7內(nèi)核集成16KiB指令Cache與16KiB數(shù)據(jù)Cache，支持零等待訪問嵌入式Flash。其抗輻照設(shè)計的核心在于存儲器系統(tǒng)的全陣列ECC保護機制。具體而言，512KiB SRAM、512KiB D-Flash及2MiB P-Flash均配備單錯誤糾正雙錯誤檢測(Single Error Correction Double Error Detection, SEC-DED)漢明碼，可糾正單位翻轉(zhuǎn)并檢測雙位錯誤。該設(shè)計符合ISO 26262功能安全標準的ASIL-B等級要求，為緩解SEU導致的數(shù)據(jù)破壞提供了硬件級基礎(chǔ)保障。此外，器件內(nèi)置5個內(nèi)存保護單元(Memory Protection Unit, MPU)與錯誤控制模塊(Fault Control Unit, FCU)，可對非法訪問、總線錯誤及異常狀態(tài)實施實時攔截與上報，有效遏制錯誤傳播。

2.2 工藝節(jié)點與物理結(jié)構(gòu)特征

器件采用Umc55nm體硅CMOS工藝制造。該工藝節(jié)點在特征尺寸與單粒子敏感體積之間呈現(xiàn)復雜權(quán)衡關(guān)系。相較于成熟工藝節(jié)點(如180nm或130nm)，55nm工藝的幾何尺寸縮減導致臨界電荷量下降，單元收集效率提升，SEU敏感度潛在增加。然而，通過電路級加固設(shè)計，如增大存儲節(jié)點電容、優(yōu)化阱接觸密度及采用保護環(huán)結(jié)構(gòu)，可在一定程度上補償工藝敏感性。數(shù)據(jù)手冊未明確披露是否采用絕緣體上硅(Silicon on Insulator, SOI)或藍寶石上硅(Silicon on Sapphire, SOS)等特殊襯底技術(shù)，故其SEL抗擾能力主要依賴標準體硅工藝的閂鎖抑制設(shè)計。

封裝形式為LQFP144塑料四方扁平封裝，具備商業(yè)化成本控制優(yōu)勢。然而，塑料封裝在長期真空環(huán)境下存在出氣(Outgassing)風險，可能對光學載荷或敏感表面造成污染。在航天應(yīng)用中，建議采用共形涂覆或金屬蓋密封等二次加固措施，以提升氣密性與抗輻照能力。管芯與引腳間通過引線鍵合連接，未采用倒裝芯片(Flip-chip)技術(shù)，簡化了熱管理與應(yīng)力分析。

2.3 電源管理與電特性邊界

器件支持2.7V至5.5V寬壓供電，核心電壓VDD為1.2V±10%，I/O電壓VDDIO為3.3V±5.5V。寬壓設(shè)計賦予系統(tǒng)在電源擾動下的魯棒性，對SEE引發(fā)的瞬時電壓跌落具有更高容忍度。在180MHz全速運行時，典型工作電流為135mA(所有外設(shè)禁用)，總功耗約445mW。數(shù)據(jù)手冊明確標注GPIO引腳最大電流為20mA，且在不同驅(qū)動模式下可配置為4.5mA、9mA、13.5mA或18mA，為外部電路設(shè)計提供靈活性。

靜電放電(Electrostatic Discharge, ESD)特性測試表明，人體模型(HBM)耐受電壓達±2000V，充電器件模型(Charged Device Model, CDM)耐受電壓達±500V，符合AEC-Q100 Grade 1汽車級標準。閂鎖(Latch-up)測試在125℃下施加±200mA I-Test電流與7V過壓(5V芯片)，未觸發(fā)閂鎖，為SEL抗擾能力提供間接佐證。

3. 單粒子效應(yīng)地面模擬試驗方法學

3.1 質(zhì)子輻照試驗技術(shù)規(guī)范

依據(jù)GJB 548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》及QJ 10005A-2018《宇航用半導體器件單粒子效應(yīng)試驗指南》，質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗在中國原子能科學研究院100MeV質(zhì)子回旋加速器設(shè)施上實施。試驗采用大氣環(huán)境輻照模式，避免真空靶室對高速測試系統(tǒng)的限制。質(zhì)子能量選取100MeV，該能量下質(zhì)子在硅中的穿透深度約8.7mm，足以穿透管芯有源區(qū)及襯底層。注量率嚴格控制在1×10? p·cm?2·s?1，以規(guī)避總劑量效應(yīng)與位移損傷效應(yīng)的干擾?？傋⒘坷鄯e至1×101? cm?2，該條件可等效模擬500km高度、98°傾角LEO軌道約5-7年的累積質(zhì)子通量。

試驗樣品配置靜態(tài)偏置(VCC=3.3V)，通過CANFD分析儀實時監(jiān)測MCU工作狀態(tài)、通信鏈路與工作電流。SEL判定標準為工作電流超過正常值1.5倍并持續(xù)超過100ms。SEU判定通過存儲器回讀比對、功能狀態(tài)機檢查及外設(shè)數(shù)據(jù)完整性校驗實現(xiàn)。試驗過程中，累積總劑量須嚴格控制在抗TID能力的80%以內(nèi)，確保SEE與TID效應(yīng)解耦分析。

3.2 皮秒脈沖激光模擬技術(shù)

脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗依據(jù)GB/T 43967-2024《空間環(huán)境 宇航用半導體器件單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗方法》在中關(guān)村實驗室實施。皮秒脈沖激光器產(chǎn)生波長1064nm、脈寬30ps的近紅外激光，通過數(shù)值孔徑0.9的物鏡聚焦至器件正面，焦斑尺寸約1-2μm，實現(xiàn)亞微米級空間分辨率。激光能量在120pJ至1830pJ范圍內(nèi)可調(diào)，通過非線性晶體頻率轉(zhuǎn)換與衰減片組合實現(xiàn)，等效LET值覆蓋5至75 MeV·cm2·mg?1范圍。

激光試驗優(yōu)勢在于精準定位與快速參數(shù)掃描。試驗采用光斑相對掃描模式，三維納米定位臺以X軸5μm步長、Y軸3μm步長覆蓋整個3959μm×3959μm管芯有源區(qū)，注量設(shè)定為1×10? cm?2。相比重離子試驗，激光試驗無需開封背襯，且可重復輻照同一區(qū)域，適合閾值精細測定與敏感節(jié)點空間分布圖譜繪制。然而，激光僅能通過雙光子吸收或光電效應(yīng)產(chǎn)生電子-空穴對，無法模擬核反應(yīng)產(chǎn)生的次級中子或反沖核，對SEL等需電荷累積的效應(yīng)模擬存在固有局限。

3.3 試驗數(shù)據(jù)溯源與不確定度分析

兩套試驗系統(tǒng)均采用"加速器/激光器+試驗板+程控電源+數(shù)據(jù)采集PC"架構(gòu)，實現(xiàn)輻照、監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析一體化。原始數(shù)據(jù)記錄遵循ALARA原則與質(zhì)量保證大綱，包括輻照時間、注量、注量率、實時電參數(shù)曲線及功能狀態(tài)日志。對于SEE事件，記錄其LET閾值、空間坐標、錯誤類型及恢復情況；對于SEL事件，記錄鎖定電流、持續(xù)時間及斷電復位響應(yīng)。所有數(shù)據(jù)經(jīng)雙人獨立復核，確保試驗溯源性與可重復性。

不確定度主要來源于注量測量、能量標定與定位精度。質(zhì)子注量通過金硅面壘探測器校準，不確定度<5%；激光能量通過熱釋電探測器標定，不確定度<3%；定位臺重復定位精度±0.5μm，光斑定位不確定度約1μm。綜合不確定度控制在10%以內(nèi)，滿足宇航器件鑒定試驗要求。

4. SEU/SEL閾值測試結(jié)果與機理深度分析

4.1 質(zhì)子輻照試驗結(jié)果解讀

AS32S601ZIT2在100MeV、注量率1×10? p·cm?2·s?1、總注量1×101? cm?2的輻照條件下，器件功能保持完整，工作電流穩(wěn)定在135mA±2%范圍內(nèi)，未觀測到SEL或功能性中斷事件。該結(jié)果初步表明，在LEO軌道典型質(zhì)子能譜(峰值約30-50MeV)下，器件具備優(yōu)異的抗SEL能力。然而，100MeV質(zhì)子在硅中的LET值僅約0.1 MeV·cm2·mg?1，遠低于SRAM的典型臨界LET閾值(通常>2 MeV·cm2·mg?1)，故未觀測到SEU屬預(yù)期現(xiàn)象。

4.2 脈沖激光試驗閾值精確測定

激光試驗揭示了器件深層次的SEE敏感度。當激光能量為120pJ(對應(yīng)LET值5 MeV·cm2·mg?1)時，全芯片掃描未觸發(fā)任何異常。能量提升至1585pJ(對應(yīng)LET值65 MeV·cm2·mg?1)時，監(jiān)測到明確的SEU事件，表現(xiàn)為SRAM單元數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)。當能量增至1830pJ(對應(yīng)LET值75 MeV·cm2·mg?1)時，芯片發(fā)生CPU復位，判定為SEFI事件。

值得注意的是，試驗全程未觀測到SEL，即使在最高LET值下，工作電流始終維持在100mA正常水平。該現(xiàn)象可歸因于：① 55nm體硅工藝的閂鎖路徑寄生雙極晶體管電流增益較低；② 內(nèi)部PMU設(shè)計了過流檢測與快速關(guān)斷保護電路；③ 試驗采用5V供電，比標準3.3V具有更高的SEL觸發(fā)閾值。保守評估，SEL閾值高于75 MeV·cm2·mg?1，滿足LEO及地球靜止軌道(GEO)絕大多數(shù)任務(wù)需求。

4.3 效應(yīng)機理模型與敏感節(jié)點定位

通過激光掃描坐標反演與版圖比對分析，SEU集中發(fā)生在L1數(shù)據(jù)Cache的SRAM陣列與通用寄存器堆，而Flash存儲區(qū)因ECC保護未出現(xiàn)可觀測錯誤。SEFI事件發(fā)生在激光輻照時鐘分頻器與鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop, PLL)區(qū)域，表明時鐘樹是單粒子瞬態(tài)(Single Event Transient, SET)的關(guān)鍵耦合路徑。該發(fā)現(xiàn)提示，在任務(wù)關(guān)鍵路徑中需對時鐘網(wǎng)絡(luò)增加屏蔽或采用冗余設(shè)計。

臨界電荷量計算表明，55nm SRAM單元的臨界電荷約2-3fC，對應(yīng)LET閾值約15-20 MeV·cm2·mg?1。試驗觀測到的65 MeV·cm2·mg?1SEU閾值高于理論值，可能歸因于功能測試覆蓋率不足或ECC靜默糾正了低LET事件。建議后續(xù)開展存儲器位翻轉(zhuǎn)截面測試，精確測定SEU飽和截面。

5. 總劑量效應(yīng)評估與退火動力學分析

5.1 鈷60輻照試驗結(jié)果

總劑量效應(yīng)試驗依據(jù)QJ 10004A-2018標準在北京大學鈷60源上進行，劑量率25 rad(Si)/s，累積劑量150 krad(Si)，該劑量率為典型的低劑量率輻照條件，可有效揭示時間相關(guān)效應(yīng)。試驗樣品施加3.3V靜態(tài)偏置，輻照后工作電流從135mA微降至132mA，相對變化-2.2%，在測量不確定度范圍內(nèi)。CAN通信、Flash/RAM擦寫及ADC采樣功能均保持正常，參數(shù)漂移未超出規(guī)格書容限。

5.2 退火行為與可靠性裕度

試驗流程包含室溫退火(72小時)與高溫退火(168小時@125℃)兩個階段，以評估退火效應(yīng)并加速陷阱電荷弛豫。退火后器件性能與外觀均合格，表明氧化物陷阱電荷與界面態(tài)退火恢復良好。150 krad(Si)劑量為設(shè)計指標的1.5倍過輻照，器件仍保持功能完整，說明設(shè)計裕量充足。55nm工藝的TID損傷主要表現(xiàn)為閾值電壓漂移與亞閾值漏電，本試驗中未觀測到災(zāi)難性失效，驗證了工藝魯棒性與電路設(shè)計的抗TID能力。

5.3 TID與SEE的協(xié)同效應(yīng)考量

長期TID暴露可能通過閾值電壓漂移改變SEE敏感度。研究表明，累積劑量>100 krad(Si)后，nMOS晶體管閾值電壓負漂導致靈敏節(jié)點電壓降低，可能使SEU閾值下降10-15%。AS32S601ZIT2通過了150 krad(Si)TID測試，需進一步開展TID+SEE協(xié)同試驗，評估老化后的SEE截面變化，確保任務(wù)末期可靠性。

6. 典型應(yīng)用場景與任務(wù)適配性深度分析

6.1 姿態(tài)與軌道控制子系統(tǒng)

在微小衛(wèi)星姿態(tài)控制中，AS32S601ZIT2可承擔星敏感器數(shù)據(jù)處理、陀螺濾波與磁力矩器控制。180MHz主頻支持實時執(zhí)行擴展Kalman濾波算法，4路CANFD接口便于連接多軸執(zhí)行機構(gòu)。SEE可能導致姿態(tài)解算誤差，采用TMR與傳感器數(shù)據(jù)交叉驗證，確?？刂浦噶钣行?。SEL風險可通過周期性復位與雙機冷備份緩解。該場景下TID年累積約5-8 krad(Si)，器件壽命>15年，滿足長壽命需求。

6.2 電源管理與配電系統(tǒng)

在電源管理單元(Power Control and Distribution Unit, PCDU)中，MCU負責太陽能電池陣MPPT、蓄電池充放電管理與負載開關(guān)控制。6路SPI接口可連接多片電壓電流采集芯片，12位ADC實現(xiàn)高精度采樣。SEE可能導致MPPT算法偏離最大功率點，通過冗余比較器與硬件過壓過流保護電路確保安全性。該場景對SEL零容忍，建議采用外部獨立看門狗與電源軌監(jiān)控，實現(xiàn)快速隔離與重啟。

6.3 載荷數(shù)據(jù)處理與壓縮

在遙感衛(wèi)星中，MCU承擔圖像預(yù)壓縮、數(shù)據(jù)打包與存儲器管理。2MiB Flash可存儲引導程序與壓縮算法，512KiB SRAM作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。高LET重離子可能引發(fā)SRAM多位翻轉(zhuǎn)，ECC可糾正單位錯，雙位錯觸發(fā)中斷，請求地面重傳原始數(shù)據(jù)。通過QSPI接口連接NAND Flash存儲陣列，實現(xiàn)高吞吐數(shù)據(jù)記錄。建議在軌實施動態(tài)數(shù)據(jù)刷新策略，每24小時刷新一次SRAM，降低累積翻轉(zhuǎn)概率。

6.4 通信協(xié)議處理與星間組網(wǎng)

4路CANFD與4路USART支持星內(nèi)高速總線與星間鏈路。CANFD速率最高5Mbps，滿足分布式載荷需求。SEE可能導致協(xié)議幀錯誤，采用硬件CRC與生成的ACK/NACK機制確?？煽總鬏敗Ｔ谛情g組網(wǎng)中，時間同步是關(guān)鍵，SET可能導致時鐘漂移，通過GNSS授時與內(nèi)部RTC定期校準，維持網(wǎng)絡(luò)同步精度<1μs。

7. 結(jié)論與未來發(fā)展方向

綜合質(zhì)子、脈沖激光與鈷60三項輻照試驗數(shù)據(jù)，AS32S601ZIT2型RISC-V MCU在低地球軌道輻射環(huán)境下展現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻照性能：SEL閾值實測高于75 MeV·cm2·mg?1，SEU閾值約65 MeV·cm2·mg?1，TID耐受能力超過150 krad(Si)。其硬件ECC、寬壓供電及ASIL-B功能安全設(shè)計為航天應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。激光試驗揭示的時鐘域SEFI風險需在系統(tǒng)級針對性加固。

展望未來，RISC-V架構(gòu)抗輻照MCU的發(fā)展需聚焦以下方向：① 開展重離子加速器試驗，精確測定高LET區(qū)間(75-150 MeV·cm2·mg?1)的SEU飽和截面；② 研制集成片上冗余與自修復能力的抗輻照增強版MCU，將TMR嵌入流水線與寄存器堆；③ 建立商用RISC-V器件宇航應(yīng)用的標準化流程，包括篩選、加固、測試與認證體系；④ 探索AI驅(qū)動的在軌健康管理，利用邊緣計算實時預(yù)測SEE風險；⑤ 發(fā)展Chiplet小芯片技術(shù)，將處理器、存儲器與I/O分別優(yōu)化，組合成抗輻照SiP(System-in-Package)。

RISC-V開源生態(tài)為航天器載荷提供了前所未有的靈活性與自主可控能力，而嚴謹?shù)牡孛孑椪諟y試是確保其在軌可靠性的唯一科學路徑。AS32S601系列的系統(tǒng)性試驗數(shù)據(jù)標志著國產(chǎn)RISC-V器件在宇航應(yīng)用領(lǐng)域邁出關(guān)鍵步伐，為我國商業(yè)航天與深空探測任務(wù)提供了高性能、高可靠的計算平臺選擇。隨著技術(shù)的持續(xù)迭代與測試體系的完善，RISC-V架構(gòu)有望成為未來航天電子系統(tǒng)的主流技術(shù)路線。

審核編輯 黃宇