今年以來，中國航天事業(yè)屢屢傳出好消息，先是在今年4月將我國首顆微重力科學(xué)實驗衛(wèi)星實踐十號送上預(yù)定軌道，又在今年8月發(fā)射了全球首顆量子衛(wèi)星墨子號。不久前，神舟11號與天宮二號完成了對接和分離。在11月1日，中國航天科技集團在珠海航展現(xiàn)場召開新聞發(fā)布會上宣布我國首個北斗全球“厘米級”定位系統(tǒng)——“夔龍系統(tǒng)”建設(shè)工作全面啟動，夔龍系統(tǒng)通過計算從全球多達300個以上的多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航參考站所獲取的觀測數(shù)據(jù)，將衛(wèi)星導(dǎo)航終端定位精度提高到“厘米級”。

　　在這些人造衛(wèi)星和神舟飛船中，有一樣電子元件發(fā)揮這至關(guān)重要的作用，那就是宇航級CPU，這些裝載在人造衛(wèi)星和神舟飛船上的CPU的作用相當(dāng)于人類的大腦。那么，宇航級CPU相對于日常商用的CPU有何不同？宇航級CPU是怎么做到在太空中正常工作的？中國在宇航級CPU上和美國還有多大差距呢？

　　CPU在太空中要面臨惡劣的工作環(huán)境

　　宇航級CPU構(gòu)成了人造衛(wèi)星的大腦，為了能在星際空間這樣的惡劣條件下工作，不僅要應(yīng)對極端苛刻的高溫和低溫，還要能應(yīng)對無處不在的宇宙輻射。

　　在太空環(huán)境中，物體的溫度取決于太陽的光照，由于不存在空氣散熱，受光面和被光面溫差非常大。以軌道高度為300至400km的軌道的溫度為例，受光面溫度約為150℃，背光面溫度約為-127℃，溫差約為300℃。因此，美國的航天飛機艙外航天服的耐溫閾值為：高溫149攝氏度，低溫-184.4攝氏度。

　　在太空環(huán)境中，宇宙輻射是不可避免的，而宇宙輻射恰恰會對CPU造成損壞。微電子器件中的數(shù)字和模擬集成電路的輻射效應(yīng)一般分為總劑量效應(yīng)（TID）、單粒子效應(yīng)（SEE）和劑量率（Dose Rate）效應(yīng)。

　　總劑量效應(yīng)源于由γ光子、質(zhì)子和中子照射所引發(fā)的氧化層電荷陷阱或位移破壞，包括漏電流增加、MOSFET閾值漂移，以及雙極晶體管的增益衰減。

　　SEE是由輻射環(huán)境中的高能粒子（質(zhì)子、中子、α粒子和其他重離子）轟擊微電子電路的敏感區(qū)引發(fā)的。在ｐ－ｎ結(jié)兩端產(chǎn)生電荷的單粒子效應(yīng)，可引發(fā)軟誤差、電路閉鎖或元件燒毀。SEE中的單粒子翻轉(zhuǎn)會導(dǎo)致電路節(jié)點的邏輯狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

　　劑量率效應(yīng)是由甚高速率的γ或Ｘ射線，在極短時間內(nèi)作用于電路，并在整個電路內(nèi)產(chǎn)生光電流引發(fā)的，可導(dǎo)致閉鎖、燒毀和軌電壓坍塌等破壞。上述情況都會導(dǎo)致芯片損毀。

　　正是因此，商業(yè)級、工業(yè)級、軍品級、宇航級CPU有著不同標(biāo)準(zhǔn)。由于各種測試非常多，數(shù)據(jù)指標(biāo)也非常細(xì)，這里僅就工作溫度做羅列：

　　商業(yè)級CPU的工作溫度為0℃～70℃。

　　工業(yè)級CPU的工作溫度為-40℃～85℃。

　　軍品級CPU的工作溫度為-55℃～125℃。

　　宇航級CPU不僅在工作溫度上有著不亞于軍品級CPU的水準(zhǔn)，而且還有抗輻射等方面的要求。

　　如何做到抗輻射

　　對于應(yīng)對高溫和低溫，主要是將電路的時序冗余加大，并降低功耗。本文重點說說如何實現(xiàn)抗輻射。有人說，抗輻射技術(shù)不就是給芯片加一個抗輻射封裝么？這有什么難的。

　　其實封裝對芯片的保護是有限的，高能粒子流可以打穿芯片的封裝材料，進入芯片內(nèi)部對芯片造成破壞。

　　抗輻射加固主要有設(shè)計和工藝兩種加固技術(shù)，或者根據(jù)需要組合使用這兩種技術(shù)。

　　從廣義上講，抗輻射加固設(shè)計包括材料設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計、器件設(shè)計、封裝設(shè)計、軟件設(shè)計等。從狹義上講，一般是指采用電路設(shè)計和版圖設(shè)計減輕電離輻射破壞的方法。

　　工藝加固是用特殊的工藝進行抗輻射加固的技術(shù)。工藝步驟可以是制造商或軍方專有的，也可以是以加固為目的將特殊的工藝步驟加入到標(biāo)準(zhǔn)制造商的晶圓制造工藝中去?？馆椛浼庸坦に嚰夹g(shù)具有高度的專業(yè)化屬性和很高的復(fù)雜性。

　　從系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、電路、器件級的設(shè)計技術(shù)方面進行抗輻射加固設(shè)計可以采用以下方式進行抗輻射加固設(shè)計：

　　一是采用多級別冗余的方法減輕輻射破壞，這些級別分為元件級、板級、系統(tǒng)級和飛行器級。

　　二是采用冗余或加倍結(jié)構(gòu)元件（如三模塊冗余）的邏輯電路設(shè)計方法，即投票電路根據(jù)最少兩位的投票確定輸出邏輯。

　　三是采用電路設(shè)計和版圖設(shè)計以減輕電離輻射破壞的方法。即采用隔離、補償或校正、去耦等電路技術(shù)，以及摻雜阱和隔離槽芯片布局設(shè)計；

　　四是加入誤差檢測和校正電路，或者自修復(fù)和自重構(gòu)功能；

　　五是采用電路設(shè)計和版圖設(shè)計以減輕電離輻射破壞的方法。即采用隔離、補償或校正、去耦等電路技術(shù)，以及摻雜阱和隔離槽芯片布局設(shè)計。

　　此外，使用加固模擬／混合信號IP技術(shù)和SIGE加固設(shè)計技術(shù)也是提升芯片抗輻射能力的有效途徑。

　　抗輻射芯片加固專用工藝越來越多地與加固設(shè)計結(jié)合使用。因為抗輻射加固工藝技術(shù)具有非常高的專業(yè)化屬性和高復(fù)雜性，因此只有少數(shù)幾個廠家能夠掌握該項技術(shù)。例如，單粒子加固的SOI工藝和SOS工藝，總劑量加固的小幾何尺寸CMOS工藝，IBM的45nm SOI工藝，Honeywell的50nm工藝，以及BAE外延CMOS工藝等。

　　抗輻射芯片上中國和美國有多大差距？

　　在很長一段時間，中國的星載計算機處理器大多依賴進口，國產(chǎn)的人造衛(wèi)星也大多使用進口CPU。而美國為首的西方國家嚴(yán)格限制高性能的宇航級和軍品級CPU的出口，使我國星載計算機的研制受到很大的限制。在十多年前，就有美籍華裔學(xué)者因購買了幾十片軍品級Intel 486 CPU并出售給中國，被美國司法機關(guān)和國防部犯罪調(diào)查局調(diào)查指控的案例。

　　在為數(shù)不多的軍品級、宇航級國產(chǎn)CPU中，其實大多也是對國外產(chǎn)品的逆向工程，比如應(yīng)用于航天的386EX，以及被應(yīng)用于軍用電子設(shè)備的486DX、ARM7，還有由國內(nèi)某些單位仿制過PowerPC603e和SM1750、SM1753、SM1754，國產(chǎn)版的P1750還曾被用于遙感一號、風(fēng)云三號、試驗四號等衛(wèi)星。某所還有基于SPARC開源代碼修改設(shè)計的BM3802RH和BM3803MGRH。但這些仿制或基于開源代碼修改設(shè)計的國產(chǎn)CPU，大多存在性能偏低的問題，P1750、386EX 、486DX、ARM7性能都低于50MIPS，BM3802RH、PowerPC603e雖然超過了100MIPS，已經(jīng)強于RAD6000，與歐洲的LEON不相上下，但和美國的RAD750相比還有不小的差距——RAD750的計算性能達240—400MIPS。

　　誠然，計算性能只是宇航級芯片的一項指標(biāo)，抗輻射性能同樣非常重要，比如RAD750就能承受1000gray的輻射水平。但由于公開國產(chǎn)宇航級CPU抗輻射指標(biāo)會帶來一定的風(fēng)險——敵對國家可以針對該指標(biāo)開發(fā)武器攻擊中國人造衛(wèi)星，因此就不對抗輻射性能做介紹了。

　　2015年發(fā)射的北斗雙星實現(xiàn)了100%采用國產(chǎn)CPU，在北斗雙星上搭載了龍芯1E和龍芯1F，負(fù)責(zé)進行常規(guī)運算，數(shù)據(jù)采集、開關(guān)控制、通訊等處理功能。龍芯1E和龍芯1F是國內(nèi)極少數(shù)自主設(shè)計的宇航級CPU，和RAD750源于成熟的商業(yè)產(chǎn)品PowerPC 750一樣，龍芯1E和龍芯1F也是源于比較成熟的技術(shù)，微結(jié)構(gòu)為GS232，于2006年開始設(shè)計， GS232的IP授權(quán)在去年就出售了三百多萬套，采用GS232的CPU龍芯也已經(jīng)出售了數(shù)百萬片。龍芯1E和龍芯1F的性能指標(biāo)為200MIPS，雖然和美國RAD750依舊有差距，但在性能上已經(jīng)強于西方愿意公開賣給中國的宇航級CPU了。更可貴的是，龍芯1E和龍芯1F的售價僅為幾萬元一片，而西方愿意出售給中國的宇航級芯片中，像性能為100MIPS的美國ATMELAT697要20萬到30萬一片，性能更好價格高達上百萬元一片。

　　目前，龍芯1E已經(jīng)實現(xiàn)對美國進口的ATMELAT697的替換，正在研發(fā)基于GS232e的下一代宇航級CPU，性能將到達400MIPS，該工作一旦完成，則能打破西方國家在高端宇航級芯片上的壟斷。