宇航級CPU有哪些挑戰(zhàn)？抗輻射芯片中美差距有多大 - 全文

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)星導航參考站所獲取的觀測數(shù)據(jù)，將衛(wèi)星導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，可導致閉鎖、燒毀和軌電壓坍塌等破壞。上述情況都會導致芯片損毀。

正是因此，商業(yè)級、工業(yè)級、軍品級、宇航級CPU有著不同標準。由于各種測試非常多，數(shù)據(jù)指標也非常細，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，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準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，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抗輻射指標會帶來一定的風險——敵對國家可以針對該指標開發(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，負責進行常規(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PowerPC750一樣，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。