宇航級(jí)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(lái)，中國(guó)航天事業(yè)屢屢傳出好消息，先是在今年4月將我國(guó)首顆微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)踐十號(hào)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(hào)。不久前，神舟11號(hào)與天宮二號(hào)完成了對(duì)接和分離。在11月1日，中國(guó)航天科技集團(tuán)在珠海航展現(xiàn)場(chǎng)召開新聞發(fā)布會(huì)上宣布我國(guó)首個(gè)北斗全球“厘米級(jí)”定位系統(tǒng)——“夔龍系統(tǒng)”建設(shè)工作全面啟動(dòng)，夔龍系統(tǒng)通過計(jì)算從全球多達(dá)300個(gè)以上的多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航參考站所獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)，將衛(wèi)星導(dǎo)航終端定位精度提高到“厘米級(jí)”。

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(jí)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(jí)CPU相對(duì)于日常商用的CPU有何不同？宇航級(jí)CPU是怎么做到在太空中正常工作的？中國(guó)在宇航級(jí)CPU上和美國(guó)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(jí)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(duì)極端苛刻的高溫和低溫，還要能應(yīng)對(duì)無(wú)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(yáng)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(guó)的航天飛機(jī)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(huì)對(duì)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(huì)導(dǎo)致電路節(jié)點(diǎn)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(shí)間內(nèi)作用于電路，并在整個(gè)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(huì)導(dǎo)致芯片損毀。

正是因此，商業(yè)級(jí)、工業(yè)級(jí)、軍品級(jí)、宇航級(jí)CPU有著不同標(biāo)準(zhǔn)。由于各種測(cè)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(jí)CPU的工作溫度為0℃～70℃。

工業(yè)級(jí)CPU的工作溫度為-40℃～85℃。

軍品級(jí)CPU的工作溫度為-55℃～125℃。

宇航級(jí)CPU不僅在工作溫度上有著不亞于軍品級(jí)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(duì)于應(yīng)對(duì)高溫和低溫，主要是將電路的時(shí)序冗余加大，并降低功耗。本文重點(diǎn)說說如何實(shí)現(xiàn)抗輻射。有人說，抗輻射技術(shù)不就是給芯片加一個(gè)抗輻射封裝么？這有什么難的。

其實(shí)封裝對(duì)芯片的保護(hù)是有限的，高能粒子流可以打穿芯片的封裝材料，進(jìn)入芯片內(nèi)部對(duì)芯片造成破壞。

抗輻射加固主要有設(shè)計(jì)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(jì)包括材料設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、器件設(shè)計(jì)、封裝設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等。從狹義上講，一般是指采用電路設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)減輕電離輻射破壞的方法。

工藝加固是用特殊的工藝進(jìn)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(jí)的設(shè)計(jì)技術(shù)方面進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計(jì)可以采用以下方式進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計(jì)：

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

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(jì)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(jì)和版圖設(shè)計(jì)以減輕電離輻射破壞的方法。即采用隔離、補(bǔ)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(jì)；

四是加入誤差檢測(cè)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(jì)和版圖設(shè)計(jì)以減輕電離輻射破壞的方法。即采用隔離、補(bǔ)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(jì)。

此外，使用加固模擬／混合信號(hào)IP技術(shù)和SIGE加固設(shè)計(jì)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(lái)越多地與加固設(shè)計(jì)結(jié)合使用。因?yàn)榭馆椛浼庸坦に嚰夹g(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(gè)廠家能夠掌握該項(xiàng)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(guó)和美國(guó)有多大差距？

在很長(zhǎng)一段時(shí)間，中國(guó)的星載計(jì)算機(jī)處理器大多依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)的人造衛(wèi)星也大多使用進(jìn)口CPU。而美國(guó)為首的西方國(guó)家嚴(yán)格限制高性能的宇航級(jí)和軍品級(jí)CPU的出口，使我國(guó)星載計(jì)算機(jī)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(gòu)買了幾十片軍品級(jí)Intel 486 CPU并出售給中國(guó)，被美國(guó)司法機(jī)關(guān)和國(guó)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(jí)、宇航級(jí)國(guó)產(chǎn)CPU中，其實(shí)大多也是對(duì)國(guó)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(guó)內(nèi)某些單位仿制過PowerPC603e和SM1750、SM1753、SM1754，國(guó)產(chǎn)版的P1750還曾被用于遙感一號(hào)、風(fēng)云三號(hào)、試驗(yàn)四號(hào)等衛(wèi)星。某所還有基于SPARC開源代碼修改設(shè)計(jì)的BM3802RH和BM3803MGRH。但這些仿制或基于開源代碼修改設(shè)計(jì)的國(guó)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(qiáng)于RAD6000，與歐洲的LEON不相上下，但和美國(guó)的RAD750相比還有不小的差距——RAD750的計(jì)算性能達(dá)240—400MIPS。

誠(chéng)然，計(jì)算性能只是宇航級(jí)芯片的一項(xiàng)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(guó)產(chǎn)宇航級(jí)CPU抗輻射指標(biāo)會(huì)帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)——敵對(duì)國(guó)家可以針對(duì)該指標(biāo)開發(fā)武器攻擊中國(guó)人造衛(wèi)星，因此就不對(duì)抗輻射性能做介紹了。

2015年發(fā)射的北斗雙星實(shí)現(xiàn)了100%采用國(guó)產(chǎn)CPU，在北斗雙星上搭載了龍芯1E和龍芯1F，負(fù)責(zé)進(jìn)行常規(guī)運(yùn)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(guó)內(nèi)極少數(shù)自主設(shè)計(jì)的宇航級(jí)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(jì)，GS232的IP授權(quán)在去年就出售了三百多萬(wàn)套，采用GS232的CPU龍芯也已經(jīng)出售了數(shù)百萬(wàn)片。龍芯1E和龍芯1F的性能指標(biāo)為200MIPS，雖然和美國(guó)RAD750依舊有差距，但在性能上已經(jīng)強(qiáng)于西方愿意公開賣給中國(guó)的宇航級(jí)CPU了。更可貴的是，龍芯1E和龍芯1F的售價(jià)僅為幾萬(wàn)元一片，而西方愿意出售給中國(guó)的宇航級(jí)芯片中，像性能為100MIPS的美國(guó)ATMELAT697要20萬(wàn)到30萬(wàn)一片，性能更好價(jià)格高達(dá)上百萬(wàn)元一片。

目前，龍芯1E已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)美國(guó)進(jìn)口的ATMELAT697的替換，正在研發(fā)基于GS232e的下一代宇航級(jí)CPU，性能將到達(dá)400MIPS，該工作一旦完成，則能打破西方國(guó)家在高端宇航級(jí)芯片上的壟斷。