有市無價(jià)的宇航級芯片憑什么賣500萬一顆？

上周王思聰同學(xué)花百萬元組了臺家用服務(wù)器，順便邀請數(shù)碼科技博主到家里幫忙組裝，讓廣大吃瓜群眾了解了百萬元的“電腦”是什么樣子的。雖然100萬不少，但這波宣傳操作下來后，比純100萬支出做推廣劃算多了。

閑話少說，今天我們不是來吃王同學(xué)的瓜的，我們說說今天的主角“航空級芯片”。航空級芯片的官方售價(jià)雖然不是非常貴，比如賽靈思的航空級芯片XQR5VFX130-1CF1752V，官方的價(jià)格大概是3~4萬美元左右，但是呢，一般人都買不到。

筆者查了下，美國的貿(mào)澤官網(wǎng)可以查到該芯片的信息，但是沒貨，Digi-Key上不管哪個(gè)地區(qū)都沒搜到貨源。也就是說公開渠道是很難直接買到的。不過，據(jù)說有的供應(yīng)商報(bào)價(jià)在120萬
~400萬元，甚至有賣500萬的。當(dāng)然，這個(gè)是小道消息，因?yàn)檫@類芯片對國內(nèi)是禁售的，即便他們有賣，也是非正規(guī)渠道出來的，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)比較高。

圖：XQR5VFX130-1CF1752V的Datasheet截圖。

為什么能賣這么貴？

為何這類宇航級的芯片能賣這么貴呢？就拿XQR5VFX130-1CF1752V來說，該芯片抗輻射能力非常強(qiáng)，因?yàn)橛詈郊壭酒谕鈱涌臻g中運(yùn)行，除了高速計(jì)算性能外，還需要具有特殊的特性，比如說抗輻射能力。

如果用在衛(wèi)星上，沒有好的抗輻射能力的話，太空中大量的空間粒子輻射就會造成衛(wèi)星電路性能的退化，甚至功能散失，這對衛(wèi)星來說是致命的。

據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1971年到1986年間，國外發(fā)射的39顆同步衛(wèi)星共發(fā)生了1589次故障，有1129次故障與空間輻射有關(guān)，且其中的621次故障是由于單粒子效應(yīng)導(dǎo)致的。這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說明了航天應(yīng)用中電子器件的主要故障來自于空間輻射，而單粒子效應(yīng)導(dǎo)致的故障在其中占較大比重

而且，在這些故障中，部分故障是永久性的不可逆的，比如發(fā)生單粒子鎖定導(dǎo)致芯片內(nèi)部局部短路從而產(chǎn)生大電流燒毀器件。針對此類錯(cuò)誤可以應(yīng)用一些特定工藝或器件庫來避免。而太空中大部分錯(cuò)誤是由于半導(dǎo)體器件的邏輯狀態(tài)跳變而導(dǎo)致的可恢復(fù)的錯(cuò)誤，如單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致存儲器存儲內(nèi)容錯(cuò)誤。

單粒子翻轉(zhuǎn)（Single-Event Upsets，SEU）指的是元器件受輻照影響引起電位狀態(tài)的跳變，“0”變成“1”，或者“1”變成“0”，但一般不會造成器件的物理性損傷。正因?yàn)椤皢瘟Ｗ臃D(zhuǎn)”頻繁出現(xiàn)，因此在芯片設(shè)計(jì)階段需要重點(diǎn)關(guān)注。

那么有什么辦法可以在芯片設(shè)計(jì)階段盡量減少單粒子翻轉(zhuǎn)帶來的影響呢？一是選擇合適的制程，在航天領(lǐng)域并不是最先進(jìn)的制程就是最好的，通常來講，制程越小，抗輻射能力越差，因此，一般會選擇大線寬的制程；二是加固標(biāo)準(zhǔn)單元工藝庫，標(biāo)準(zhǔn)單元工藝庫是數(shù)字芯片的基石，包括反相器、與門、寄存器、選擇器、全加器等多種基本單元；三是設(shè)計(jì)冗余，在抗輻照加固方法中，三模冗余（TMR）是最具有代表的容錯(cuò)機(jī)制；四是模塊獨(dú)立化，這樣即便有部分出現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)，也不影響芯片的整體功能。

圖：XQR5VFX130-1CF1752V的抗輻射性能。（來源：Datasheet）

宇航級芯片，除了有高性能、抗輻射之外，對芯片散熱、可靠性和耐高溫特性的要求也很特殊。當(dāng)電路在地面使用的時(shí)候，熱釋放主要取決于熱輻射和熱傳導(dǎo)，但在太空的真空狀態(tài)下，熱導(dǎo)率是很底的，芯片工作的時(shí)候產(chǎn)生的熱量如何盡快釋放，是工程師必須要考慮的問題。

圖：XQR5VFX130-1CF1752V的封裝、尺寸，及溫度范圍。

宇航級芯片的是怎么來的？

一般來說，芯片會按照可靠性分為消費(fèi)級、工業(yè)級、軍工級和宇航級四個(gè)級別。我們所見到的大部分芯片都是消費(fèi)級的，壞了換一顆就行；工業(yè)級的對溫度范圍和可靠性會有一定要求，車規(guī)級產(chǎn)品有時(shí)候也被歸為了工業(yè)級里面，當(dāng)然車規(guī)級的要求被普通工業(yè)級又要高一些；軍工級和宇航級的要求則更高。

這方面，歐美走得比較靠前，為了滿足航天元器件滿足航天工程的要求，美國航天局（NASA）和歐洲空間局（ESA）都制定了比較成熟的元器件標(biāo)準(zhǔn)體系。其中NASA除了大量采用了美軍標(biāo)（MIL）標(biāo)準(zhǔn)外，還根據(jù)對航天元器件的特殊需求，NASA及下屬的空間飛行中心還編制了各種元器件標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）和指導(dǎo)性技術(shù)文件，供設(shè)計(jì)和采購人員使用。比如，NASA元器件管理辦公室制定的《NASA元器件選擇清單（NPSL）》《EEE元器件選擇、篩選、鑒定和降額指南》等。除了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)外，NASA還制定了大量的管理標(biāo)準(zhǔn)和文件，嚴(yán)格規(guī)定審批程序以保證技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行。這些標(biāo)準(zhǔn)和文件不僅指導(dǎo)NASA設(shè)計(jì)、采購人員正確選擇、采購和使用元器件，而且被國際航天部門廣泛采用。

ESA則成立了空間元器件協(xié)調(diào)組（SCCG）協(xié)調(diào)各國之間元器件的選用，并制定了以ESA/SCC為標(biāo)志的各種元器件規(guī)范。其發(fā)布的《空間產(chǎn)品保證電氣、電子和機(jī)電（EEE）元器件》是空間產(chǎn)品保證的第2層次標(biāo)準(zhǔn)，但對ESA航天元器件的保證來說，是其控制和管理的“頂層”標(biāo)準(zhǔn)。

我國宇航元器件標(biāo)準(zhǔn)體系分為管理標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、保證標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品規(guī)范四大部分。我國的《航空電子過程管理 電子元器件管理計(jì)劃的制定》由TC427（全國航空電子過程管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會）歸口上報(bào)及執(zhí)行，主管部門為國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會。主要起草單位 中國航空綜合技術(shù)研究所 、中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 。該標(biāo)準(zhǔn)主要參考了IEC國際標(biāo)準(zhǔn)IEC/TS 62239:2008。其實(shí)我國的宇航元器件標(biāo)準(zhǔn)主要還是參考國際標(biāo)準(zhǔn)制定的，這幾年也變得越來越規(guī)范。

在美國，以前的半導(dǎo)體廠商是有專門的生產(chǎn)線來生產(chǎn)宇航級芯片的，但是由于航天產(chǎn)品的研究和使用周期都特別廠，決定了元器件產(chǎn)品的更新也相對很慢，而近幾十年來半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展，消費(fèi)市場更新?lián)Q代的速度非?？欤瑤缀跻荒昃透乱淮a(chǎn)品，這讓軍用和宇航級芯片市場不再是半導(dǎo)體廠商眼里的香餑餑了，反而成為了雞肋產(chǎn)品。因此，不少半導(dǎo)體廠商不太愿意花錢養(yǎng)這么一個(gè)單獨(dú)的產(chǎn)品線了，有些半導(dǎo)體廠商已經(jīng)開始退出軍用和宇航市場，專心做消費(fèi)和工業(yè)市場，比如原來的飛思卡爾。

在國內(nèi)，聽說宇航級的芯片大多是從工業(yè)類芯片中挑選出來，然后經(jīng)過多項(xiàng)測試后滿足要求的芯片，可以說是萬中挑一，所以成本相對來說就比較高了。