芯片在太空中的辐射、温度和功率挑战

在太空中，关键任务硬件是绝对不允许出现故障的，因为这不仅会造成资源、可用性、性能和预算方面的损失外，还可能会导致人员的伤亡。太空中，故障可能由多种因素引发，主要包括发射当天的天气、人为失误、环境条件、意外或未知的危险，以及部件因化学因素、老化和辐射而出现的性能下降。

对与太空芯片而言，辐射是最令人担忧的问题，与汽车芯片类似，但在地面环境中辐射程度没有那么高。

英飞凌科技公司副总裁兼航空航天与国防研究院赫尔穆特・普赫纳（Helmut Puchner）表示：“地面上出现的问题在高空中可能会加速显现。进入太空，因没有大气层的保护，所以物品会暴露在周围飞行的粒子中。这些粒子有些可能已经在太空中飞行了数十亿年，然后它们会撞击你的半导体。太阳在很大程度上决定了我们所处的辐射环境。你离太阳越远，情况就越糟糕。

当宇宙射线或高能粒子撞击普通硅时，会击出电子。这些电子像电流一样流动，最后，晶体管会将其视为输入电流。“这种情况本是不应该出现的，但辐射确实会干扰硅芯片。”Ansys 公司产品营销总监马克・斯温南（Marc Swinnen）指出。

据 Imagination Technologies 公司首席功能安全工程师瓦拉丹・维拉瓦利（ Varadan Veeravalli ）称，太空芯片每 40 纳秒可能会受到 5000 个粒子的撞击，而且这种情况会持续发生。“有些粒子对系统没有任何影响，但有些粒子会自我放大并导致单粒子闩锁（SEL），这是由粒子撞击产生的，而且一旦发生就无法恢复。单粒子闩锁就像是一种永久性故障，会导致电流持续位移，我们对此毫无办法。因此，要使设备具备抗辐射能力，以避免出现单粒子闩锁现象，甚至总电离剂量也不应产生任何影响。离子位移也不应发生，因为这会损坏设备，使其无法发挥作用。所以我们重点制定抗辐射标准、建立抗辐射库、进行抗辐射布局和制造工艺。”

其他人也表示认同。 “归根结底，要明确技术要求，然后说这个微电子系统必须能够在这种恶劣环境中正确、正常地运行，然后投入所有工程资源来实现这一目标。”Rambus 公司硅安全产品高级总监斯科特・贝斯特（Scott Best）解释说，“根据技术要求图上所关注的重点不同，成本往往不同，需要的测试数量也不同，往往需要更多的抗辐射技术，包括设计层面的抗辐射技术和制造层面的抗辐射技术。因此，可以使用不同的技术来尽量减少因太空或战略核事件等恶意、恶劣环境导致的单粒子翻转效应。然后设计系统，考虑成本。”

最严峻的环境是核弹爆炸。普赫纳说：“导弹在飞行过程中，不会因敌方实施核爆而坠落。导弹会在核爆事件中继续运行。核爆时会先产生快速中子爆发，随后伴随强 X 射线脉冲，这是（抗辐射的）最高等级要求，而导弹会在这种环境中存活下来。”

而对于卫星来说，低轨道卫星星座通常不会受到大量危险辐射，除非它们经过两极地区或巴西沿海地区，因为那里存在南大西洋异常区。但是，距离地球 3.5 万公里的地球同步卫星必须承受来自太阳和太空的所有辐射冲击。

抗辐射解决方案包括砷化镓（GaAs）。“它对这些辐射效应的抵抗力要强得多。”Ansys 公司的斯温南（Swinnen）说，“此外，还可以设计一些保险，比如，如果一个粒子撞击并翻转了一个晶体管，还有其他晶体管可以替代。军事和航空航天领域通常也会使用一些特定的工艺，这些工艺旨在实现抗辐射，且对辐射的敏感度要低得多。从某种意义上说，它们是传统的芯片设计，只是我们必须遵循不同的技术和设计规则。”

工程团队面临的一个挑战是，很难为每种类型的处理器或内存都开发出抗辐射版本。

“如果必须制造出所有不同版本的抗辐射内存，这成本会非常高。”Cadence 公司航空航天与国防领域副总裁查理・沙德维茨（ Charlie Schadewitz ）说，“所以有两种选择。要么投入大量资金来制造大量不同版本的内存，要么限制在抗辐射设计中可以使用的不同版本内存的规模。”

英飞凌公司的普赫纳也表示认同。“每种技术都有其挑战，所以这取决于所关注的组件。但通常情况下，只有一小部分电子组件是为了承受辐射而设计的。尽管这所有事情都是可以做到的，但目前这项工作大部分是由美国政府资助的，因为这需要完整的基础设施。这不仅仅是在晶圆厂制造芯片的问题。更需要使用逻辑库元件库来制造芯片，而且知识产权必须先经过验证，然后再进行开发。在过去二三十年里一直从事这项工作的主要承包商是 IBM。后来变成了格芯公司。他们与美国政府以及第三方主要承包商签订了合同，负责创建这些库，然后某些项目可以使用这些库来设计产品。”

设计抗辐射产品在经济上受到客户群体的挑战。

普赫纳说：“有的时候，使用的技术并不是市场上最新的，因为创建这些库、校准所有东西并验证它们真正具备抗辐射能力需要很长时间。然后，当把所有东西组合在一起时，仍不能保证芯片是抗辐射的。必须对芯片进行测试和调试，以确保它能正常工作。这是一项非常昂贵的工作。这就是为什么核导弹对纳税人来说成本高昂，在 10 到 20 年的时间里，成本大约高达 30 万亿美元。所以，要设计一款抗辐射的 NOR 闪存，几乎需要政府资金的支持。我们用于太空应用的 512 兆比特 NOR 闪存就是由美国政府资助的。”

并非所有技术都容易受到辐射影响。有些技术本质上就具备抗辐射能力，因为它们不依赖于电荷。这包括光波导、相变存储器、磁阻随机存取存储器（MRAM）以及其他存储物质状态而非电荷的存储技术。

围绕等离子体、加热、冷却和老化的挑战

太空中的芯片还存在其他特殊情况。例如，计算流体动力学（CFD）不一定适用，因为太空中没有流体。物质在太空中要么升华，要么冻结。

Ansys 公司的斯温南说：“太空中存在等离子体。在高电压和高温情况下，特别是在再入大气层或受到辐射时，会产生等离子体效应。等离子体是温度非常高的物质，在这种情况下，电子会从原子上剥离，它们都是自由移动的带电离子，能量非常高。这就像在霓虹灯管里看到的情况一样。气体被电离并发光。我们在芯片制造和其他工业用途中使用等离子体蚀刻工具。等离子体实际上是流体的第四种状态。”

传统上，美国国家航空航天局（NASA）和其他太空机构使用最高可靠性的组件，这些组件列在国防后勤局认证的合格制造商名单中。

普赫纳说：“这些组件经过的测试、筛选和检查的标准远远超出了汽车行业的标准。大多数组件采用陶瓷封装。它们体积更大、重量更重，但能更好地承受温度和压力，因为陶瓷在高达 350 度的温度下没有问题，特别是在太空的温度循环情况下。”

在陶瓷封装中，硅芯片位于环氧树脂上，环氧树脂将部件粘接到封装上。然后将键合线连接到芯片上并固定到位。

Imagination 公司的维拉瓦利表示，为太空设计的芯片在低温和高温下也具有不同的热导率或超导性。“在这里，会使用金属化陶瓷复合材料。采取这些措施很多时候是为了防止出现无法控制的故障。在太空中，没有人能告诉系统该做什么。系统必须能够自我适应。所以他们需要考虑所有这些因素，并相应地构建系统，同时还要确保系统能够自我恢复。做到这一点的唯一方法是确保系统具备故障运行能力。如果发生任何故障，系统仍然必须能够工作。”

太空中，月球的阴影处温度可达到大约零下 200 度，但当太阳没有遮挡时温度会升高，这会导致硅膨胀。“没有任何东西能限制这种情况。”Imagination 公司的维拉瓦利说，“如果使用塑料部件，那么围绕硅的塑料模塑料具有不同的膨胀系数，会产生一些应力。不是说塑料可靠性低，现在太空中使用的塑料制品越来越多，而是陶瓷的性能肯定更好。陶瓷没有风险。如果芯片设计不正确，使用塑料就总是存在风险。”

温度也会影响老化，与汽车相比，在太空中老化的程度可能会更大，这取决于部件的使用位置。

英飞凌公司的普赫纳说：“如果在汽车引擎盖下，温度会升高到 130 到 140 摄氏度，具体取决于部件离内燃机的距离，所以温度始终是一个重要因素。至于使用情况，汽车部件不是连续使用的。平均而言，人们每年使用汽车的时间大约为 4000 小时。卫星通常是全天候使用的，具体取决于它们的功能，而且很少关机。在可预测的太阳活动事件中，当太阳耀斑撞击地球时，卫星会提前关闭以避免任何损坏。但这种情况非常罕见。通常，用于通信或关键政府基础设施（如导弹探测）的地球同步卫星必须始终处于运行状态，它们的设计使用寿命至少为 15 年，但通常会超过这个期限。”

因此，老化因素会被计算在部件本身中。对于国防后勤局认证的部件来说，这意味着它们必须通过一项关键测试，即在 125 摄氏度下进行 4000 小时的老化测试或加速应力测试，假设平均工作温度为 70 到 80 摄氏度。普赫纳说：“这证明了该部件能够在其使用寿命内正常工作。”

老化会产生广泛的影响。西门子数字工业软件公司航空航天与国防行业副总裁托德・图西尔（Todd Tuthill）说：“这就是我们在空间站所做的工作，我们在那里积累的所有经验和学到的知识，因为微重力会对电子设备和人员产生影响，太空的背景辐射也会产生影响。”

在太空中，冷却方式也与地球上不同。冷却方面的问题是，太空是真空环境，所以传统的对流冷却风扇不起作用。普赫纳说：“冷却是通过热交换器辐射来实现的，所以只能通过辐射散热。在航天飞机上，有大型的装载舱，舱门会打开。你可能见过航天飞机在太空中舱门打开的图片。为什么要打开舱门呢？因为它们可以作为热交换器的辐射屏蔽，这样就可以冷却航天飞机头部的电子设备。所以，情况有点不同。你需要有一个热交换器。如果你的卫星处于稳定轨道，那么温度是可以预测的，并且是按照这种方式设计来控制温度的。所以，你可以更好地控制温度，但这并不是没有代价的。你必须围绕它设计一个系统来控制温度。如果你在航天器外部的传感器上，你会经历所有的温度变化，一般来说，每个半导体在低温下性能更好，因为载流子迁移率更高。如果没有风险条件，那么半导体通常性能更好，漏电流更小，功耗更低。你可以利用这一点。”

太空应用中的另一个问题是静电放电。

太空中的粒子带有电荷，它撞击半导体时会引发一些问题。普赫纳说：“例如，在航天器上，如果受到大量质子照射，任何金属都会带电。质子会被金属吸收，金属会收集电荷并带电。在某个时刻，它会在某个地方放电。这就像你用毛皮摩擦塑料一样，会产生静电电荷。航天器设计师也必须以同样的方式考虑电子。有一个巨大的电子带可能会撞击航天器，情况是一样的。金属会带电并引发放电事件。”

此外，当芯片受到阿尔法波和粒子的轰击时，芯片的重复使用方式也与以前完全不同。一切都可能需要以不同的方式重新进行测试。

处理能力、功率和通信方面的趋势

过去 10 到 15 年里，针对太空的技术发生了显著变化，尤其是处理核心技术。

普赫纳观察到：“现场可编程门阵列（FPGA）通常比地面技术落后 10 年。现在我们可能只落后两年。用于太空的最新 AMD 赛灵思 FPGA 是一个非常强大的引擎，具有人工智能核心，能够实现很多功能。也有一些公司在使用最新的英伟达设备，但不是高性能的那种，因为卫星上没有足够的功率。对于大型卫星来说，也许我们将功率限制在 3 千瓦左右，因为你不能让太阳能电池板无限大。你不能使用最好的、顶级的地面系统并建造一个数据中心。没有足够的能量。但是也有一些低功耗系统，比如英伟达的 Jetson AGX，目前正在积极研发并已经在太空中运行。对于未来几年出现的任何低功耗人工智能芯片，人们都会尝试将其送入太空，看看它的性能如何。现在有很多新的太空公司。他们选择一种架构，然后问，‘你想把它送入太空吗？”

为了在太空中产生更多的功率，并有可能实现更高性能的计算，人们从多个方向寻求解决方案。西门子公司的图西尔认为，有很多机会从多个方面解决这个问题，比如产生更多的功率、降低功耗，以及找到在航天器轨道上提供功率的替代方法。

太阳能是一个明显的解决方案。“也许部分答案是拥有更好的电池存储系统来存储收集到的能量，以及更高效的太阳能收集器。” 他说，“此外，还有像小型模块化核反应堆（SMR）这样的东西。据我所知，目前还没有核动力航天器，但我认为在不久的将来，核动力航天器有很大的潜力。”

“公众对核能的担忧源于过去的核事故，但如今的技术已经能够使核技术更加可靠和安全。“显然，我们最终必须弄清楚如何处理用过的铀。” 他说。

目前太空行业面临的最大问题与地球观测、图像检测和带宽有关，因为通信总是时好时坏。

普赫纳说：“我们的传感器可以非常快速地检测到大量图像，并迅速生成千兆比特甚至太比特的数据。你怎么知道哪些数据该保留，哪些该丢弃呢？从历史上看，我们收集数据并将图像发回地球，然后在地球上进行分析。但这样做是不可行的。下行链路的速度仍然不够快，无法做到这一点。所以我们现在在航天器上创建系统，这些系统可以收集数据、分析数据并对数据进行优先级排序。对于极其关键的数据，我们通过网络将其发送到其他站点，然后进行下行传输，或者直接进行下行传输，或者将其存储在本地，等待下一次下行传输。”

在地球观测方面，美国太空发展局通过其下一代导弹防御计划推动了相关进展。普赫纳说：“该计划使用了一个通信层（这是一个低轨道网络）、一个传输层（用于与地球同步卫星通信）和一个跟踪层（用于跟踪事件）。对于美国政府来说，推动这个计划非常重要，因为它将使我们能够对地球进行持续的覆盖。”

另一个挑战是，人们对卫星星座和连接的依赖程度越高，运营商对地面基础设施的投资就会越少，特别是在农村地区。

普赫纳说：“这对 911 紧急情况意味着什么呢？请记住，这些卫星星座并不是为了在太空中的核事件中幸存而设计的。它们也不是为了在太空中的机械事件中幸存而设计的。这非常棘手，它们在大约 550 公里的高度运行，或者在不同的应用中，高度在 325 到 90 万公里之间，在这个范围内。太空中有很多空间。但是，比如说来自朝鲜的任何导弹都可以轻松到达那个高度。所以保护这些资产就成了另一个问题。你可以说我们有 4000 颗卫星，即使损失几颗又怎样？但事情没那么简单，因为有些事件可能会摧毁整个基础设施。然后你该怎么办呢？从经济角度来看，最好是确保大家不要在太空霸权上争斗，保持太空的开放。太空中的任何事件，比如卫星演示或碰撞，都会产生大量碎片，而且这些碎片会永远漂浮在太空中。你无法收集它们。”

太空碎片

美国的一个情报项目 “SINTRA” 会跟踪太空碎片，以确保它们不会撞击卫星。与此同时，洛斯阿拉莫斯国家实验室开发了邮票大小的 “牌照”，用于帮助跟踪和保护近地轨道上的卫星，还开发了 “航天器速度计”，可以在没有全球定位系统（GPS）的情况下预测卫星的位置。

美国空军对超过 1.9 万个在轨物体进行跟踪并共享相关数据。在此图中，卫星用红色表示，火箭箭体用蓝色表示，其他碎片用灰色表示。来源：洛斯阿拉莫斯国家实验室

普赫纳表示，对于火箭而言，本不应有任何东西返回地球，但总有一些碎片返回的可能性，尤其是现在的运载火箭会重复使用各级部件。“当一颗卫星发生损坏时，它通常会在大气层中爆炸，所以不会留下任何东西。这和航空电子设备不同，航空电子设备必须确保如果系统坠毁，别人无法重建其中的图像或内存中的内容。卫星的情况不太可能出现这种状况，也无法做到（像航空电子设备那样）。”

结语

太空被视为人类探索的最终前沿领域，无论是为了在其他行星上寻找生命、开拓火星殖民地，还是为了发现新的资源。

实际上，自主机器人可以在火星或月球上协助进行资源开采、数据收集以及基础设施建设。

与此同时，在罗切斯特理工学院的探测器中心，一个由美国国家航空航天局（NASA）资助的项目最近利用单光子成像探测器获得了首张光图像。其目标是探测其他行星上的生命，但首先他们需要证明新型传感器在太空中受到辐射时仍能保持极高的灵敏度。

西门子公司的图西尔表示：“关键问题之一不仅在于我们必须保护前往火星的航天器上的人员，还在于我们必须保护所有的电子设备。我们将会把人类送上火星，也许在我的有生之年无法实现，但或许在我的孙辈们的有生之年可以做到。关于人类、电子设备以及其他事物如何在太空的背景辐射环境中生存，我们还有很多需要了解的地方。”