极端环境将芯片推向失效临界点

过去芯片仅需在有限工况下通过验证，如今芯片设计要面向多种应力同时作用的复杂环境。轨道数据中心、国防系统、粒子物理、量子计算与先进制造等应用场景中，辐射、热冲击、振动、压力、噪声和极低温等多重恶劣条件会同时存在。

这一点正在改变芯片的设计与验证方式。基于AI的设计工具、机器学习与大语言模型，能够更早探索更多设计方案，但虚拟模型仍需对照实物特性进行验证。对于极端环境电子器件，难点不只是预测失效模式，还要复现足够贴近真实工况的环境，以此保证预测结果可信。

航天领域是压力最突出的方向之一。卫星星座、轨道数据中心、空间探测器、地表探测设备以及军用空间系统不断增多，抗辐射芯片的需求持续上涨，包括在先进工艺节点上，这类节点需要在性能、功耗与器件生存能力之间取得平衡。该需求已经体现在整个设计生态中。

新思科技产品管理高级总监Dana Neustadter表示：“我们观察到抗辐射晶圆工艺项目大幅增加，尤其是支撑轨道数据中心的先进工艺节点。这很大程度源于‘金色穹顶’（美国多层导弹防御计划）。下一个战场前沿就在太空，相关投资正在加速落地，未来会出现更多抗辐射芯片设计方案。”

除国家安全领域外，各国也在争夺新兴技术的全球主导地位。例如，太平洋西北国家实验室（PNNL）正联合摩根州立大学、诺斯罗普・格鲁曼以及Omega项目，开展DARPA资助的 “辐射转电能”（Rads to Watts）项目。该项目旨在将冷战时期的放射性衰变能量转化为高密度核微电源辐射伏打系统，用于太空、遥感、海底基础设施以及国防等极端环境场景。 锶 - 90等放射性同位素可以直接转化为电能，设备可连续运行数十年，无需补充燃料或更换电池。研究人员将超薄半导体层与高能 β 发射同位素结合实现这一目标。仿真、特性表征与生存能力分析，是保障这类系统在恶劣环境稳定工作的关键。

与此同时，美国能源部费米国家加速器实验室正与西门子合作，项目名称为 “加速极端环境规格到硅片落地”（AXESS）。项目利用大语言模型与小型替代模型加快设计探索，并整合、协同优化芯片开发全流程，服务量子计算、核聚变能源与粒子物理领域。

图1：费米实验室工程师手持一块定制电路板，用于测试芯片在低温环境下的性能。

每一类极端环境应用都会带来一组独特物理应力，硬件器件必须对此予以应对。

美国国防部微电子共享中心（ME Commons，亚利桑那州立大学）极端环境可靠性方向负责人Hugh Barnaby称：“粒子加速器与科研加速器的环境极具挑战，辐射剂量极高；设备在遭受辐射损伤的同时，还必须持续完成工作。这也包括癌症质子治疗所用医疗设备，这类设备会产生高能电子。半导体制造中的光刻工艺同样会带来辐射损伤。一些前沿技术，例如背面供电方案，现已使用X射线。这类芯片的供电网络布置在芯片背面。过去行业采用LADA（激光辅助器件改造）晶圆分析技术，但现在该方案不再适用，因为供电层在芯片背面，无法使用激光。业界于是考虑XADA，即X射线辅助器件改造激光技术。但问题在于，研究人员担心X射线会造成材料损伤。”

Barnaby与其学生Jereme Neuendank发现，半导体在极低温环境下会出现特殊现象。Barnaby表示：“如果再叠加辐射效应，情况会更加复杂。我们已经有得到模型支撑的成熟理论，该方向仍在持续深入研究。”

实验室设备也在迭代升级，用于同时研究多重应力耦合效应。亚利桑那州立大学研究团队开发了Rigel DSTAT装置，设备内含三根放射棒，总放射活度9000居里，可模拟太空与核应用场景的辐射环境。装置还集成小型低温恒温器，通过对腔室抽真空，再充入液氮或氩气（二者温度相近），使器件处于深度极低温环境。Barnaby介绍：“我们可以在77K的液氮温度下开展辐射测试。”

图2：示意图展示亚利桑那州立大学极端环境实验室如何同步测试辐射与极低温，模拟太空环境。

这套设备非常适合一家卫星读出集成电路设计企业，其产品需要耐受低温、辐射、电离剂量威胁以及低频噪声。随机电报噪声已经成为当前最突出的可靠性难题之一，在模拟 / 混合信号器件中尤为明显，并且低温环境会加剧该噪声问题。

Barnaby解释：“低温原本可以降低二极管、光电探测器产生的电流噪声，这是有利的。但CMOS电路负责读取这些信号，随机电报噪声并不会随低温改善。我们仍在研究背后的物理机理。”

这类实验室设备的应用场景不断拓展。“我们和相关团队探讨热能勘探方向的研究。同时我们也在进入先进封装领域，需要面对大量可靠性问题，包括压力、湿度、高温（不只是低温），还有辐射、热冲击、机械冲击与振动。近期我们和恩智浦（NXP）在其凤凰城工厂有不少合作。”

面向太空电子设备仿真

太空这类极端环境，可以借助包含热与辐射数据的四维地理空间模型和数字孪生技术进行仿真。

新思科技5G/6G与太空项目总监Shawn Carpenter（近期曾和NASA合作月球网络传播项目）表示：“当器件升温，我们可以计算元器件的伸缩量与承受应力，判断材料是否匹配、能否正常工作。热效应是一大重点，设备会经历从太阳直射到阴影区的巨大温差。”

另一项应力因素是，在太空环境中，单日温度循环范围可达 - 40℉至120℉。新思科技产品管理总监Lang Lin提到：“器件首次失效平均时间会大幅缩短。我们希望控制温度，保障电子设备超长寿命。但太空快速往复的温度循环，会缩短器件寿命。再叠加辐射影响，地球上所有晶体管的辐射耐受能力都有限；进入太空后，来自太阳的中子、质子与电子会进入晶体管氧化层，破坏器件性能。”

设计人员需要针对具体任务定制芯片。Carpenter称：“我们提供各类目标场景对应的IP，缩短客户开发高性能芯片组的周期。例如先进工艺节点可以显著降低功耗。我们需要仿真芯片运行时的物理行为：芯片温升、信号完整性、器件老化、服役寿命、信号是否串扰至封装其他区域。此外还有集成问题：芯片封装后的性能表现；封装搭载载板后的性能；模块内部如何高效散热、满足供电需求。”

仿真工具可以快速解答以上全部问题。“假设台积电推出1.5nm工艺，你打算采用新工艺降低30% 功耗，调取IP模块、重新流片，为下一次任务做准备。我们可以完成全系统评估，结合工作环境、使用方式、温度循环等外部条件，分析芯片的工作状态。”

太空应用的物理仿真，还需要考虑大尺度引力环境，其中物体高速运转。

仿真、数字孪生与AI工具结合，可以对在轨或月球表面的设备、载荷与系统建模。Neustadter提醒：“要防范数据欺骗，避免定位信息与实际位置出现偏差。”

智能体AI也会成为方案的一部分。Neustadter说：“尤其在军用场景，类似无人机的在轨通信枢纽、轨道实验室等平台，需要具备机动能力、自主响应能力，并搭载武器系统。我们已知太空已经存在核弹头，AI可以用于对抗、规避这类威胁。”

AI不一定提升安全性，但能增强自适应能力。Neustadter表示：一旦平台失去外部控制，它需要大部分时间保持自主运行，能够学习并回传数据。受限于高码率通信高昂成本，在本地完成部分计算、仅回传关键信息会更有优势。

辐射防护

许多军用元器件已经针对太空核爆场景做了准备，核爆会产生电磁脉冲（EMP），干扰所有电子设备。Lin介绍：“军用装备必须具备EMP与高空电磁脉冲（HEMP）防护。军机需要成本极高的屏蔽与接地技术，商用航空和普通消费电子不需要，但太空应用必不可少，成本也更高。航空电子的EMC电磁兼容认证要求更加严苛。核反应或太阳风暴都可能引发电磁脉冲，威胁电子器件。如果器件抗扰能力不足，EMP会产生浪涌电流，造成计算机重启。”

重启之后，EMP带来的过流仍可能损伤半导体。Lin称：“这时就需要更换器件，具体取决于EMP强度与防护等级。目前地面数据中心都没有EMP防护，但轨道数据中心大概率需要专用屏蔽层，这会抬升轨道数据中心的开发成本。”

地面上的AI数据中心与汽车系统，大气辐射防护要求低于太空，但异常太阳活动和宇宙射线引发的单粒子翻转，依旧是隐患。

Imagination Technologies产品管理总监Matthew Bubis表示：“宇宙射线会造成位翻转与其他随机故障，对AI训练和推理任务可能带来灾难性后果。可以采用冗余表决系统，部署多颗GPU比对输出；GPU内部也会内置校验机制，汽车芯片也使用同类方案，用来检测位翻转等瞬态故障，完成检出与纠错。汽车芯片与太空芯片的可靠性技术有很多共通点，只是太空环境故障发生频次更高，风险后果不同。汽车关乎安全，太空场景更多是可靠性问题：持续发生位翻转时，能否拿到预期计算结果？”

很多车规级安全机制可帮助元器件耐受太空环境。Bubis提到：“我们的IP内置可靠性特性。芯片厂商负责抗辐射硬化，外部配套系统还会在芯片外围增加辐射防护。太空芯片设计需要多层防护架构。”

轨道数据中心目前依靠太阳同步轨道太阳能供电；而DARPA的Rads to Watts项目研发的核微型反应堆，有望用于深空推进、月面和火星地表基地，以及在轨制造等高负荷场景。

英飞凌航空与防务副总裁、院士Helmut Puchner介绍：“核反应堆核心是核材料，燃料棒内含核粒子，一般为钚或同类物质。这类材料放射性极强。一旦反应堆解体，碎片会绕地球飞行；随轨道变化，碎片最终会进入大气层。放射性随距离的平方根衰减，距离足够远时影响有限。一旦进入大气，则会产生放射性沉降，这是物理规律。任何绕地物体，都会被地球引力逐步拖拽，最终在大气中烧毁。这个过程可能持续数年甚至数十年。如今太空已经存在大量卫星残骸，如果发射更多具有高放射性的危险材料，风险会持续上升。”

结语

随着芯片被部署到愈发严酷的环境，可靠性不能再作为末尾的验证环节。AI辅助设计探索与先进仿真，可以帮助工程师更早发现薄弱点，但实物测试依然不可或缺，用来验证真实硬件在多重应力叠加下的响应。极端环境电子器件的挑战，早已不只是设计出具备高性能的芯片，而是证明芯片在最恶劣工况下，依旧能够持续稳定工作。