太空芯片的辐射、温度和功率挑战

2025-05-09 16:21:41 EETOP

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用于太空任务的关键硬件绝不能出现故障，因为这可能导致资源损失，影响可用性、性能和预算，甚至危及生命。对于太空应用而言，故障可能由多种因素引发，包括发射当天的天气状况、人为错误、环境条件、意外或未知的危害，以及零部件因化学因素、老化及辐射而产生的退化。

在太空芯片的可靠性和安全性方面，辐射是最大的隐患，与汽车芯片相比尤为明显，因为地球上的辐射程度远不及太空。

“在地面上看到的问题，在高空可能会加剧。进入太空后，由于没有大气层保护，你会直接暴露在各种粒子之下。这些粒子有些已经飞行了数十亿年，然后撞击到了你的芯片上。”英飞凌科技航空航天与国防领域副总裁兼研究员赫尔穆特·Puchner （Helmut Puchner）说道，“太阳在很大程度上决定了我们的辐射环境。你离太阳越远，辐射就越严重。”

当宇宙射线或高能粒子撞击普通硅材料时，会击出电子。这些电子像电流一样流动，导致晶体管将其误认为输入电流。“当然，这并不是我们期望的情况，辐射确实会干扰硅芯片的正常工作，”Ansys产品营销总监马克·Swinnen（Marc Swinnen）指出。

据某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纳秒就可能受到5000个粒子的撞击，且这种情况会持续不断。“有些粒子对系统没有任何影响，但有些粒子会自我放大，导致单粒子闩锁效应（SEL）。这种效应由粒子撞击引发，一旦发生就无法恢复。SEL更像是一种永久性故障，会导致电流持续偏移，且无法修复。因此，必须将设备设计成抗辐射加固型，以避免SEL的发生，甚至要确保总电离剂量也不会对其产生影响。离子偏移也不应发生，因为这些因素都可能损坏设备，使其无法正常工作。这就是为什么我们强调要采用抗辐射加固标准、库、布局和制造工艺。”

其他人也认同这一观点。“关键在于明确技术要求，并确保这个微电子系统能够在这种恶劣环境中正确、稳定地工作。然后，所有的工程资源都会聚焦于此，”Rambus 硅安全产品高级总监斯科特·贝斯特（Scott Best）解释道，“根据技术要求的不同，成本会更高，需要更多的测试，也需要更多的抗辐射加固技术——包括设计层面的抗辐射加固技术和制造层面的抗辐射加固技术。因此，可以采用不同的技术来最小化因太空或战略核事件等恶劣、敌对环境引起的单粒子翻转效应。然后，就可以进行系统设计，并考虑成本因素。”

最糟糕的情况涉及到核导弹，普希纳说。“它必须在核爆情况下仍能运行。那是辐射的最高水平，因为在核事件中，会先有快速的中子爆发，接着是强烈的 X 射线脉冲。你必须在那种情况下幸存下来。”

至于卫星，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海岸附近，这是由于南大西洋异常区的存在。但距离地球 3.5 万公里的地球同步卫星，却不得不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）。“它对这些影响的抵抗力要强得多，” Ansys的Swinnen说，“此外，还有一些设计技术可以实现冗余，所以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发挥作用。也有一些特定的工艺，通常被军方和航空航天领域使用，这些工艺经过设计，具备抗辐射能力，并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，只是你必须遵循不同的技术和不同的设计规则。”

工程团队面临的一个挑战是，很难为每一种类型的处理器或存储器都打造出抗辐射版本。

“如果你必须开发所有类型的抗辐射加固存储器，那将非常昂贵，”楷登电子航空航天与国防领域副总裁Charlie Schadewitz说，“所以你会采取以下两种做法之一。要么投入大量资金开发多种变体，要么限制你在抗辐射加固设计中可以使用的不同存储器变体的数量。”

英飞凌科技的Puchner 也认同这一观点。“每种技术都有其挑战，所以这取决于你正在研究的组件，但通常只有一小部分电子组件被设计成能够承受这种辐射。虽然一切皆有可能，但目前大部分这类活动都是由美国政府资助的，因为这需要一个完整的基础设施。你不仅需要在工厂中制造，还需要使用包含逻辑库元素的库，以及必须先经过验证然后才能开发的IP。过去二三十年来一直从事这项工作的主要承包商是IBM。后来变成了格芯（Global Foundries）。他们与美国政府以及第三方主要承包商签订了合同，这些承包商负责创建这些库，然后某些项目可以使用这些库来设计这些产品。”

由于客户基础有限，抗辐射加固设计产品的经济性面临挑战。

“你有时会遇到并非市场上最新技术的技术，因为创建这些库、校准一切以及验证它们是否真的抗辐射加固需要很长时间，”Puchner 说，“然后，当你把所有东西放在一起时，仍然无法保证芯片是抗辐射加固的。你必须对芯片进行测试和调试，并确保其正常工作。这是一项非常昂贵的工程。这就是为什么核导弹对纳税人来说成本高昂——在10年或20年的时间里，大约需要30万亿美元。因此，要设计一款抗辐射加固的NOR闪存，你几乎需要获得政府资助。我们用于太空应用的512Mb 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的影响。有些技术本身就具有抗辐射能力，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器技术。

等离子体、加热、冷却和老化方面的挑战

太空中的芯片还存在其他独特问题。例如，计算流体动力学（CFD）并不一定适用，因为太空中没有流体。它们要么升华，要么冻结。

“你确实会遇到等离子体，”Ansys的Swinnen说，“在高电压和高温度下，特别是在重返大气层或穿越辐射区域时，会产生等离子体效应。等离子体是温度极高的物质，其电子会被从原子中剥离出来，形成自由移动的带电离子，能量非常高。这就像霓虹灯管中的情况一样。那里的气体被电离并发光。我们在芯片制造和其他工业应用中使用等离子体蚀刻工具。它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级别的可靠性组件，这些组件出现在国防后勤局认证的合格制造商名单中。

“这些组件经过的测试、筛选和检查程度远远超过了汽车行业，”Puchner 说，“大多数组件都采用陶瓷封装。它们更笨重、更重，但能够更好地承受温度和应力，因为陶瓷在高达350度的温度下都没有问题，特别是在太空中的温度循环方面。”

在陶瓷封装中，硅芯片被放置在环氧树脂上，环氧树脂将芯片粘合到封装上。然后键合线被连接到芯片上并固定其位置。

英迈吉的维拉瓦利表示，为太空设计的芯片还具有不同的热导率或超导性，以适应低温和高温环境。“这里使用了金属陶瓷复合材料。做这些事情主要是为了防止不受控制的故障。在太空中，没有人能告诉系统应该做什么。它必须自我适应。因此，他们需要考虑所有这些因素，并据此构建系统，同时还要确保系统能够自我恢复。唯一能做到这一点的方法就是确保它是故障运行型的。如果发生任何故障，它仍然必须能够正常工作。”

在太空中，温度在月球的阴影下可以达到大约-200度，但在阳光直射下会升高，导致硅膨胀。“它不受任何限制，”英迈吉的维拉瓦利说，“如果你使用塑料组件，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。我并不是说塑料的可靠性更低——现在太空中使用的塑料组件越来越多——但陶瓷的性能肯定更好。没有风险。如果芯片设计不正确，使用塑料总是存在风险。”

温度也会影响老化，与汽车相比，这种影响可能更大，具体取决于汽车组件的使用位置。

“如果你在汽车引擎盖下，你谈论的是高达130°至140°C的扩展温度范围，具体取决于它们离内燃机有多近，因此温度始终是一个重要因素，”英飞凌科技的Puchner 说，“至于使用场景，汽车组件并不是连续使用的。平均而言，人们每年使用汽车的时间可能约为4000小时。卫星通常是全天候使用的，具体取决于它们的功能，而且很少关闭。在可预测的太阳事件中，如太阳耀斑撞击地球时，它们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保持运行状态，它们的设计寿命至少为15年，但通常会超过这个时间。”

因此，老化因素会被纳入组件本身的设计中。对于国防后勤局认证的组件来说，这意味着它们必须通过一项关键测试，即在125°C下进行4000小时的烧录或加速应力测试，假设平均工作温度为70°至80°C。“这证明了组件能够承受这些寿命周期，”Puchner 说。

老化会产生广泛的影响。“这就是我们在空间站所做的事情，以及我们在那里积累的所有经验和学习，因为微重力对电子设备和人员都有影响，太空背景辐射也是如此，”西门子数字工业软件航空航天与国防行业副总裁托德·Tuthill （Todd Tuthill）说。

太空中的冷却方式也与地球上不同。冷却的问题在于太空是真空环境，因此传统的对流冷却风扇无法工作。“冷却是通过热交换器辐射进行的，所以你只能通过辐射来散热，”Puchner 说，“在航天飞机上，它有大型的装卸平台，还有打开的大门。你见过航天飞机在太空中打开舱门的图片。为什么要打开舱门呢？这是因为它们可以作为热交换器的辐射屏蔽，这样就能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，那么情况就很容易预测，并且其设计就是为了实现温度控制。所以，你可以更好地控制温度，但这并非没有代价。你必须围绕它设计一个系统来控制温度。如果你身处航天器外部的传感器中，你会经历所有的温度变化，一般来说，每种半导体在低温下性能更好，因为迁移率更高。而且如果没有风险条件，那么通常其性能会更好，泄漏更少，功耗也更低。你也可以利用这一点。”

太空应用中的另一个担忧是静电放电。

太空中的粒子带有电荷——它会撞击半导体并引发一些问题。“例如，在航天器上，如果受到大量质子照射，任何金属都可能带电，”Puchner 说，“质子被金属吸收，金属会积累电荷并带电。在某个时刻，它会在某个地方放电。它会在某个地方产生火花。就像你用毛皮摩擦塑料时会产生静电电荷一样。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你，所以情况是一样的。金属可能会带电并引发放电事件。”

此外，当芯片受到α波和粒子的轰击时，它们的复用方式也会完全不同。可能必须以不同于之前的方式对所有东西进行重新测试。

处理、电源和通信趋势

过去10到15年里，面向太空的技术发生了显著变化，特别是处理核心方面。

“现场可编程门阵列（FPGA）通常落后10年。现在，我们可能只落后两年，”Puchner 观察到，“用于太空的最新AMD赛灵思FPGA是一款非常强大的引擎，具有人工智能核心，并支持大量应用。还有一些公司正在使用最新的英伟达（NVIDIA）设备——不是高性能的那种，因为卫星上的功率不够。对于大型卫星来说，我们可能将其功率限制在3千瓦左右，或者在那个功率范围内，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立一个数据中心。你没有足够的能量。但是有一些低功耗系统，比如Jetson AGX，目前正在积极追求并应用于太空。对于未来几年你将听说的任何低功耗人工智能芯片，人们都会尝试将其应用于太空，并观察其表现。有很多新的太空公司。它们会选择一种架构并问：‘嘿，你想把它发射到太空吗？’”

为了在太空中产生更多电力并可能实现更高性能的计算，解决方案正从多个方向涌现。西门子的 Tuthill 看到了从多个方面解决这个问题的许多机会，包括创造更多电力、使用更少电力以及找到在航天器轨道上供电的替代方法。

太阳能是一个显而易见的解决方案。“也许部分答案在于拥有更好的电池存储系统来存储收集到的电力，以及更高效的太阳能收集器，”他说，“然后你还有像小型模块化核反应堆（SMR）这样的东西。目前还没有核动力航天器，但我认为在不久的将来，核动力飞行器具有真正的潜力。”

公众对核能的担忧源于过去的失败，但如今的技术已经可以使这些东西更加可靠和安全。“显然，我们最终必须弄清楚如何处理用过的铀，”他说。

太空行业目前面临的最大问题与地球观测、图像检测和带宽有关，因为通信总是时断时续。

“我们的传感器可以如此迅速地检测到如此多的图像，并生成千兆位、太字节的数据，”Puchner 说，“你怎么知道哪些该保留，哪些该丢弃？历史上，你一直在收集数据并将图像发送到地球，然后在地球上进行分析。你承受不起这样的代价。下行链路仍然不够快，无法做到这一点。因此，我们现在正在板上创建系统来收集这些数据、分析它们并对其进行优先级排序。对于超临界数据，我们会通过网状网络将其发送到其他站点，然后进行下行链路传输，或者直接进行下行链路传输，或者我们将其本地存储并等待下一次下行链路传输。”

在地球观测方面，美国太空发展局正通过其下一代导弹防御计划项目推动技术进步。“它使用了一个通信层，这是一个低轨道网络、一个与地球同步卫星通信的传输层，以及一个真正跟踪事件的跟踪层，”Puchner 说，“这对美国政府推动该项目非常重要，因为它将为我们提供围绕地球的连续覆盖。”