從傳感器到微處理器，這才是真正的“天舟一號”中國芯實力解讀

在我們的產(chǎn)業(yè)里面，有這樣一條“隱蔽的戰(zhàn)線”，他們不喧囂，不折騰，不開領袖峰會，也不上高峰論壇，表面上他們過著與普通人無異的“油鹽醬粗柴”生活，可誰能知道背后的故事：為了航天事業(yè)，他們“獻了青春獻子孫”。他們從大山里走出來，他們心里裝的仍然是維系“國家安全”“航天事業(yè)”這樣的大事。從“天宮二號”、“神舟十一號”到這次的“天舟一號“，一個個看起來不起眼的半導體元器件，組成了堅不可摧的航天器系統(tǒng)的“萬里長城”，這些宇航級元器件就是他們生命的意義。

01“天舟一號”發(fā)射：國產(chǎn)化芯片功不可沒

對于中國這次“天舟一號”的發(fā)射，俄羅斯《航空全景》雜志主編謝爾蓋.費里科夫這樣描述：“中國正在走蘇聯(lián)走過的路，但(中國飛船的)機載設備要好得多，所采用的數(shù)字化技術(shù)在無人航天和載人航天領域有很大前景……對于宇宙空間存在的電離輻射問題，如果中國掌握了這種可靠性芯片技術(shù)，就可以使電子設備免受這種電離輻射的破壞，可以說這種微芯片結(jié)構(gòu)是中國航天向前邁出一大步的主要功臣。”

謝爾蓋.費里科夫提到的抗輻射技術(shù)，是航天領域芯片設計中始終繞不過的一道難題。首先，宇航級元器件與在大氣層使用的環(huán)境不同。在太空環(huán)境中，物體的溫度取決于太陽光照，由于沒有空氣散熱，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℃。

在太空環(huán)境中，宇宙輻射是不可避免的，而宇宙輻射恰恰會對芯片造成損壞。半導體器件中的數(shù)字和模擬集成電路的輻射效應一般分為：

總劑量效應(TID)

單粒子效應(SEE)

劑量率效應(Dose Rate)

總劑量效應源于由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。

單粒子效應是由輻射環(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，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)會導致電路節(jié)點的邏輯狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

劑量率效應是由甚高速率的γ或X射線，在極短時間內(nèi)作用于電路，并在整個電路內(nèi)產(chǎn)生光電流引發(fā)的，可導致閉鎖、燒毀和軌電壓坍塌等破壞。

上述情況都會導致芯片損毀。

正因為如此，商業(yè)級、工業(yè)級、軍品級、宇航級芯片有著不同標準。由于各種測試非常多，數(shù)據(jù)指標也非常細，這里僅就工作溫度做區(qū)別：

商業(yè)級芯片的工作溫度為0℃～70℃。

工業(yè)級芯片的工作溫度為-40℃～85℃。

軍品級芯片的工作溫度為-55℃～125℃。

宇航級芯片不僅在工作溫度上有著不亞于軍品級芯片的水準，而且還有抗輻射等方面的要求。

02抗輻射電路：助力“天舟一號”鳳翥鸞翔

長期以來抗輻射電路一直是航天人力爭攻克的目標之一。這種抗輻射電路由于國外長期的禁運，只能做到自力更生依靠自己。我國在抗輻射電路技術(shù)研發(fā)上投入了大量資金，并取得了不小的進步。可以說，這次“天舟一號”飛船發(fā)射的功臣之一就是抗輻射電路。

抗輻射加固技術(shù)，主要有設計和工藝兩種加固技術(shù)。采用那一種需要根據(jù)實際情況，有時候也會組合使用。從廣義上講，抗輻射加固設計包括材料設計、系統(tǒng)設計、結(jié)構(gòu)設計、電路設計、器件設計、封裝設計、軟件設計等。從狹義上講，一般是指在電路設計和版圖設計上采用一些減輕電離輻射破壞的方法。

從系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、電路、器件級的設計技術(shù)方面進行抗輻射加固設計一般采用以下方式：

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

二是采用冗余或加倍結(jié)構(gòu)元件(如三模塊冗余)的邏輯電路設計方法，即投票電路根據(jù)最少兩位的投票確定輸出邏輯。

三是采用電路設計和版圖設計以減輕電離輻射破壞的方法。即采用隔離、補償或校正、去耦、抗閂鎖等電路技術(shù)，以及摻雜阱和隔離槽芯片布局設計。

四是加入誤差檢測和校正電路，或者自修復和自重構(gòu)功能。

此外，使用加固模擬/混合信號IP技術(shù)和SIGE加固設計技術(shù)也是提升芯片抗輻射能力的有效途徑。

抗輻射電路加固專用工藝越來越多地與加固設計結(jié)合使用。因為抗輻射加固工藝技術(shù)具有非常高的專業(yè)化屬性和高復雜性，因此只有少數(shù)幾個廠家能夠掌握該項技術(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。

03“天舟一號”國產(chǎn)化芯片大閱兵

1、航天第九研究院：1553B總線控制芯片

1553B總線是美國軍方專為飛行設備制定的一種信息傳輸總線標準，每個國家根據(jù)本國的情況，可參考該標準制定出自己的總線協(xié)議。這個系統(tǒng)的核心芯片就是總線控制芯片，它的主要功能是對處理器的所有訪問及總線上的所有數(shù)據(jù)實施實時監(jiān)控，使控制系統(tǒng)在不修改飛行程序控制流程的情況下獲得更多原始數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的問題和隱患，為系統(tǒng)的故障定位提供判斷依據(jù)。

由于國外的對華先進設備禁運，1553B芯片的空缺嚴重制約我國航天業(yè)發(fā)展。因此，研究研制具有高可靠性的抗輻射1553B數(shù)據(jù)總線接口芯片具有重要意義。十多年前，筆者在原老東家航天771所就曾參加過1553B芯片(CMOS工藝)的研制工作，同時當時的電子部、航空工業(yè)部也都開展了1553B芯片的預研工作，可謂“三駕馬車”意欲攻克一個目標。幾年前，筆者又從航天772所獲悉這個芯片的國產(chǎn)化終于取得了重要進展，宇航級抗輻射性能也取得了突破。這次“天舟一號”使用的1553B總線系統(tǒng)，1553B芯片的國產(chǎn)化理應位列頭功。

2、航天九院772研究所：微處理器/智能通用刷新控制電路

航天九院772研究所研制的多款關(guān)鍵核心元器件被用在了“天舟一號”上，其中一款微處理器芯片，負責接收地面命令、處理載荷數(shù)據(jù)、管理控制姿態(tài)，它的核心地位和復雜性使它堪稱體現(xiàn)我國宇航級元器件水平的代表。

第一代智能通用刷新控制電路，也是772所為此次發(fā)射配套研制的一款高可靠性抗輻射刷新控制電路。除此之外，772所研制的多款型號器件也被用在了“天舟一號”，這些國產(chǎn)化的電路在型號上的應用，有效保證了核心宇航器件的自主可控。

3、中科芯(58所)：電子控制系統(tǒng)核心芯片

中科芯(58所)研發(fā)的兩款核心芯片，主要用于“天舟一號”的電子控制系統(tǒng)，用來控制飛船動作，“無論捕捉、緩沖還是拉近，都可以使飛船做到毫厘不差“，中科芯的工程師介紹說。“天舟一號”電子控制系統(tǒng)就像飛船的大腦和神經(jīng)，這兩款芯片就像“神經(jīng)網(wǎng)絡”，發(fā)出無數(shù)條支線數(shù)據(jù)命令，連接飛船各個“器官”間的數(shù)據(jù)通信，控制飛船完成各種高難度動作。

4、中國電科：全新自主“神經(jīng)系統(tǒng)”傳感器

這次“天舟一號”使用了中國電子科技集團研制的10余種70多只自主研發(fā)的傳感器。如果把控制系統(tǒng)芯片比作“大腦”，這些傳感器芯片就是飛船的“神經(jīng)元”。這些全部國產(chǎn)的傳感器，實現(xiàn)了核心器件的自主可控。傳感器種類覆蓋了壓力、溫度、濕度、氧氣、二氧化碳、離子感煙、差定溫等，可實現(xiàn)環(huán)境檢測與控制及飛行姿態(tài)調(diào)整。

5、西安電子科技大學/航天五院：首顆宇航級高速圖像壓縮芯片

在隨“神舟一號”升空的“快遞包裹”中，有一顆肩負對地觀測任務的科學實驗衛(wèi)星“絲路一號”01星，該星搭載了一顆我國自主研制的首顆宇航級高速圖像壓縮芯片。這顆冠名“雅芯-天圖“的圖像處理芯片是航天五院513所與西安電子科技大學密切協(xié)作，經(jīng)過4年多的努力，攻克了高效圖像壓縮算法、高速并行硬件架構(gòu)、抗輻照設計等多項關(guān)鍵技術(shù)，終于研制成功我國第一顆航天級圖像壓縮芯片。

這顆芯片的背景是國家十二五支持的重大專項。項目于2015年1月通過驗收，一年多時間就進入到航天實戰(zhàn)應用，不能不說是一個奇跡。

6、中國電科43所：DC/DC電源管理

中國電科43所為此次“天舟一號“發(fā)射的運載系統(tǒng)和飛船系統(tǒng)配套研制了多款電源管理產(chǎn)品。其中包括天舟飛船使用的六大系列22個品種的DC/DC電源模塊。43所的工程師形容它們的特點有“三最”：系列化程度最高、品種數(shù)最多、功率覆蓋最全。這些電源管理產(chǎn)品將航天器母線電壓提升了近4倍，有效提升了飛船的載荷能力和供電總效率。