太空極端惡劣環境對芯片工作的影響主要有三個方面：

1、強輻射干擾。這是影響最大的因素之一。太陽風暴、銀河宇宙射線、地球輻射帶等產生的高能粒子和射線，可能會對芯片內部的電路造成干擾或損壞，導致芯片無法正常工作。

2、真空散熱難。在地球上，空氣中的氣體分子可以幫助散熱；但在太空中，氣體分子極少，這會導致芯片無法有效散熱，影響其性能和壽命。普通電腦在海拔4000米以上的高原，都會因空氣稀薄散熱難而發生故障。

3、極端溫度。在高度300~400公里軌道上，物體受光面溫度約為150℃，背光面溫度約為-127℃，溫差近300℃。不采取特殊措施，能夠耐受這種極端溫度的半導體材料很少。

因此太空芯片設計，需要采用抗輻射材料、增加熱設計、加固電路板、進行太空測試等特殊措施，所以太空芯片往往價格昂貴。本期我們來看看全球都有哪些常見的太空芯片。

1、英特爾

英特爾的凌動?（“BayTrail”）處理器，被美國宇航局（NASA）的毅力號火星探測器的計算模塊采用，這款信用卡大小的計算模塊COMEX-IE38是由以色列公司CompuLab供貨的。毅力號傳輸回來的照片和視頻均由數據存儲單元（DSU）處理，每個DSU配備一個基于英特爾凌動?處理器的COMEX-IE38模塊。

圖1、COMEX-IE38模塊

英特爾的8086處理器（后續升級為80386），被NASA早期的發現號航天飛機采用，該航天飛機預留5臺計算機用于冗余，為了規避輻射使用鐵氧體磁芯內存，而航天飛機的整個控制軟件不到1M。

圖2、8086處理器

2、BAE Systems

BAE Systems的RAD750處理器，被NASA造價27億美元的毅力號火星探測器和詹姆斯·韋伯空間望遠鏡采用，最高主頻速度僅200MHz，使用0.25或0.15um工藝制造的，管芯面積為130mm2，采用150nm工藝集成了1040萬個晶體管，這顆CPU只有上世紀的孱弱性能，但能承受2,000-10,000戈瑞（Gy.）的輻射，大約是做一次CT的1千萬倍，溫度范圍為?55至125°C。RAD750還運行在毅力號火星車和100多顆衛星上，接受宇宙“考驗”近二十年目前無一故障，也是單顆售價約29萬美元的核心賣點。

圖3、RAD750處理器

BAE Systems的RAD6000處理器，被NASA勇氣號和機遇號火星探測器采用，單價約20萬美元，最終發射上天的只有200顆左右（依然是爆款型號），它是RAD750的前任，任務的設計壽命只有3個月，但實際這套系統在火星上工作了15年之久。

圖4、RAD6000處理器

3、AMD/賽靈思

AMD的太空級Versal自行調適系統單芯片（SoC）完成Class B認證，并受AMD采納用以進行先進有機封裝XQR Versal太空級產品。這款XQR Versal AI Core（XQRVC 1902）元件，可為衛星與太空應用提供完全抗幅射能力、加速AI推論以及高頻寬訊號處理效能，將推進AI應用于太空各種精密機載資料處理。

圖5、AMD的XQRVC 1902

AMD/賽靈思的20nm耐輻射(RT)Kintex UltraScale XQRKU060 FPGA提供了無限制的在軌重配置功能，數字信號處理(DSP)性能提高了10倍，非常適合在有效載荷應用中使用，并且在所有軌道上都具有完全的輻射耐受性。XQRKU060還將高性能機器學習(ML)首次帶入到太空領域。支持TensorFlow和PyTorch等行業標準框架下的各種機器學習開發工具產品組合，可通過完整的過程和分析解決方案加速神經網絡推理，實現太空中實時星載信息處理。這款芯片具有高密度、高能效的計算能力，具有可擴展的精度和大容量的本地存儲器，可為深度學習優化的INT8峰值性能提供每秒5.7tera字節的運算，與上一代65nm太空級器件相比增加了近25倍。新型芯片顯著減小了尺寸、重量和功率，并具有強大的耐輻射功能。XQRKU060為客戶提供了一種具有更具太空環境適應性的設備，可應對惡劣的太空環境中的短時任務和長時間任務。

圖6、XQRKU060 FPGA

4、微芯/愛特梅爾

微芯的太空級64位MPU PIC64-HPSC，已被美國國家航空航天局噴氣推進實驗室（NASA-JPL）選用，旨在將計算性能提高100倍以上，同時為航空航天和防御應用提供前所未有的耐輻射和容錯能力。PIC64-HPSC系列代表著NSAS-JPL以及更廣泛的防御和商業航空航天產業進入了自主空間計算的新時代。

圖7、PIC64-HPSC

微芯的SST38LF6401RT SuperFlash器件，即使在閃存仍處于供電和運行狀態時，輻射耐受能力也高達50千拉德（Krad）TID，該產品能使系統在各種空間應用中運行。在這些應用中，系統無法承受任何代碼執行錯誤，否則可能導致嚴重缺陷和系統崩潰。

圖8、SST38LF6401RT

微芯的RT-RTAX和RTSX-SU兩款FPGA，被NASA的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡采用，RTSX-SU具備230MHz的系統性能（內部頻率310MHz），以及非常低的功耗（待機下的最高電流只有68mW）。該FPGA具備32k至72k個ASIC門（48k到108k個系統門），以及最多360個用戶可編程的I/O，足以應對一般的太空應用。而RTAX-S/SL的規模要更大一些，具備30k到500k個ASIC門（250k到400萬個系統門），用戶可編程I/O也增加至840個。

圖9、RT-RTAX和RTSX-SU

微芯/愛特梅爾的AT697F，被嫦娥4號月球探測器采用，單價約20萬~30萬，功耗0.7瓦，在100MHz時可以達到90MIPs性能，按照1MIPs等于4Mhz的CPU主頻換算，也就是說一塊AT697F的主頻等價于400MHz。

圖10、AT697F

5、CAES

CAES的LEON系列處理器，已經被歐洲航天局（ESA）選用，在太空應用中得到了數十年的驗證。該處理器采用了RISC-V架構和容錯抗輻射的設計，集成了16個核心，用于替代傳統的SPARC V8框架，將被用于太空控制、負載數據管理和處理系統中，廣泛適用于觀測、通信、導航和科考應用。

圖11、LEON系列處理器

6、英飛凌

英飛凌的512 Mbit抗輻射加固設計QSPI NOR閃存，用于太空和極端環境，這款半導體器件采用快速四串行外設接口（133MHz），具有極高的密度、輻射和單次事件效應（SEE）性能，是一款完全通過QML認證的非易失性存儲器，可與太空級FPGA和微處理器配合使用。

圖12、NOR閃存

7、德州儀器

德州儀器的51系列的SN510和SN514，被NASA的探索者18號衛星采用，是世界上第一個進入太空的集成電路，該系列是一組基于電阻-電容-晶體管技術的六位數字邏輯電路，功耗更低，采用較小的扁平封裝。德州儀器的晶體管隨著美國第一顆衛星-探險者1號（Explorer 1）采用。德州儀器的充電耦合設備成像器 (CCD)被太空望遠鏡和伽利略衛星采用。

圖13、德州儀器的產品

8、意法半導體

意法半導體為TTTech提供的芯片已被歐洲阿麗亞娜6（Ariane 6）運載火箭項目和NASA的Gateway空間站中的下一代網絡和計算平臺選用。后者是NASA Artemis 計劃中關于人類重登月球和實現對火星外太空探索的重要組成部分。

圖14、意法半導體為TTTech提供的芯片

9、SatixFy

SatixFy的Sx3099是第二代Modem芯片，已被Telesat低軌星座通信網絡Lightspeed項目原型機選用，可同時支持多達8個Modem的接收和高達1GHz的總傳輸帶寬。Lightspeed的太空部分初步計劃由298顆衛星組成，均為700-750千克級。該網絡將在全球范圍內提供每秒多太比特的安全、低延遲、高性能寬帶專業服務。

圖15、SatixFy的Sx3099評估板

10、Teledyne e2v

Teledyne e2v的LX2160-Space是一款耐輻射處理器，采用16核ARM?Cortex?-A72，可提供200,000 DMIPs / 280 GFLOPs的驚人計算能力，以及豐富的高速接口，如PCIe Gen3.0和高達100 Gb的以太網接口，可與其他子系統連接。這些特點使LX2160-Space成為在飛行中執行多項人工智能任務的理想器件，并成為航天器的“大腦”。

圖16、X2160-Space

Teledyne e2v的高速8GB DDR4存儲器支持2400 MT/s的傳輸速率。它的單粒子鎖定(SEL)免疫指標高達60 MeV.cm2/mg。此外，這款器件提供100 krad的總電離劑量(TID)，它的SEU數據高達60 MeV.cm2/mg。在物理尺寸上，8GB器件的封裝尺寸與之前的4GB版本相匹配(即15mm x 20mm x 1.92mm)，從而使存儲密度加倍，同時保持引腳兼容性。它成功通過宇航級認證，可用作其空間邊緣計算解決方案的一部分。它可與所有當代高端空間處理器兼容。這些處理器包括AMD/Xilinx VERSAL?ACAP，宇航級FPGA, MPSOC, Microchip RT PolarFire?以及許多ASIC。

圖17、8GB DDR4存儲器

11、瑞薩/英特矽爾

瑞薩/英特矽爾的兩款GaN FET分別為ISL7023SEH 100V，60A GaN FET和ISL70024SEH 200V，7.5A GaN FET，GaN FET的性能比硅MOSFET高10個數量級，同時將封裝尺寸縮小50％。GaN FET還可以減少電源重量，并以較少的開關功耗實現更高的功率效率。在5mΩ（RDSON）和14nC（QG）時，ISL70023SEH實現了業界最佳品質因數（FOM）。由于寄生因素減少，該兩個氮化鎵場效應晶體管都需要較少的散熱元件，在高頻下工作需要的輸出濾波器也更小，從而能夠在緊湊型解決方案中實現更高效率。ISL70023SEH和ISL70024SEH滿足MIL-PRF-38535 V等級要求，可在軍用溫度范圍內工作，抗電離總劑量水平達到75-100krad（Si）。可與ISL70040SEH低端GaN FET驅動器和ISL78845ASEH PWM控制器相結合，為運載火箭和衛星提供開關模式電源。

圖18、ISL7023SEH

12、北京微電子技術研究所（中國航天科技集團九院772所）

北京微電子技術研究所的SPARC V8處理器BM3803已經出現在國家多個重大航天工程中，之前也作為“天和”星載計算機中最關鍵的SoC，確保了核心艙的穩定控制。這款32位的RISC嵌入式處理器擁有優秀的抗輻性能，負責艦上的載荷任務管理、網絡管理和熱控管理等分系統管理和控制。722所的宇航用整體解決方案，主要器件包括宇航用7系列FPGA、動態重構刷新電路、配置存儲器、電平轉換電路以及外圍接口等。宇航用7系列FPGA產品支持最高工作頻率為800MHz，內部包含可編程邏輯模塊、DSP單元、塊存儲單元、高速串行接口、PCIe等豐富的邏輯資源和IP核資源，能夠滿足高、中、低等各種資源數量的應用需求，適用于圖像處理、高帶寬傳輸、復雜加解密算法等應用場景。“天和”核心艙中，采用了772所提供的等32款7100余只集成電路，其中包括：處理器、FPGA、AD/DA、1553B總線、大容量SRAM存儲器、專用ASIC集成電路等。

圖19、宇航用7系列FPGA

13、龍芯中科

龍芯中科的龍芯處理器，被天舟八號貨運飛船采用。龍芯天基云系統集成了兩個異構云計算平臺、管控系統、外設和熱控支撐結構等多個模塊。該系統不僅具備數據在軌處理、存儲、轉發的能力，還實現了電源轉換和控制、任務管理、熱管理等多項功能。系統全部采用商用現貨（COTS）器件，通過全系統加固、精簡設計和功耗優化，滿足抗惡劣空間環境和高性價比的應用要求。龍芯1E和龍芯1F抗輻照處理器已被北斗衛星采用。

圖20、龍芯3號

14、航宇微

航宇微的玉龍810A是一款嵌入式人工智能系列處理器芯片，采用了異構多核架構（CPU+AI加速器）和22nm FD-SOI生產工藝，具有高性能、高可靠、低功耗的特點，Yulong810A-FMS就是該芯片的宇航級版本。玉龍810A芯片內部由主處理器單元、AI協處理器單元、圖像處理單元、片內總線、外設接口單元、片內存儲等組成。其主處理器單元采用了4核ARM A9的設計，AI協處理器包含GPU單元和NNA單元。芯片外設接口包括：MIPI、BT1120、以太網、USB OTG、Camera Link、Rapid IO、PCIE等，足以滿足航天航空應用中與不同設備之間的連接。玉龍810A浮點處理能力為64GFLOPS，定點處理能力為12TOPS。在這樣的算力下，其典型功耗不到6W。由于支持OPENCLOPENVX等標準軟件接口，玉龍810A也能夠實現與TensorFlow，Caffe等主流深度學習軟件框架的無縫對接。

圖21、玉龍810A

15、炎黃國芯

炎黃國芯的YH5*6*1電源芯片用于現場可編程門陣列 (FPGA)、微控制器和專用集成電路 (ASIC) 的太空衛星負載點電源、太空衛星有效載荷、抗輻射應用。YH5*6*1可用于軍用溫度范圍（-55°C 至 125°C）。峰值效率可達96%以上，相比競爭產品，能實現更低的用戶電路設計的靈活性。100-kHz到1-MHz的切換頻率及優化的補償方案使得設計者能在尺寸與效率之間找到最佳平衡點。可為客戶設計減小電路板空間，更高的效率、優化的配置和動態偏差減少了輸出電容器的尺寸和數量、提升了瞬時反應。

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16、電科芯片

電科芯片的高性能多光譜CCD系列產品已經在高分多模衛星、“吉林一號”衛星星座、資源一號等65顆衛星上批量應用，累計在軌時間超60萬小時。電科芯片的運算放大器、穩壓器、基準源等十余套器件，具有可靠性高，穩定性好、抗輻射能力強等特點，被神舟十九號載人飛船采用。

圖22、鑒相器

17、國科天迅

國科天迅的FC1553芯片是一款通信芯片，被用于長征十二號運載火箭，該芯片將傳統通信芯片傳輸速率從1Mbps提升至4Gbps以上，提升了4000倍，誤碼率從10-7提升至10-12，提升了5個數量級。該通信芯片解決方案不僅提升了信息傳輸速率，而且縮小了通信硬件設備體積、降低了設備重量、減小了系統整體功耗，已成功應用于多個領域的型號任務。

圖23、FC1553

18、中國電子科技集團公司第55研究所

中國電子科技集團公司第55研究所的多款微波芯片、模塊組件等核心器件，分別應用于夢天實驗艙的載荷系統、運載火箭系統、地面測控系統等，配套了共計35款數萬余只（套）關鍵核心元器件，有力保障任務順利進行。

圖24、微波芯片

19、中國航天科工集團二院203所

中國航天科工集團二院203所，共完成萬余只宇航級晶體元器件的生產交付，一次交驗合格率達到了100%。晶體元器件通常被稱為電子設備的“心臟”，它可以產生電子設備中的頻率信號。這些產品具有高可靠、小尺寸、優指標、低老化、長壽命等優良特性，為通訊、導航和控制系統等提供時間頻率基準。

圖25、宇航級晶體元器件

20、艾可薩

艾可薩的Bifort芯片是一款宇航用高可靠抗輻照SSD控制器芯片，該芯片采用宇航級SSD存儲控制器芯片框架結構，包含PCIeGen2x4/SATA3兩種主機接口，后端配備6路獨立NAND Flash控制通道，具有多接口、抗輻照、高可靠等優勢，支持陶封B級、軍用塑封N1級與通用工業級3種規格，適用于宇航任務中高可靠、大容量數據的存儲應用。

圖26、Bifort芯片

21、艾創微

艾創微的宇航級抗輻照管理芯片ICW2002是一款面向星際衛星、航天飛行器、高端武器裝備等領域的DC-DC轉換器電源管理芯片，可完全對標美國TI公司相關產品，并成功交付中國航天系統，填補國內宇航級抗輻照電源管理芯片領域的空白，總劑量：≥75krad (si)；單粒子：LeT≥50Mev. cm2/mg。

22、航天智裝（隸屬于中國航天科技五院）

航天智裝旗下全資子公司軒宇空間研發的基于SPARCV8體系結構的面向空間應用的高性能、低功耗的32位抗輻射片上系統芯片，對標國外先進宇航處理器芯片，成為國內第一款在軌飛行的SoC芯片，并大量應用于北斗導航衛星、探月衛星、小衛星、微小衛星平臺的產品中。

23、中科芯磁

中科芯磁的MgiCubo魔方系列FPGA芯片，具備了高度的可編程性與靈活性，能夠充分滿足航空航天領域對于高性能計算及高可靠性芯片的嚴格要求。

24、海創電子

海創電子的各類晶體頻率元器件、敏感元器件被應用在神舟、天宮、天問等各類航天器上。

中國空間站現在可以同時測試100多個計算機處理器，并且有超過20款全新的高性能芯片已經通過了測試，工藝制程范圍從28nm到16nm，這些芯片比其他國家在太空中所使用的芯片要先進得多。中國在太空芯片領域的自主創新能力和快速發展勢頭，不僅在技術上取得了突破，而且在國際航天領域中的地位也在逐步提升。

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審核編輯 黃宇