航空航天

航天级芯片，作为航天科技的核心组成部分，具有举足轻重的地位。它们被广泛应用于卫星、火箭、空间站等航天器中，为航天器的正常运行提供强大的支持。电子装备系统是星链、火星探测器、玉兔、嫦娥等航天器的重要支撑，而宇航级芯片则是航天航空电子装备的心脏。据说Xilinx的一款宇航级FPGA芯片，其单价约500万元，号称史上最贵芯片。我国北斗卫星的航天CPU，一块板子的价格就是900万人民币。据北斗三号总设计师林宝军说，这个价格还比之前便宜了好几倍。一般来说，芯片可以分为宇航级、军工级、工业级和消费级。近几年我们被美国断供的芯片就是消费级芯片，而宇航级、军工级很早就已经被西方封锁了。航天级芯片的工作原理与普通芯片相似，都是基于半导体材料的特性实现信息的处理和传输。然而，由于航天环境的特殊性，航天级芯片在设计、制造和测试等方面都需要进行特殊的优化和改进。首先，在设计方面，航天级芯片需要满足更高的性能要求。由于航天器在太空中需要长时间稳定运行，且无法进行现场维修，因此航天级芯片需要具备高可靠性、长寿命和低功耗等特点。此外，为了适应太空中的辐射环境，航天级芯片还需要采用特殊的材料和结构，以增强其抗辐射能力。其次，在制造方面，航天级芯片需要采用更加精细的工艺制程。由于航天器对重量的要求非常严格，因此航天级芯片需要在保证性能的同时，尽可能减小体积和重量。此外，为了确保航天级芯片的质量和可靠性，制造过程中还需要进行严格的质量控制和环境适应性测试。最后，在测试方面，航天级芯片需要进行更加全面的测试和验证。由于航天器的运行环境极为恶劣，且无法进行现场维修，因此航天级芯片需要在发射前进行充分的测试和验证，以确保其在太空中的稳定性和可靠性。测试过程中需要模拟太空中的辐射、温度、真空等环境因素，对芯片的性能进行全面评估。

航天级芯片主要有以下几个特点：高可靠性：由于航天器在太空中的运行环境极为恶劣，且无法进行现场维修，因此航天级芯片需要具备极高的可靠性。在设计、制造和测试等方面都需要进行严格的质量控制和环境适应性测试，以确保其在太空中的稳定性和可靠性。长寿命：航天器在太空中的运行时间往往长达数年甚至数十年，因此航天级芯片需要具备长寿命的特点。在设计和材料选择等方面都需要考虑芯片的寿命问题，以确保其在整个任务期间都能保持稳定的性能。低功耗：由于航天器的能源有限，因此航天级芯片需要具备低功耗的特点。在设计上需要采用低功耗的电路结构和算法，以减少能源的消耗。抗辐射能力：宇航级芯片所处的空间环境在航天器运行的空间环境中，存在着大量的高能粒子和宇宙射线。这些粒子和射线会穿透航天器屏蔽层，与元器件的材料相互作用产生辐射效应，引起器件性能退化或功能异常，影响航天器的在轨安全，对芯片的性能和稳定性产生严重影响。因此，航天级芯片需要采用特殊的材料和结构，以增强其抗辐射能力。例如，可以采用特殊的掺杂技术、防护层和隔离结构等措施来提高芯片的抗辐射性能。小型化：由于航天器对重量的要求非常严格，因此航天级芯片需要在保证性能的同时尽可能减小体积和重量。这需要采用更加精细的工艺制程和优化设计来实现。安全性：航天器的安全性至关重要。因此，航天级芯片需要具备高安全性特点，能够抵御各种恶意攻击和干扰。在设计上需要采用加密技术、防护机制和安全策略等措施来确保芯片的安全性。

宇航级芯片最重要的衡量标准不是运算性能，而是对太空环境的适应能力。在太空中，存在着大量的高能粒子和宇宙射线。这些粒子和射线会产生辐射效应，严重影响芯片工作。据统计，1971 年到 1986 年的15年间，国外发射的39颗同步卫星共了 1589 次故障，其中有1129次故障与空间辐射有关。此外，太空中极端的温差也会影响芯片性能。克服这些条件的研发成本远高于支持应用程序的手机芯片的研发成本。我们为什么能够承受这么高昂的价格呢，因为宇航级芯片没有量产的需求，一个萝卜一个坑，因此可以在不计成本的情况下研究。我国目前的宇航级芯片已经实现了独立自主，不像早年我们只能完全依赖进口。正式由于欧美国家对我们实施了封锁，宇航级芯片不得不走上艰难的独立自主之路。这条路主要方向，一是自主研发，二是利用开源代码再设计。嫦娥四号发射时用的芯片还是美国进口的ATMELAT697芯片，价格从30万到上百万不等。而随着国产芯片的崛起，我国2015年发射的北斗双星上搭载的是两枚国产芯片，成本仅需几万一枚。我国2017年研发的龙芯1E300，性能指标已经达到了美国宇航级芯片的水准。随着国家的重视，人才的不断涌现，未来中国一定能在宇航级芯片研发制造方面不断进步，缩小与发达国家差距，最终实现超越。