天宫空间站用上最前辈芯片! 美媒: 美国最新航天器还在用30年前芯片

天宫空间站用上最前辈芯片!

这篇标题为《前辈制程芯片在轨翱翔验证通用系统设计》的论文称，中国目前已经完成了16 nm FinFET、28 nm亿门级FPGA、高速DAC等10类20余款国产芯片的在轨翱翔验证，获取芯片的在轨翱翔事情数据，开展芯片的空间适用性剖析。

目的是通过在轨翱翔验证，开展芯片的空间运用故障模式和辐射效应机理研究，完善其在轨利用策略，推动国产前辈制程芯片抗辐射加固技能的发展。

为了这些芯片能在空间站中顺利测试并考验其是否能知足利用哀求，空间站上还特殊设计了测试架构与设备，采纳双冗余冷备份硬件设计及软件容错方案。
对外通过1553B外总线与数管系统进行通信，1553B接口为经典冗余热备份设计，具有A、B两条通道，在单通道故障情形下，可以将总线切换到其余一条通道上。

主控单元与试验单元通过CAN内总线获取各个试验单元上待试芯片的在轨翱翔试验数据。
该系统充分利用CAN总线的可扩展性，可将节点扩充至110个，以方便航天员定期在轨改换试验单元模块，开展芯片的在轨适应性验证任务。

天宫的实验柜：居然还能测试芯片？

各位一定是看得云里雾里的，论文也没有解释这个在轨测试到底是在什么航天器上在轨测试，但有一个解释暴露了利用环境“航天员定期在轨改换试验单元模块”，也便是天宫空间站，由于我国除了天宫空间站上有这个装备外其他都不具备。

天宫空间站上统共有三个试验区域可供试验，包括核心舱、问天实验舱和梦天实验舱，在《中国空间站科学实验资源手册》中能翻到实验柜以及用场的解释，个中涉及到微电子的试验的该当在舱内独立载荷资源的实验柜，手册中是这样描述的：

上图为各个实验舱的实验柜，估计各位该当找不到电子设备的实验柜，笔者认为该当在准备扩展的掌握实验柜里，空间站配有空置实验机柜，当专用科学实验柜不能知足实验哀求时或有其他特定的实验需求时，可采取标准模块组合的形式设计舱内的独立载荷，插入空置实验机柜开展实验。

信息接口支持支持接入 FC-AE-1553 光纤网络的有效载荷，能供应4Gbps速率通信，还支持接入1553B 总线的有效载荷，速率1Mbps，功率不大于500W，完备能知足主板+芯片测试的哀求。

因此最有可能展开实验的便是这个“空置的实验机柜”里，不过这个不是关键，毕竟大家只关心结果，当然也不全是好事，只要有测试总归是有好也有坏的，比如某16 nm FinFET的BRAM芯片内存储单元受辐照后，反相器开关阈值减小，泄电流增大，导致FPGA的配置存储器抗翻转能力降落，SEU截面增大，这表示须要进一步测试，如果问题严重的话乃至还须要改进设计等。

为什么不用最新的前辈芯片？

相信已经有很多网友在质疑了，16~28纳米制程的芯片也算最前辈？估计连小学生都知道，CPU已进入3纳米时期，在研技能还要更高一些，叨教16纳米制程的芯片怎么算最前辈的？

笔者知道各位会有这个疑问，但本文还要给出一些数据，估计各位看了会惊掉下巴，据此前美媒的宣布，当年国际空间站上利用的芯片还是十几年前的技能，而在2021年发射的、环球最强大的詹姆斯韦伯太空望远镜利用的芯片还是RAD750，这颗CPU于2001年发布，工艺仅为150nm，TDP仅为5W，目前随便找个老人机的芯片都要比它强得多。

美国人用不起吗？显然不是！
航天器上用老掉牙芯片的问题普遍存在，缘故原由也很大略，太空中由于没有大气层的遮挡，因此遭到高能粒子轰击的可能性很高，比如来自太阳的高能带电粒子或者宇宙射线中的高能粒子，这些高能粒子的穿透性很强，可能会穿过重重屏蔽罩进入芯片内部，打在核心电路上，产生的强大的电旗子暗记可能会滋扰正常事情的CPU产生缺点指令旗子暗记。

为何会这样？如何避免问题的产生

航天器与在地面事情的电子设备是不一样的，航天器的环境会有大量的宇宙辐射，这些辐命中的高能粒子会穿透屏蔽层，这个有多重效果，比如引起半导体能带老化，产生缺点电旗子暗记，轻则导致航天看重启，重则可能会失落控。

据数据统计，从1971年到 1986年间，国外发射的39颗同步卫星共发生了1589次故障，有1129次故障与空间辐射有关，且个中的621次故障是由于单粒子效应导致的。
还有两次著名的事宜，一越日本的硬X射线望远镜“瞳”卫星在南大泰西磁非常区域时遭到了粒子轰击导致失落控猖獗旋转解体，另一次是俄罗斯“福布斯土壤”火星探测器带着中国的第一个火星探测器“萤火一号”在地火轨道转移时遭到宇宙射线轰击，火箭失落控未能启动，轨道转移失落败坠入大气层。

瞳卫星

单粒子效应后果非常严重，如何避免呢？可以加入额外的冗余电路，比如利用三模冗余（TMR）的办法，这是最具有代表的容错机制。
同一韶光三个功能相同的模块分别实行一样的操作，由于单粒子冲击时的电旗子暗记仅仅来自一起，“三选二”的投票器将会选出别的两路的精确结果，增强电路系统的可靠性。

冗余电路很强大，但本钱很高，同样的电路须要三套！
除了这方法外也可以用缺点检测与纠正电路（Error Detection And Correction,EDAC）来防止突发的电旗子暗记误触发，但这种电路须要纠错、译码电路，因此构造较为繁芜，不适宜用于高性能的数据通道中。

常日将冗余与纠错合营利用，比如常日会在逻辑电路设计中利用TMR，在存储器读写电路中利用EDAC。
这就增加了额外的本钱，导致CPU价格高昂，比如毅力号搭载的处理器型号为PowerPC 750，主频只有233MHz，但单价仍高达20 万美元。

不止是抗辐射哀求：宇航级CPU哀求多了

除了大家都知道的耐辐射哀求外，宇航级CPU还有耐热以及抗寒性哀求，太空环境没有空气流动，只能依赖辐射散热，在地球轨道附近时遭遇太阳直射，温度会升高到200℃以上，但当卫星运行到地球的阴影面时又会低至-100℃以下，这个高温-极寒轮番交替，比地狱条件还要恶劣，纵然CPU在热泵技能下保持相对恒定的小环境，但条件依然要比地球上的CPU高得多，以是宇航级CPU的哀求是相称变态的。

为什么宇航级CPU性能哀求那么低？

这个问题实在好理解，由于这些都是专用CPU，并不像电脑与手机CPU那样须要处理各种数据，并且操作系统很小，只有几十KB，多的也不过MB大小，哪会像电脑操作系统那样动辄几个G，几十G的。

不过随着空间站的培植，这个哀求正大幅度提高，比如除了空间站掌握操作等CPU的高哀求环境外，通用CPU的利用也正在增加，在宇航级CPU上我国早就实现了独立自主，早在2021年时北斗三号系统卫星总设计师林宝军出席公开活动时表示，北斗三号卫星目前核心器件包括国产龙芯CPU、国产FPGA、国产ASIC、载荷的微波器件等全部实现自主可控，这表示我国在龙芯CPU在宇航级利用上已经全面打破，并且在低纳米制程上开始在空间环境始终利用的测试。

这次《航天环境工程》爆出正在测试16nm的CPU，按CPU级别算该当已经达到了英特尔第六代酷睿处理器（代号Skylake）：比如i5-6600K、i7-6700K以及英特尔第七代酷睿处理器的性能，当然这只是制程，实际性能还要看CPU的参数。

有网友表示，拿天宫空间站去和26年前开建的国际空间站比较，是不是有点胜之不武？确实是这样，我们必须承认科技在发展，天宫空间站能动用的技能要比当年国际空间站要前辈得多，但问题来了，环球那么多国家为什么只有中国造出了太空中的第二个空间站？

我们不否认技能确实在进步，但纵不雅观环球，绝大部分的国家都在享受技能带来的便利，但创新与技能改造就只有那么几个国家，除了美国以外中国便是最大的那个技能改造国，或者由于欧美的封锁中国正在重复发明轮子，但这没有办法，我们买不到这些技能，乃至买不到前辈技能生产的产品，由于西方对我们禁运了。

当年我们也曾多次希望参加国际空间站的培植，但完备没有得到美国的回应，那就很抱歉了，中国只能重新努力别辟门户新造一个空间站，现在新空间站造好了，美媒Futurism在2021年10月19日曾揭橥的文章是这样定义中国空间站的：

China’s New Space Station Looks Like an Apple Store Inside，It puts the ISS to shame.

中国的新空间站看起来像苹果商店，这让国际空间站感到耻辱。

国际空间站已经老旧了，到处都是乱糟糟的设备，像个垃圾堆，估计最多也就再撑个十年了，天宫空间站不仅供应通亮宽敞的铺位，还给航天员供应时尚的太空健身房，和独立的生活空间。

实在也没啥，风格不同而已，中国人喜好收纳得整整洁齐，美国人大略直接，乱糟糟以事情第一位的工业风也不算太大的差异，关键还是技能的进步，天宫空间站以80多吨的吨位能完成国际空间站2/3的任务，太阳能电池也不比国际空间站差多少，并且天宫扩展到180吨将完胜400多吨的国际空间站，当然更好的是天宫正有此意！

不过对美国却不是一个好，由于国际空间站操持在2030年退役，而且在退役后美国将在无法独立培植空间站，只管有操持引入民间成本建立商业空间站，不过到现在为止这项操持不是很顺利，未来出息堪忧。

技能正在进步，中国正在用最新的技能培植空间站，美国的技能也在进步，但美国彷佛不太有能力将最新的技能运用于空间站培植，就像美国人自己说的那样，美国空有最前辈的军事技能，但却无法以此快速生产出航母、前辈驱逐舰以及战斗机。

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