中国在“天宫”空间中测试芯片，展示太空雄心

2024-01-26

随着科技的不断发展，太空领域已成为各国竞争的焦点。1月24日，据香港《南华早报》报道，中国正利用自己的“天宫”空间站测试各种芯片处理器并取得技术优势。该报指出，如此大规模的在轨芯片测试，对于中国的太空雄心可谓是至关重要。

2023年11月28日，中国载人航天工程首次对外发布由神舟十六号乘组返回地面前手持高清相机，通过飞船绕飞拍摄的空间站组合体全景照片。图源：中国载人航天工程办公室

根据报道，中国利用“天宫”空间站对数百款各类芯片进行在轨测试，其中包括16nm高性能芯片。同时，未来还有更多国内芯片制造商正排队等待接受严格的太空测试，中国的目标是开发各种可在轨道上长时间保持稳定可靠运行的高性能芯片。

为何要在太空测试芯片?

毫无疑问，在外太空测试芯片，是一项艰巨而具有挑战性、前瞻性的任务。

据悉，太空级芯片是一种高度集成的电子芯片。这些芯片能够在极其恶劣的环境中正常工作，比如承受高达几千戈瑞的辐射强度、极高的温度以及极低的气压条件。

对于在外太空测试芯片的重要性，有专业人士解释：在太空环境中，存在着大量的高能粒子和宇宙射线。我们生活在被大气层和地球磁层包裹着的地球表面，人们无法感受到这些射线和粒子破坏性。当这些粒子和射线穿透航天器，与元器件的材料相互作用，产生辐射效应，就会引起电子器件性能异常或损毁。比如，由γ光子、质子和中子照射所引发的氧化层电荷陷阱或位移破坏，包括漏电流增加、MOSFET阈值漂移，以及双极晶体管的增益衰减。高能粒子(质子、中子、α粒子和其他重离子)轰击微电子电路敏感区，引发在p-n结两端产生电荷的单粒子效应，可导致软误差、电路闭锁或元件烧毁。高速率的γ或X射线，在极短时间内作用于电路，并在整个电路内产生光电流，可导致闭锁、烧毁和电压坍塌等破坏。这些情况都会导致芯片损毁，特别是抗辐射设计对于太空级芯片来说，必不可少。

在太空环境中，由于缺少空气的散热，物体的表面温度取决于太阳的光照。物体受光面和背光面的温差非常大。以高度为300~400公里的轨道温度为例，物体受光面温度约为150℃，背光面温度约为-127℃，温差约为300℃。因此，散热设计和宽温设计，对于太空级芯片非常重要。另外，太空级芯片在生产过程中，要使用特殊的晶圆制造、加固、封装等工艺来达到严苛的设计标准。

正是因为宇航级芯片的技术要求高、市场需求有限，导致其价格十分昂贵。比如，Xilinx宇航级芯片XQR5VFX130-1CF1752V封装BGA,每片价格大于120万人民币，且有价无货。宇航级芯片XQR4VSX55-10CF1140V封装CLCC,每片价格大于50万人民币，ATMEL宇航芯片AT697F-KG-E封装MQFP256，每片价格大于60万等等。

如今，中国正利用自己的“天宫”空间站测试各种芯片处理器，进行国产替代并取得技术优势，将有助于提高中国在太空领域的竞争力。

“天宫”带来竞争优势

据悉，美国NASA目前在太空中使用的芯片是基于已有30年历史的技术。例如，2021年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜，其中的RAD750处理器使用的是过时的250nm制程芯片，时钟频率仅为118兆赫，不及典型智能手机芯片的一小部分。

2023年12月，中国空间技术研究院的项目团队就在学术期刊《航天器环境工程》上发表了同行评议论文，其中称，预计不久后将有更多的国内芯片制造商排队等候，让他们的顶级产品通过严格的太空测试。

据介绍，中国空间站现在可以同时测试100多个计算机处理器。同时，有超过20款全新的高性能芯片已经通过了测试，工艺制程范围从28nm到16nm，这些芯片比其他国家在太空中所使用的芯片要先进得多。

2023年5月，珠海欧比特宇航科技股份有限公司的宇航级玉龙810A人工智能芯片就搭载天舟六号货运飞船，开展在轨试验任务。试验主要包括：人工智能算法执行、人工智能模型切换、元器件可靠性检测等。

目前，在“天宫”测试的芯片完全是在中国设计和制造的。在测试期间，芯片在中国独立开发的Space OS操作系统上运行，该系统广泛用于中国空间站和其他空间设施。

这篇论文也指出，中国的航天工程师也在“先进性”和“谨慎性”之间不断权衡。一方面，他们希望采用人工智能等先进技术，获取新的太空应用所需的更高端处理能力;另一方面，随着芯片上晶体管数量的增加，会更容易受到宇宙高能粒子的干扰，从而影响计算和信息存储的准确性。

众所周知，中国空间站“天宫”，是我国建成的国家级太空实验室，也是完全自建的空间站，给我国带来了许多好处和便利。而国际空间站虽然也可进行类似实验，但其规则规定，参与其中的国家都有权了解发送到国际空间站的所有有效载荷的详细信息。这无疑将给涉及国家安全和技术机密的芯片测试带来不便。

展示中国太空雄心

“在轨道上进行大规模芯片测试是一项艰巨而具有挑战性的任务，但这对中国快速增长的太空雄心至关重要。” 中国空间技术研究院项目团队指出，中国利用空间站展开的这项工作规模比以往在利用卫星上的平台测试要大得多。

《南华早报》甚至认为，对于中国而言，目前在该领域的最大竞争压力并不再是来自美国国家航空航天局(NASA)，而是来自以SpaceX为代表的的私营航天企业。而NASA直到2023年才最终决定让两家私人承包商为其未来重要的太空任务设计和制造一种新的芯片，涉及载人登月和火星探测。这种基于开源RISC-V架构的新芯片将比以前的处理器快100倍，预计将于2025年进入市场。

航天专家认为，未来几年，全球对高性能、低成本宇航级芯片的需求将呈爆炸式增长。而“星链”卫星使用大量廉价的商用芯片，由于所需数量大，所以预期寿命短。

尽管中国缺乏先进芯片工艺制造设备，但中国拥有大量的深紫外光刻机，部分成熟制程设备也能自主供给，能够以低成本生产大量芯片。此前，北斗总师就曾披露，北斗三号卫星的“心脏”使用国产龙芯CPU(即龙芯3A抗辐照型)，同时还用上了国产FPGA、ASIC和微波器件等，核心器件实现100%自主可控，彻底扭转卫星关键部件依赖进口受制于人的局面。

据北京微电子技术研究所(772所)公布的信息显示，772所为神舟十四号载人飞船的制导控制系统、数管系统、仪表与照明等6个分系统提供了高可靠CPU、FPGA套片、大容量SRAM、高速AD/DA等36款共计3000余只宇航用集成电路，成功保障了飞船的发射任务。

未来，中国的目标是开发各种高性能芯片，以使这些芯片可以在轨道上长时间保持稳定可靠的运行。同时，中国计划建立一个与“星链”一较高下的卫星互联网体系，以使中国的卫星不仅能够处理通信功能，还能携带传感器监测地球和太空。

——文章源自电子工程专辑，侵权删

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