科工力量：嫦娥玉兔CPU弱，手机都比它强？

【文/ 铁君】

日前，有网友在知乎上提问，为何“玉兔”、“嫦娥”里CPU内存配置性能这么弱，手机都比玉兔强。这位网友之所以这样提问，其实是没搞清楚宇航级芯片和消费电子级芯片的差异？另外，就宇航级CPU来说，中国在这方面颇有建树，连俄罗斯都有意购买中国宇航级芯片。

宇航级CPU看重的是稳定性和可靠性

宇航级CPU构成了人造卫星的大脑，为了能在星际空间这样的恶劣条件下工作，不仅要应对极端苛刻的高温和低温，还要能应对无处不在的宇宙辐射。

在太空环境中，物体的温度取决于太阳的光照，由于不存在空气散热，受光面和被光面温差非常大，以轨道高度为300至400km的轨道温度为例，受光面温度约为150℃，背光面温度约为-127℃，温差约为300℃。正是因此，美国的航天飞机舱外航天服的耐温阈值为：高温149摄氏度，低温-184.4摄氏度。

在太空环境中，宇宙辐射是不可避免的，而宇宙辐射恰恰会对CPU造成损坏。微电子器件中的数字和模拟集成电路的辐射效应一般分为总剂量效应（TID）、单粒子效应（SEE）和剂量率（Dose Rate）效应。

总剂量效应源于由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。

SEE是由辐射环境中的高能粒子（质子、中子、α粒子和其他重离子）轰击微电子电路的敏感区引发的。在ｐ－ｎ结两端产生电荷的单粒子效应，可引发软误差、电路闭锁或元件烧毁。SEE中的单粒子翻转会导致电路节点的逻辑状态发生翻转。

剂量率效应是由甚高速率的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引发的，可导致闭锁、烧毁和轨电压坍塌等破坏。上述情况都会导致芯片损毁。

正是因此，商业级、工业级、军品级、宇航级CPU有着不同标准。由于各种测试非常多，数据指标也非常细，这里仅就工作温度做罗列：

商业级CPU的工作温度为0℃～70℃。

工业级CPU的工作温度为-40℃～85℃。

军品级CPU的工作温度为-55℃～125℃。

宇航级CPU不仅在工作温度上有着不亚于军品级CPU的水准，而且还有抗辐射等方面的要求。其实，中美的宇航级CPU性能都是够用就好，关键在于CPU要稳定可靠，天宫一号上的CPU主频也就10Mhz，美国好奇号火星车上的CPU主频也只有200Mhz。按照如今手机CPU的主频来说，这些国之重器上的CPU简直弱爆了。但只要可靠稳定，CPU性能够用，那就是合格产品，如果把手机CPU搬上太空，虽然这些CPU性能上更强，但无法适应太空环境。

宇航级CPU如何做到抗辐射

有人说，抗辐射技术不就是给芯片加一个抗辐射封装么？这有什么难的。其实封装对芯片的保护是有限的，高能粒子流可以打穿芯片的封装材料，进入芯片内部对芯片造成破坏。

抗辐射加固主要有设计和工艺两种加固技术，或者根据需要组合使用这两种技术。

从广义上讲，抗辐射加固设计包括材料设计、系统设计、结构设计、电路设计、器件设计、封装设计、软件设计等。从狭义上讲，一般是指采用电路设计和版图设计减轻电离辐射破坏的方法。

工艺加固是用特殊的工艺进行抗辐射加固的技术。工艺步骤可以是制造商或军方专有的，也可以是以加固为目的，将特殊的工艺步骤加入到标准制造商的晶圆制造工艺中去。抗辐射加固工艺技术具有高度的专业化属性和很高的复杂性。

从系统、结构、电路、器件级的设计技术方面进行抗辐射加固设计可以采用以下方式进行抗辐射加固设计：

一是采用多级别冗余的方法减轻辐射破坏，这些级别分为元件级、板级、系统级和飞行器级。

二是采用冗余或加倍结构元件（如三模块冗余）的逻辑电路设计方法，即投票电路根据最少两位的投票确定输出逻辑。

三是采用电路设计和版图设计以减轻电离辐射破坏的方法。即采用隔离、补偿或校正、去耦等电路技术，以及掺杂阱和隔离槽芯片布局设计。

四是加入误差检测和校正电路，或者自修复和自重构功能。

五是采用电路设计和版图设计以减轻电离辐射破坏的方法。即采用隔离、补偿或校正、去耦等电路技术，以及掺杂阱和隔离槽芯片布局设计。

此外，使用加固模拟／混合信号IP技术和SIGE加固设计技术也是提升芯片抗辐射能力的有效途径。

抗辐射芯片加固专用工艺越来越多地与加固设计结合使用。因为抗辐射加固工艺技术具有非常高的专业化属性和高复杂性，因此只有少数几个厂家能够掌握该项技术。例如，单粒子加固的SOI工艺和SOS工艺，总剂量加固的小几何尺寸CMOS工艺，IBM的45nm SOI工艺，Honeywell的50nm工艺，以及BAE外延CMOS工艺等。

国产宇航级CPU追平美国高端产品

在很长一段时间，中国的星载计算机处理器大多依赖进口，国产的人造卫星也大多使用进口CPU。而美国为首的西方国家严格限制高性能的宇航级和军品级CPU的出口，使我国星载计算机的研制受到很大的限制。

国内抗辐照CPU技术路线分为两条，一条是自主研发路线，一条是引进开源代码或逆向路线。前者的代表是龙芯。后者的代表如应用于航天的386EX，被用于遥感X号、风云X号、试验X号等卫星的国产版P1750，以及某单位基于SPARC开源代码修改设计的BM3802RH和BM3803MGRH。

就性能来说，逆向或开源代码修改设计的宇航级CPU，其性能已经被原始设计框死了，老外的原始设计是什么性能，我们逆向过来就是什么性能。随着时间的推移，大多存在性能偏低的问题。P1750、386EX性能都低于50MIPS，BM3802RH、PowerPC603e虽然超过了100MIPS，已经强于RAD6000，与欧洲的LEON不相上下（BM3802RH和LEON其实是兄弟，性能自然接近），但和美国的RAD750相比还有不小的差距——RAD750的计算性能达240—400MIPS。

而走自主路线则有一个好处，那就是具备自主的技术迭代能力，2015年发射的北斗双星实现了100%采用国产CPU，在北斗双星上搭载了龙芯1E和龙芯1F，性能指标为200MIPS。

更可贵的是，早在2016年，龙芯1E和龙芯1F的售价仅为几万元一片，而当时西方愿意出售给中国的宇航级芯片中，像性能为100MIPS的美国ATMELAT697要20万到30万一片（嫦娥四号用的就是ATMELAT697），性能更好价格高达上百万元一片。

2017年，龙芯1E300问世，使用64位双发射GS264处理器核，128位向量，增加Spacewire总线，主频200Mhz，400MIPS。这个指标已经达到美国高端抗辐照芯片的水平。

目前，自主宇航级CPU已经有了一定应用，比如某卫星中就采用龙芯1E300+ 1F设计方案替代原有的AT697方案。又比如北京某公司、成都某所、上海某所的光纤陀螺、太阳敏感器、地球敏感器等，均采用龙芯1E+ FPGA方案替代原有AT697+ FPGA和部分DSP+ FPGA的方案。

在2019年莫斯科航展（MAKS2019）上，前俄罗斯副总理、俄航天国家集团公司总经理德米特里·罗戈津表示，俄罗斯希望从中国购买微电子设备，而俄方已经准备好向中国出售火箭发动机。德米特里·罗戈津之所以如此表态，主要是因为自乌克兰危机之后，欧洲对俄罗斯进行制裁，而航天系单位的SPARC CPU与欧洲的LEON是兄弟，这使俄罗斯开始向中国寻求帮助。

（作者微信公众号：tieliu1888）

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