从传感器到微处理器，这才是真正的“天舟一号”中国芯实力解读

在我们的产业里面，有这样一条“隐蔽的战线”，他们不喧嚣，不折腾，不开领袖峰会，也不上高峰论坛，表面上他们过着与普通人无异的“油盐酱粗柴”生活，可谁能知道背后的故事：为了航天事业，他们“献了青春献子孙”。他们从大山里走出来，他们心里装的仍然是维系“国家安全”“航天事业”这样的大事。从“天宫二号”、“神舟十一号”到这次的“天舟一号“，一个个看起来不起眼的半导体元器件，组成了坚不可摧的航天器系统的“万里长城”，这些宇航级元器件就是他们生命的意义。

01“天舟一号”发射：国产化芯片功不可没

对于中国这次“天舟一号”的发射，俄罗斯《航空全景》杂志主编谢尔盖.费里科夫这样描述：“中国正在走苏联走过的路，但(中国飞船的)机载设备要好得多，所采用的数字化技术在无人航天和载人航天领域有很大前景……对于宇宙空间存在的电离辐射问题，如果中国掌握了这种可靠性芯片技术，就可以使电子设备免受这种电离辐射的破坏，可以说这种微芯片结构是中国航天向前迈出一大步的主要功臣。”

谢尔盖.费里科夫提到的抗辐射技术，是航天领域芯片设计中始终绕不过的一道难题。首先，宇航级元器件与在大气层使用的环境不同。在太空环境中，物体的温度取决于太阳光照，由于没有空气散热，受光面和被光面温差非常大。以轨道高度为300至400km的轨道的温度为例，受光面温度约为150℃，背光面温度约为-127℃，温差约为300℃。

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芯片造成损坏。半导体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)

剂量率效应(Dose Rate)

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。

单粒子效应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。

正因为如此，商业级、工业级、军品级、宇航级芯片有着不同标准。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区别：

商业级芯片的工作温度为0℃～70℃。

工业级芯片的工作温度为-40℃～85℃。

军品级芯片的工作温度为-55℃～125℃。

宇航级芯片不仅在工作温度上有着不亚于军品级芯片的水准，而且还有抗辐射等方面的要求。

02抗辐射电路：助力“天舟一号”凤翥鸾翔

长期以来抗辐射电路一直是航天人力争攻克的目标之一。这种抗辐射电路由于国外长期的禁运，只能做到自力更生依靠自己。我国在抗辐射电路技术研发上投入了大量资金，并取得了不小的进步。可以说，这次“天舟一号”飞船发射的功臣之一就是抗辐射电路。

抗辐射加固技术，主要有设计和工艺两种加固技术。采用那一种需要根据实际情况，有时候也会组合使用。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，一般是指在电路设计和版图设计上采用一些减轻电离辐射破坏的方法。

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一般采用以下方式：

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、抗闩锁等电路技术，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。

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。

抗辐射电路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。

03“天舟一号”国产化芯片大阅兵

1、航天第九研究院：1553B总线控制芯片

1553B总线是美国军方专为飞行设备制定的一种信息传输总线标准，每个国家根据本国的情况，可参考该标准制定出自己的总线协议。这个系统的核心芯片就是总线控制芯片，它的主要功能是对处理器的所有访问及总线上的所有数据实施实时监控，使控制系统在不修改飞行程序控制流程的情况下获得更多原始数据，及时发现系统中存在的问题和隐患，为系统的故障定位提供判断依据。

由于国外的对华先进设备禁运，1553B芯片的空缺严重制约我国航天业发展。因此，研究研制具有高可靠性的抗辐射1553B数据总线接口芯片具有重要意义。十多年前，笔者在原老东家航天771所就曾参加过1553B芯片(CMOS工艺)的研制工作，同时当时的电子部、航空工业部也都开展了1553B芯片的预研工作，可谓“三驾马车”意欲攻克一个目标。几年前，笔者又从航天772所获悉这个芯片的国产化终于取得了重要进展，宇航级抗辐射性能也取得了突破。这次“天舟一号”使用的1553B总线系统，1553B芯片的国产化理应位列头功。

2、航天九院772研究所：微处理器/智能通用刷新控制电路

航天九院772研究所研制的多款关键核心元器件被用在了“天舟一号”上，其中一款微处理器芯片，负责接收地面命令、处理载荷数据、管理控制姿态，它的核心地位和复杂性使它堪称体现我国宇航级元器件水平的代表。

第一代智能通用刷新控制电路，也是772所为此次发射配套研制的一款高可靠性抗辐射刷新控制电路。除此之外，772所研制的多款型号器件也被用在了“天舟一号”，这些国产化的电路在型号上的应用，有效保证了核心宇航器件的自主可控。

3、中科芯(58所)：电子控制系统核心芯片

中科芯(58所)研发的两款核心芯片，主要用于“天舟一号”的电子控制系统，用来控制飞船动作，“无论捕捉、缓冲还是拉近，都可以使飞船做到毫厘不差“，中科芯的工程师介绍说。“天舟一号”电子控制系统就像飞船的大脑和神经，这两款芯片就像“神经网络”，发出无数条支线数据命令，连接飞船各个“器官”间的数据通信，控制飞船完成各种高难度动作。

4、中国电科：全新自主“神经系统”传感器

这次“天舟一号”使用了中国电子科技集团研制的10余种70多只自主研发的传感器。如果把控制系统芯片比作“大脑”，这些传感器芯片就是飞船的“神经元”。这些全部国产的传感器，实现了核心器件的自主可控。传感器种类覆盖了压力、温度、湿度、氧气、二氧化碳、离子感烟、差定温等，可实现环境检测与控制及飞行姿态调整。

5、西安电子科技大学/航天五院：首颗宇航级高速图像压缩芯片

在随“神舟一号”升空的“快递包裹”中，有一颗肩负对地观测任务的科学实验卫星“丝路一号”01星，该星搭载了一颗我国自主研制的首颗宇航级高速图像压缩芯片。这颗冠名“雅芯-天图“的图像处理芯片是航天五院513所与西安电子科技大学密切协作，经过4年多的努力，攻克了高效图像压缩算法、高速并行硬件架构、抗辐照设计等多项关键技术，终于研制成功我国第一颗航天级图像压缩芯片。

这颗芯片的背景是国家十二五支持的重大专项。项目于2015年1月通过验收，一年多时间就进入到航天实战应用，不能不说是一个奇迹。

6、中国电科43所：DC/DC电源管理

中国电科43所为此次“天舟一号“发射的运载系统和飞船系统配套研制了多款电源管理产品。其中包括天舟飞船使用的六大系列22个品种的DC/DC电源模块。43所的工程师形容它们的特点有“三最”：系列化程度最高、品种数最多、功率覆盖最全。这些电源管理产品将航天器母线电压提升了近4倍，有效提升了飞船的载荷能力和供电总效率。