在我們的產(chǎn)業(yè)里面，有這樣一條“隱蔽的戰(zhàn)線”，他們不喧囂，不折騰，不開領(lǐng)袖峰會，也不上高峰論壇，表面上他們過著與普通人無異的“油鹽醬粗柴”生活，可誰能知道背后的故事：為了航天事業(yè)，他們“獻(xiàn)了青春獻(xiàn)子孫”。他們從大山里走出來，他們心里裝的仍然是維系“國家安全”“航天事業(yè)”這樣的大事。從“天宮二號”、“神舟十一號”到這次的“天舟一號“，一個個看起來不起眼的半導(dǎo)體元器件，組成了堅不可摧的航天器系統(tǒng)的“萬里長城”，這些宇航級元器件就是他們生命的意義。

01“天舟一號”發(fā)射：國產(chǎn)化芯片功不可沒

對于中國這次“天舟一號”的發(fā)射，俄羅斯《航空全景》雜志主編謝爾蓋.費里科夫這樣描述：“中國正在走蘇聯(lián)走過的路，但(中國飛船的)機(jī)載設(shè)備要好得多，所采用的數(shù)字化技術(shù)在無人航天和載人航天領(lǐng)域有很大前景……對于宇宙空間存在的電離輻射問題，如果中國掌握了這種可靠性芯片技術(shù)，就可以使電子設(shè)備免受這種電離輻射的破壞，可以說這種微芯片結(jié)構(gòu)是中國航天向前邁出一大步的主要功臣。”

謝爾蓋.費里科夫提到的抗輻射技術(shù)，是航天領(lǐng)域芯片設(shè)計中始終繞不過的一道難題。首先，宇航級元器件與在大氣層使用的環(huán)境不同。在太空環(huán)境中，物體的溫度取決于太陽光照，由于沒有空氣散熱，受光面和被光面溫差非常大。以軌道高度為300至400km的軌道的溫度為例，受光面溫度約為150℃，背光面溫度約為-127℃，溫差約為300℃。

在太空環(huán)境中，宇宙輻射是不可避免的，而宇宙輻射恰恰會對芯片造成損壞。半導(dǎo)體器件中的數(shù)字和模擬集成電路的輻射效應(yīng)一般分為：

總劑量效應(yīng)(TID)

單粒子效應(yīng)(SEE)

劑量率效應(yīng)(Dose Rate)

總劑量效應(yīng)源于由γ光子、質(zhì)子和中子照射所引發(fā)的氧化層電荷陷阱或位移破壞，包括漏電流增加、MOSFET閾值漂移，以及雙極晶體管的增益衰減。

單粒子效應(yīng)是由輻射環(huán)境中的高能粒子(質(zhì)子、中子、α粒子和其他重離子)轟擊微電子電路的敏感區(qū)引發(fā)的。在p-n結(jié)兩端產(chǎn)生電荷的單粒子效應(yīng)，可引發(fā)軟誤差、電路閉鎖或元件燒毀。SEE中的單粒子翻轉(zhuǎn)會導(dǎo)致電路節(jié)點的邏輯狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

劑量率效應(yīng)是由甚高速率的γ或X射線，在極短時間內(nèi)作用于電路，并在整個電路內(nèi)產(chǎn)生光電流引發(fā)的，可導(dǎo)致閉鎖、燒毀和軌電壓坍塌等破壞。

上述情況都會導(dǎo)致芯片損毀。

正因為如此，商業(yè)級、工業(yè)級、軍品級、宇航級芯片有著不同標(biāo)準(zhǔn)。由于各種測試非常多，數(shù)據(jù)指標(biāo)也非常細(xì)，這里僅就工作溫度做區(qū)別：

商業(yè)級芯片的工作溫度為0℃～70℃。

工業(yè)級芯片的工作溫度為-40℃～85℃。

軍品級芯片的工作溫度為-55℃～125℃。

宇航級芯片不僅在工作溫度上有著不亞于軍品級芯片的水準(zhǔn)，而且還有抗輻射等方面的要求。

02抗輻射電路：助力“天舟一號”鳳翥鸞翔

長期以來抗輻射電路一直是航天人力爭攻克的目標(biāo)之一。這種抗輻射電路由于國外長期的禁運，只能做到自力更生依靠自己。我國在抗輻射電路技術(shù)研發(fā)上投入了大量資金，并取得了不小的進(jìn)步?？梢哉f，這次“天舟一號”飛船發(fā)射的功臣之一就是抗輻射電路。

抗輻射加固技術(shù)，主要有設(shè)計和工藝兩種加固技術(shù)。采用那一種需要根據(jù)實際情況，有時候也會組合使用。從廣義上講，抗輻射加固設(shè)計包括材料設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計、器件設(shè)計、封裝設(shè)計、軟件設(shè)計等。從狹義上講，一般是指在電路設(shè)計和版圖設(shè)計上采用一些減輕電離輻射破壞的方法。

從系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、電路、器件級的設(shè)計技術(shù)方面進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計一般采用以下方式：

一是采用多級別冗余的方法減輕輻射破壞，這些級別分為元件級、板級、系統(tǒng)級和飛行器級。

二是采用冗余或加倍結(jié)構(gòu)元件(如三模塊冗余)的邏輯電路設(shè)計方法，即投票電路根據(jù)最少兩位的投票確定輸出邏輯。

三是采用電路設(shè)計和版圖設(shè)計以減輕電離輻射破壞的方法。即采用隔離、補(bǔ)償或校正、去耦、抗閂鎖等電路技術(shù)，以及摻雜阱和隔離槽芯片布局設(shè)計。

四是加入誤差檢測和校正電路，或者自修復(fù)和自重構(gòu)功能。

此外，使用加固模擬/混合信號IP技術(shù)和SIGE加固設(shè)計技術(shù)也是提升芯片抗輻射能力的有效途徑。

抗輻射電路加固專用工藝越來越多地與加固設(shè)計結(jié)合使用。因為抗輻射加固工藝技術(shù)具有非常高的專業(yè)化屬性和高復(fù)雜性，因此只有少數(shù)幾個廠家能夠掌握該項技術(shù)。例如，單粒子加固的SOI工藝和SOS工藝，總劑量加固的小幾何尺寸CMOS工藝，IBM的45nm SOI工藝，Honeywell的50nm工藝，以及BAE外延CMOS工藝等。

03“天舟一號”國產(chǎn)化芯片大閱兵

1、航天第九研究院：1553B總線控制芯片

1553B總線是美國軍方專為飛行設(shè)備制定的一種信息傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)，每個國家根據(jù)本國的情況，可參考該標(biāo)準(zhǔn)制定出自己的總線協(xié)議。這個系統(tǒng)的核心芯片就是總線控制芯片，它的主要功能是對處理器的所有訪問及總線上的所有數(shù)據(jù)實施實時監(jiān)控，使控制系統(tǒng)在不修改飛行程序控制流程的情況下獲得更多原始數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的問題和隱患，為系統(tǒng)的故障定位提供判斷依據(jù)。

由于國外的對華先進(jìn)設(shè)備禁運，1553B芯片的空缺嚴(yán)重制約我國航天業(yè)發(fā)展。因此，研究研制具有高可靠性的抗輻射1553B數(shù)據(jù)總線接口芯片具有重要意義。十多年前，筆者在原老東家航天771所就曾參加過1553B芯片(CMOS工藝)的研制工作，同時當(dāng)時的電子部、航空工業(yè)部也都開展了1553B芯片的預(yù)研工作，可謂“三駕馬車”意欲攻克一個目標(biāo)。幾年前，筆者又從航天772所獲悉這個芯片的國產(chǎn)化終于取得了重要進(jìn)展，宇航級抗輻射性能也取得了突破。這次“天舟一號”使用的1553B總線系統(tǒng)，1553B芯片的國產(chǎn)化理應(yīng)位列頭功。

2、航天九院772研究所：微處理器/智能通用刷新控制電路

航天九院772研究所研制的多款關(guān)鍵核心元器件被用在了“天舟一號”上，其中一款微處理器芯片，負(fù)責(zé)接收地面命令、處理載荷數(shù)據(jù)、管理控制姿態(tài)，它的核心地位和復(fù)雜性使它堪稱體現(xiàn)我國宇航級元器件水平的代表。

第一代智能通用刷新控制電路，也是772所為此次發(fā)射配套研制的一款高可靠性抗輻射刷新控制電路。除此之外，772所研制的多款型號器件也被用在了“天舟一號”，這些國產(chǎn)化的電路在型號上的應(yīng)用，有效保證了核心宇航器件的自主可控。

3、中科芯(58所)：電子控制系統(tǒng)核心芯片

中科芯(58所)研發(fā)的兩款核心芯片，主要用于“天舟一號”的電子控制系統(tǒng)，用來控制飛船動作，“無論捕捉、緩沖還是拉近，都可以使飛船做到毫厘不差“，中科芯的工程師介紹說。“天舟一號”電子控制系統(tǒng)就像飛船的大腦和神經(jīng)，這兩款芯片就像“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，發(fā)出無數(shù)條支線數(shù)據(jù)命令，連接飛船各個“器官”間的數(shù)據(jù)通信，控制飛船完成各種高難度動作。

4、中國電科：全新自主“神經(jīng)系統(tǒng)”傳感器

這次“天舟一號”使用了中國電子科技集團(tuán)研制的10余種70多只自主研發(fā)的傳感器。如果把控制系統(tǒng)芯片比作“大腦”，這些傳感器芯片就是飛船的“神經(jīng)元”。這些全部國產(chǎn)的傳感器，實現(xiàn)了核心器件的自主可控。傳感器種類覆蓋了壓力、溫度、濕度、氧氣、二氧化碳、離子感煙、差定溫等，可實現(xiàn)環(huán)境檢測與控制及飛行姿態(tài)調(diào)整。

5、西安電子科技大學(xué)/航天五院：首顆宇航級高速圖像壓縮芯片

在隨“神舟一號”升空的“快遞包裹”中，有一顆肩負(fù)對地觀測任務(wù)的科學(xué)實驗衛(wèi)星“絲路一號”01星，該星搭載了一顆我國自主研制的首顆宇航級高速圖像壓縮芯片。這顆冠名“雅芯-天圖“的圖像處理芯片是航天五院513所與西安電子科技大學(xué)密切協(xié)作，經(jīng)過4年多的努力，攻克了高效圖像壓縮算法、高速并行硬件架構(gòu)、抗輻照設(shè)計等多項關(guān)鍵技術(shù)，終于研制成功我國第一顆航天級圖像壓縮芯片。

這顆芯片的背景是國家十二五支持的重大專項。項目于2015年1月通過驗收，一年多時間就進(jìn)入到航天實戰(zhàn)應(yīng)用，不能不說是一個奇跡。

6、中國電科43所：DC/DC電源管理

中國電科43所為此次“天舟一號“發(fā)射的運載系統(tǒng)和飛船系統(tǒng)配套研制了多款電源管理產(chǎn)品。其中包括天舟飛船使用的六大系列22個品種的DC/DC電源模塊。43所的工程師形容它們的特點有“三最”：系列化程度最高、品種數(shù)最多、功率覆蓋最全。這些電源管理產(chǎn)品將航天器母線電壓提升了近4倍，有效提升了飛船的載荷能力和供電總效率。