隨著科技的不斷發展，太空領域已成為各國競爭的焦點。1月24日，據香港《南華早報》報道，中國正利用自己的“天宮”空間站測試各種晶片處理器並取得技術優勢。該報指出，如此大規模的在軌晶片測試，對於中國的太空雄心可謂是至關重要。
2023年11月28日，中國載人航天工程首次對外發布由神舟十六號乘組返回地面前手持高畫質相機，透過飛船繞飛拍攝的空間站組合體全景照片。圖源：中國載人航天工程辦公室
根據報道，中國利用“天宮”空間站對數百款各類晶片進行在軌測試，其中包括16nm高效能晶片。同時，未來還有更多國內晶片製造商正排隊等待接受嚴格的太空測試，中國的目標是開發各種可在軌道上長時間保持穩定可靠執行的高效能晶片。
為何要在太空測試晶片?
毫無疑問，在外太空測試晶片，是一項艱鉅而具有挑戰性、前瞻性的任務。
據悉，太空級晶片是一種高度整合的電子晶片。這些晶片能夠在極其惡劣的環境中正常工作，比如承受高達幾千戈瑞的輻射強度、極高的溫度以及極低的氣壓條件。
對於在外太空測試晶片的重要性，有專業人士解釋：在太空環境中，存在著大量的高能粒子和宇宙射線。我們生活在被大氣層和地球磁層包裹著的地球表面，人們無法感受到這些射線和粒子破壞性。當這些粒子和射線穿透航天器，與元器件的材料相互作用，產生輻射效應，就會引起電子器件效能異常或損毀。比如，由γ光子、質子和中子照射所引發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，以及雙極電晶體的增益衰減。高能粒子(質子、中子、α粒子和其他重離子)轟擊微電子電路敏感區，引發在p-n結兩端產生電荷的單粒子效應，可導致軟誤差、電路閉鎖或元件燒燬。高速率的γ或X射線，在極短時間內作用於電路，並在整個電路內產生光電流，可導致閉鎖、燒燬和電壓坍塌等破壞。這些情況都會導致晶片損毀，特別是抗輻射設計對於太空級晶片來說，必不可少。
在太空環境中，由於缺少空氣的散熱，物體的表面溫度取決於太陽的光照。物體受光面和背光面的溫差非常大。以高度為300~400公里的軌道溫度為例，物體受光面溫度約為150℃，背光面溫度約為-127℃，溫差約為300℃。因此，散熱設計和寬溫設計，對於太空級晶片非常重要。另外，太空級晶片在生產過程中，要使用特殊的晶圓製造、加固、封裝等工藝來達到嚴苛的設計標準。
正是因為宇航級晶片的技術要求高、市場需求有限，導致其價格十分昂貴。比如，Xilinx宇航級晶片XQR5VFX130-1CF1752V封裝BGA,每片價格大於120萬人民幣，且有價無貨。宇航級晶片XQR4VSX55-10CF1140V封裝CLCC,每片價格大於50萬人民幣，ATMEL宇航晶片AT697F-KG-E封裝MQFP256，每片價格大於60萬等等。
如今，中國正利用自己的“天宮”空間站測試各種晶片處理器，進行國產替代並取得技術優勢，將有助於提高中國在太空領域的競爭力。
“天宮”帶來競爭優勢
據悉，美國NASA目前在太空中使用的晶片是基於已有30年曆史的技術。例如，2021年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，其中的RAD750處理器使用的是過時的250nm製程晶片，時鐘頻率僅為118兆赫，不及典型智慧手機晶片的一小部分。
2023年12月，中國空間技術研究院的專案團隊就在學術期刊《航天器環境工程》上發表了同行評議論文，其中稱，預計不久後將有更多的國內晶片製造商排隊等候，讓他們的頂級產品透過嚴格的太空測試。
據介紹，中國空間站現在可以同時測試100多個計算機處理器。同時，有超過20款全新的高效能晶片已經通過了測試，工藝製程範圍從28nm到16nm，這些晶片比其他國家在太空中所使用的晶片要先進得多。
2023年5月，的宇航級玉龍810A人工智慧晶片就搭載天舟六號貨運飛船，開展在軌試驗任務。試驗主要包括：人工智慧演算法執行、人工智慧模型切換、元器件可靠性檢測等。
目前，在“天宮”測試的晶片完全是在中國設計和製造的。在測試期間，晶片在中國獨立開發的Space OS作業系統上執行，該系統廣泛用於中國空間站和其他空間設施。
這篇論文也指出，中國的航天工程師也在“先進性”和“謹慎性”之間不斷權衡。一方面，他們希望採用人工智慧等先進技術，獲取新的太空應用所需的更高階處理能力;另一方面，隨著晶片上電晶體數量的增加，會更容易受到宇宙高能粒子的干擾，從而影響計算和資訊儲存的準確性。
眾所周知，中國空間站“天宮”，是我國建成的國家級太空實驗室，也是完全自建的空間站，給我國帶來了許多好處和便利。而國際空間站雖然也可進行類似實驗，但其規則規定，參與其中的國家都有權瞭解傳送到國際空間站的所有有效載荷的詳細資訊。這無疑將給涉及國家安全和技術機密的晶片測試帶來不便。
展示中國太空雄心
“在軌道上進行大規模晶片測試是一項艱鉅而具有挑戰性的任務，但這對中國快速增長的太空雄心至關重要。” 中國空間技術研究院專案團隊指出，中國利用空間站展開的這項工作規模比以往在利用衛星上的平臺測試要大得多。
《南華早報》甚至認為，對於中國而言，目前在該領域的最大競爭壓力並不再是來自美國國家航空航天局(NASA)，而是來自以SpaceX為代表的的私營航天企業。而NASA直到2023年才最終決定讓兩傢俬人承包商為其未來重要的太空任務設計和製造一種新的晶片，涉及載人登月和火星探測。這種基於開源RISC-V架構的新晶片將比以前的處理器快100倍，預計將於2025年進入市場。
航天專家認為，未來幾年，全球對高效能、低成本宇航級晶片的需求將呈爆炸式增長。而“星鏈”衛星使用大量廉價的商用晶片，由於所需數量大，所以預期壽命短。
儘管中國缺乏先進晶片工藝製造裝置，但中國擁有大量的深紫外光刻機，部分成熟製程裝置也能自主供給，能夠以低成本生產大量晶片。此前，北斗總師就曾披露，北斗三號衛星的“心臟”使用國產龍芯CPU(即龍芯3A抗輻照型)，同時還用上了國產FPGA、ASIC和微波器件等，核心器件實現100%自主可控，徹底扭轉衛星關鍵部件依賴進口受制於人的局面。
據北京微電子技術研究所(772所)公佈的資訊顯示，772所為神舟十四號載人飛船的制導控制系統、數管系統、儀表與照明等6個分系統提供了高可靠CPU、FPGA套片、大容量SRAM、高速AD/DA等36款共計3000餘隻宇航用積體電路，成功保障了飛船的發射任務。
未來，中國的目標是開發各種高效能晶片，以使這些晶片可以在軌道上長時間保持穩定可靠的執行。同時，中國計劃建立一個與“星鏈”一較高下的衛星網際網路體系，以使中國的衛星不僅能夠處理通訊功能，還能攜帶感測器監測地球和太空。
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本文轉載自“電子工程專輯”，原標題《中國在“天宮”空間站測試晶片，展示“太空雄心”》。
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