科工力量：嫦娥玉兔CPU弱，手機都比它強？
【文/ 鐵君】
日前，有網友在知乎上提問，為何“玉兔”、“嫦娥”裏CPU內存配置性能這麼弱，手機都比玉兔強。這位網友之所以這樣提問，其實是沒搞清楚宇航級芯片和消費電子級芯片的差異？另外，就宇航級CPU來説，中國在這方面頗有建樹，連俄羅斯都有意購買中國宇航級芯片。
宇航級CPU看重的是穩定性和可靠性
宇航級CPU構成了人造衞星的大腦，為了能在星際空間這樣的惡劣條件下工作，不僅要應對極端苛刻的高温和低温，還要能應對無處不在的宇宙輻射。
在太空環境中，物體的温度取決於太陽的光照，由於不存在空氣散熱，受光面和被光面温差非常大，以軌道高度為300至400km的軌道温度為例，受光面温度約為150℃，背光面温度約為-127℃，温差約為300℃。正是因此，美國的航天飛機艙外航天服的耐温閾值為：高温149攝氏度，低温-184.4攝氏度。
在太空環境中，宇宙輻射是不可避免的，而宇宙輻射恰恰會對CPU造成損壞。微電子器件中的數字和模擬集成電路的輻射效應一般分為總劑量效應（TID）、單粒子效應（SEE）和劑量率（Dose Rate）效應。
總劑量效應源於由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，以及雙極晶體管的增益衰減。
SEE是由輻射環境中的高能粒子（質子、中子、α粒子和其他重離子）轟擊微電子電路的敏感區引發的。在ｐ－ｎ結兩端產生電荷的單粒子效應，可引發軟誤差、電路閉鎖或元件燒燬。SEE中的單粒子翻轉會導致電路節點的邏輯狀態發生翻轉。
劑量率效應是由甚高速率的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引發的，可導致閉鎖、燒燬和軌電壓坍塌等破壞。上述情況都會導致芯片損毀。
正是因此，商業級、工業級、軍品級、宇航級CPU有着不同標準。由於各種測試非常多，數據指標也非常細，這裏僅就工作温度做羅列：
商業級CPU的工作温度為0℃～70℃。
工業級CPU的工作温度為-40℃～85℃。
軍品級CPU的工作温度為-55℃～125℃。
宇航級CPU不僅在工作温度上有着不亞於軍品級CPU的水準，而且還有抗輻射等方面的要求。其實，中美的宇航級CPU性能都是夠用就好，關鍵在於CPU要穩定可靠，天宮一號上的CPU主頻也就10Mhz，美國好奇號火星車上的CPU主頻也只有200Mhz。按照如今手機CPU的主頻來説，這些國之重器上的CPU簡直弱爆了。但只要可靠穩定，CPU性能夠用，那就是合格產品，如果把手機CPU搬上太空，雖然這些CPU性能上更強，但無法適應太空環境。
宇航級CPU如何做到抗輻射
有人説，抗輻射技術不就是給芯片加一個抗輻射封裝麼？這有什麼難的。其實封裝對芯片的保護是有限的，高能粒子流可以打穿芯片的封裝材料，進入芯片內部對芯片造成破壞。
抗輻射加固主要有設計和工藝兩種加固技術，或者根據需要組合使用這兩種技術。
從廣義上講，抗輻射加固設計包括材料設計、系統設計、結構設計、電路設計、器件設計、封裝設計、軟件設計等。從狹義上講，一般是指採用電路設計和版圖設計減輕電離輻射破壞的方法。
工藝加固是用特殊的工藝進行抗輻射加固的技術。工藝步驟可以是製造商或軍方專有的，也可以是以加固為目的，將特殊的工藝步驟加入到標準制造商的晶圓製造工藝中去。抗輻射加固工藝技術具有高度的專業化屬性和很高的複雜性。
從系統、結構、電路、器件級的設計技術方面進行抗輻射加固設計可以採用以下方式進行抗輻射加固設計：
一是採用多級別冗餘的方法減輕輻射破壞，這些級別分為元件級、板級、系統級和飛行器級。
二是採用冗餘或加倍結構元件（如三模塊冗餘）的邏輯電路設計方法，即投票電路根據最少兩位的投票確定輸出邏輯。
三是採用電路設計和版圖設計以減輕電離輻射破壞的方法。即採用隔離、補償或校正、去耦等電路技術，以及摻雜阱和隔離槽芯片佈局設計。
四是加入誤差檢測和校正電路，或者自修復和自重構功能。
五是採用電路設計和版圖設計以減輕電離輻射破壞的方法。即採用隔離、補償或校正、去耦等電路技術，以及摻雜阱和隔離槽芯片佈局設計。
此外，使用加固模擬／混合信號IP技術和SIGE加固設計技術也是提升芯片抗輻射能力的有效途徑。
抗輻射芯片加固專用工藝越來越多地與加固設計結合使用。因為抗輻射加固工藝技術具有非常高的專業化屬性和高複雜性，因此只有少數幾個廠家能夠掌握該項技術。例如，單粒子加固的SOI工藝和SOS工藝，總劑量加固的小几何尺寸CMOS工藝，IBM的45nm SOI工藝，Honeywell的50nm工藝，以及BAE外延CMOS工藝等。
國產宇航級CPU追平美國高端產品
在很長一段時間，中國的星載計算機處理器大多依賴進口，國產的人造衞星也大多使用進口CPU。而美國為首的西方國家嚴格限制高性能的宇航級和軍品級CPU的出口，使我國星載計算機的研製受到很大的限制。
國內抗輻照CPU技術路線分為兩條，一條是自主研發路線，一條是引進開源代碼或逆向路線。前者的代表是龍芯。後者的代表如應用於航天的386EX，被用於遙感X號、風雲X號、試驗X號等衞星的國產版P1750，以及某單位基於SPARC開源代碼修改設計的BM3802RH和BM3803MGRH。
就性能來説，逆向或開源代碼修改設計的宇航級CPU，其性能已經被原始設計框死了，老外的原始設計是什麼性能，我們逆向過來就是什麼性能。隨着時間的推移，大多存在性能偏低的問題。P1750、386EX性能都低於50MIPS，BM3802RH、PowerPC603e雖然超過了100MIPS，已經強於RAD6000，與歐洲的LEON不相上下（BM3802RH和LEON其實是兄弟，性能自然接近），但和美國的RAD750相比還有不小的差距——RAD750的計算性能達240—400MIPS。
而走自主路線則有一個好處，那就是具備自主的技術迭代能力，2015年發射的北斗雙星實現了100%採用國產CPU，在北斗雙星上搭載了龍芯1E和龍芯1F，性能指標為200MIPS。
更可貴的是，早在2016年，龍芯1E和龍芯1F的售價僅為幾萬元一片，而當時西方願意出售給中國的宇航級芯片中，像性能為100MIPS的美國ATMELAT697要20萬到30萬一片（嫦娥四號用的就是ATMELAT697），性能更好價格高達上百萬元一片。
2017年，龍芯1E300問世，使用64位雙發射GS264處理器核，128位向量，增加Spacewire總線，主頻200Mhz，400MIPS。這個指標已經達到美國高端抗輻照芯片的水平。
目前，自主宇航級CPU已經有了一定應用，比如某衞星中就採用龍芯1E300+ 1F設計方案替代原有的AT697方案。又比如北京某公司、成都某所、上海某所的光纖陀螺、太陽敏感器、地球敏感器等，均採用龍芯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，前俄羅斯副總理、俄航天國家集團公司總經理德米特里·羅戈津表示，俄羅斯希望從中國購買微電子設備，而俄方已經準備好向中國出售火箭發動機。德米特里·羅戈津之所以如此表態，主要是因為自烏克蘭危機之後，歐洲對俄羅斯進行制裁，而航天系單位的SPARC CPU與歐洲的LEON是兄弟，這使俄羅斯開始向中國尋求幫助。
（作者微信公眾號：tieliu1888）
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