天宫空间站用上最先进芯片! 美媒: 美国最新航天器还在用30年前芯片

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《航天环境工程》在12月刊发的论文中给出了一个非常有趣的数据，目前我国已经在天宫空间站上测试16~28纳米制程的20多款CPU，但国际空间站以及美国的最新航天器上却仍然再用30多年前技术生产的CPU，有媒体称，中美之间的“芯片战争”已经从地面蔓延到了太空，而在这一局，中国似乎稳赢了美国！

天宫空间站用上最先进芯片!

这篇标题为《先进制程芯片在轨飞行验证通用系统设计》的论文称，中国目前已经完成了16 nm FinFET、28 nm亿门级FPGA、高速DAC等10类20余款国产芯片的在轨飞行验证，获取芯片的在轨飞行工作数据，开展芯片的空间适用性分析。
目的是通过在轨飞行验证，开展芯片的空间应用故障模式和辐射效应机理研究，完善其在轨使用策略，推动国产先进制程芯片抗辐射加固技术的发展。

为了这些芯片能在空间站中顺利测试并检验其是否能满足使用要求，空间站上还特别设计了测试架构与设备，采取双冗余冷备份硬件设计及软件容错方案。对外通过1553B外总线与数管系统进行通信，1553B接口为经典冗余热备份设计，具有A、B两条通道，在单通道故障情况下，可以将总线切换到另外一条通道上。
主控单元与试验单元通过CAN内总线获取各个试验单元上待试芯片的在轨飞行试验数据。该系统充分利用CAN总线的可扩展性，可将节点扩充至110个，以方便航天员定期在轨更换试验单元模块，开展芯片的在轨适应性验证任务。
天宫的实验柜：居然还能测试芯片？
各位一定是看得云里雾里的，论文也没有说明这个在轨测试到底是在什么航天器上在轨测试，但有一个说明暴露了使用环境“航天员定期在轨更换试验单元模块”，也就是天宫空间站，因为我国除了天宫空间站上有这个装备外其他都不具备。
天宫空间站上总共有三个试验区域可供试验，包括核心舱、问天实验舱和梦天实验舱，在《中国空间站科学实验资源手册》中能翻到实验柜以及用途的说明，其中涉及到微电子的试验的应该在舱内独立载荷资源的实验柜，手册中是这样描述的：

上图为各个实验舱的实验柜，估计各位应该找不到电子设备的实验柜，笔者认为应该在准备扩展的控制实验柜里，空间站配有空置实验机柜，当专用科学实验柜不能满足实验要求时或有其他特定的实验需求时，可采用标准模块组合的形式设计舱内的独立载荷，插入空置实验机柜开展实验。
信息接口支持支持接入 FC-AE-1553 光纤网络的有效载荷，能提供4Gbps速率通信，还支持接入1553B 总线的有效载荷，速率1Mbps，功率不大于500W，完全能满足主板+芯片测试的要求。

因此最有可能展开实验的就是这个“空置的实验机柜”里，不过这个不是关键，毕竟大家只关心结果，当然也不全是好事，只要有测试总归是有好也有坏的，比如某16 nm FinFET的BRAM芯片内存储单元受辐照后，反相器开关阈值减小，漏电流增大，导致FPGA的配置存储器抗翻转能力降低，SEU截面增大，这表示需要进一步测试，如果问题严重的话甚至还需要改进设计等。
为什么不用最新的先进芯片？
相信已经有很多网友在质疑了，16~28纳米制程的芯片也算最先进？估计连小学生都知道，CPU已进入3纳米时代，在研技术还要更高一些，请问16纳米制程的芯片怎么算最先进的？
笔者知道各位会有这个疑问，但本文还要给出一些数据，估计各位看了会惊掉下巴，据此前美媒的报道，当年国际空间站上使用的芯片还是十几年前的技术，而在2021年发射的、全球最强大的詹姆斯·韦伯太空望远镜使用的芯片还是RAD750，这颗CPU于2001年发布，工艺仅为150nm，TDP仅为5W，目前随便找个老人机的芯片都要比它强得多。

美国人用不起吗？显然不是！航天器上用老掉牙芯片的问题普遍存在，原因也很简单，太空中由于没有大气层的遮挡，因此遭到高能粒子轰击的可能性很高，比如来自太阳的高能带电粒子或者宇宙射线中的高能粒子，这些高能粒子的穿透性很强，可能会穿过重重屏蔽罩进入芯片内部，打在核心电路上，产生的强大的电信号可能会干扰正常工作的CPU产生错误指令信号。
为何会这样？如何避免问题的产生
航天器与在地面工作的电子设备是不一样的，航天器的环境会有大量的宇宙辐射，这些辐射中的高能粒子会穿透屏蔽层，这个有多重效果，比如引起半导体能带老化，产生错误电信号，轻则导致航天器重启，重则可能会失控。
据数据统计，从1971年到 1986年间，国外发射的39颗同步卫星共发生了1589次故障，有1129次故障与空间辐射有关，且其中的621次故障是由于单粒子效应导致的。还有两次著名的事件，一次日本的硬X射线望远镜“瞳”卫星在南大西洋磁异常区域时遭到了粒子轰击导致失控疯狂旋转解体，另一次是俄罗斯“福布斯·土壤”火星探测器带着中国的第一个火星探测器“萤火一号”在地火轨道转移时遭到宇宙射线轰击，火箭失控未能启动，轨道转移失败坠入大气层。

瞳卫星

单粒子效应后果非常严重，如何避免呢？可以加入额外的冗余电路，比如使用三模冗余（TMR）的方式，这是最具有代表的容错机制。同一时间三个功能相同的模块分别执行一样的操作，由于单粒子冲击时的电信号仅仅来自一路，“三选二”的投票器将会选出其余两路的正确结果，增强电路系统的可靠性。
冗余电路很强大，但成本很高，同样的电路需要三套！除了这方法外也可以用错误检测与纠正电路（Error Detection And Correction,EDAC）来防止突发的电信号误触发，但这种电路需要纠错、译码电路，因此结构较为复杂，不适宜用于高性能的数据通道中。

通常将冗余与纠错配合使用，比如通常会在逻辑电路设计中使用TMR，在存储器读写电路中使用EDAC。这就增加了额外的成本，导致CPU价格高昂，比如毅力号搭载的处理器型号为PowerPC 750，主频只有233MHz，但单价仍高达20 万美元。
不止是抗辐射要求：宇航级CPU要求多了
除了大家都知道的耐辐射要求外，宇航级CPU还有耐热以及抗寒性要求，太空环境没有空气流动，只能依靠辐射散热，在地球轨道附近时遭遇太阳直射，温度会升高到200℃以上，但当卫星运行到地球的阴影面时又会低至-100℃以下，这个高温-极寒轮番交替，比地狱条件还要恶劣，即使CPU在热泵技术下保持相对恒定的小环境，但条件依然要比地球上的CPU高得多，所以宇航级CPU的要求是相当变态的。
为什么宇航级CPU性能要求那么低？
这个问题其实好理解，因为这些都是专用CPU，并不像电脑与手机CPU那样需要处理各种数据，并且操作系统很小，只有几十KB，多的也不过MB大小，哪会像电脑操作系统那样动辄几个G，几十G的。

不过随着空间站的建设，这个要求正大幅度提高，比如除了空间站控制操作等CPU的高要求环境外，通用CPU的使用也正在增加，在宇航级CPU上我国早就实现了独立自主，早在2021年时北斗三号系统卫星总设计师林宝军出席公开活动时表示，北斗三号卫星目前核心器件包括国产龙芯CPU、国产FPGA、国产ASIC、载荷的微波器件等全部实现自主可控，这表示我国在龙芯CPU在宇航级使用上已经全面突破，并且在低纳米制程上开始在空间环境始终使用的测试。
这次《航天环境工程》爆出正在测试16nm的CPU，按CPU级别算应该已经达到了英特尔第六代酷睿处理器（代号Skylake）：比如i5-6600K、i7-6700K以及英特尔第七代酷睿处理器的性能，当然这只是制程，实际性能还要看CPU的参数。
天宫空间站VS国际空间站，外媒：中国空间站像苹果专卖店

有网友表示，拿天宫空间站去和26年前开建的国际空间站相比，是不是有点胜之不武？确实是这样，我们必须承认科技在发展，天宫空间站能动用的技术要比当年国际空间站要先进得多，但问题来了，全球那么多国家为什么只有中国造出了太空中的第二个空间站？

我们不否认技术确实在进步，但纵观全球，绝大部分的国家都在享受技术带来的便利，但创新与技术革新就只有那么几个国家，除了美国以外中国就是最大的那个技术革新国，或者因为欧美的封锁中国正在重复发明轮子，但这没有办法，我们买不到这些技术，甚至买不到先进技术生产的产品，因为西方对我们禁运了。
当年我们也曾多次希望参加国际空间站的建设，但完全没有得到美国的回应，那就很抱歉了，中国只能另起炉灶新造一个空间站，现在新空间站造好了，美媒Futurism在2021年10月19日曾发表的文章是这样定义中国空间站的：

China’s New Space Station Looks Like an Apple Store Inside，It puts the ISS to shame.
中国的新空间站看起来像苹果商店，这让国际空间站感到羞耻。

国际空间站已经老旧了，到处都是乱糟糟的设备，像个垃圾堆，估计最多也就再撑个十年了，天宫空间站不仅提供明亮宽敞的铺位，还给航天员提供时尚的太空健身房，和独立的生活空间。

其实也没啥，风格不同而已，中国人喜欢收纳得整整齐齐，美国人简单直接，乱糟糟以工作第一位的工业风也不算太大的差异，关键还是技术的进步，天宫空间站以80多吨的吨位能完成国际空间站2/3的任务，太阳能电池也不比国际空间站差多少，并且天宫扩展到180吨将完胜400多吨的国际空间站，当然更好的消息是天宫正有此意！
不过对美国却不是一个好消息，因为国际空间站计划在2030年退役，而且在退役后美国将在无法独立建设空间站，尽管有计划引入民间资本建立商业空间站，不过到现在为止这项计划不是很顺利，未来前途堪忧。

技术正在进步，中国正在用最新的技术建设空间站，美国的技术也在进步，但美国似乎不太有能力将最新的技术应用于空间站建设，就像美国人自己说的那样，美国空有最先进的军事技术，但却无法以此快速生产出航母、先进驱逐舰以及战斗机。
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