近期全球掀起一陣火星熱。美國太空總署（NASA）毅力號成功登陸火星,，并公布火星照片后,，更引起全球矚目。不過如此先進的太空探測任務背后,，毅力號使用的卻是20 多年前技術的處理器,，經(jīng)過產(chǎn)品任務強化與優(yōu)化后，成為本次任務成功的重要推手。
首先毅力號火星探測器搭載的機智號火星直升機,，它使用的是民用,、消費級芯片組高通驍龍 801處理器。這款處理器發(fā)布時間是2014年,，與當前高通驍龍888處理器相比已經(jīng)非常落后,。然而毅力號使用的更是1998年生產(chǎn)的PowerPC 750處理器，那為什么毅力號會選用20多年前技術的處理器呢,？
外媒報道,，毅力號搭載的處理器型號為PowerPC 750 處理器，與1998年蘋果出品的iMac G3 電腦同款,，對比蘋果最近推出的M1 ARM 架構處理器擁有最高主頻3.2GHz,，晶體管數(shù)量達160 億個，PowerPC 750 處理器最高主頻速度僅233MHz,，且晶體管數(shù)量也只有600 萬個,，但單價仍高達20 萬美元（約130萬元）。
報道解釋,，毅力號的PowerPC 750 處理器單價會如此昂貴,，，并非因為性能超強大,，而是必須應對未知的太空環(huán)境,，因此對處理器進行抗輻射、耐寒冷功能等強化,，美國航空航天局花費20萬美元由BAE系統(tǒng)公司進行定制生產(chǎn) ,。此處理器雖然架構依舊，但結構強化與優(yōu)化,，導致價格昂貴,，也非量產(chǎn)型處理器。它是由BAE Systems使用0.25或0.15um工藝制造的,，管芯面積為130mm2,。CPU本身可以承受200,000至1,000,000 Rads，溫度范圍為-55至125°C,。
報道進一步指出,，NASA 之所以選擇舊架構處理器的原因，在于舊架構處理器運作可靠度更成熟,。因毅力號火星探測器較特殊,，需要長時間穩(wěn)定運行，因此執(zhí)行主頻速度成其次,，且毅力號一般運作并不需要太強大的運算能力,。故就需求來說,，舊架構PowerPC 750 處理器完全可以勝任。
而機智號火星直升機使用的驍龍?zhí)幚砥鞒杀鞠鄬碚f比較低,，因為該直升機只會進行簡單的任務不參與重要任務,。再加上保暖系統(tǒng)后機智號可以讓處理器保持在特定的溫度中，這樣不必花費太多錢進行定制又不至于太容易損壞,。
▍航天級芯片普遍“一顆能買一套房”
實際上,，航天級的芯片價格一直是非常嚇人的。美國Xilinx有一款宇航級FPGA,，號稱具有10級抗輻射性能,，屬于全球最機密的芯片之一,。江湖傳言,，這顆芯片的價格超過500萬元。
以下榜單芯片,，堪稱芯片極品中的王中王;當然，由于筆者水平和眼界所限,，榜單僅供參考,，不過價格基本靠譜哦!
1、XQR5VFX130-1CF1752V
品牌：XILINX封裝：BGA用途：宇航級/抗輻射外形尺寸：裸片mm價格：》120萬說明：原廠的價格為3-4萬美元,，有供應商報價400萬人民幣,，但是據(jù)說都沒有辦法供貨,。
2、XQR4VSX55-10CF1140V
品牌：XILINX封裝：CLCC用途：宇航級/抗輻射價格：》50萬說明：原廠的價格為2.5萬美元左右,，現(xiàn)在的市場價格基本上翻了3-10倍左右，有人愿意出130萬以上的買價,，可見芯片的不菲價值。
3、XQR2V6000-4CF1144H
品牌：XILINX封裝：BGA類型：宇航級/抗輻射價格：》80萬說明：原廠的價格為2-3萬美元,，中國渠道市場報價大約在100萬人民幣左右，據(jù)說中國只有一個孤品了,。
4、AT697F-KG-E
品牌：Atmel封裝：MQFP256用途：宇航級/抗輻射性能：86MIPS(Dhrystone的2.1)消耗功率：1W在100MHz價格：》60萬單元架構：SPARCV8高性能低功耗的32位體系結構說明：原廠報價在2-3萬美元，市場報價在50-70萬元之間,。
5、TSC695F
品牌：Atmel封裝：MQFP256類型：宇航級CPU外形尺寸：裸模核心功耗：1.0W典型值價格：》45萬單元架構：SPARCV7高性能RISC架構整數(shù)單元性能：20MIPS/5MFLOPS(雙精度)，在系統(tǒng)時鐘為25MHz質(zhì)量等級：ESCC與9512/003和QML-Q或V帶5962-00540說明：原廠報價在2萬美元左右,，市場報價在6-8萬美元。
▍航天器中的宇航級芯片設計有什么特別之處,？
宇航級芯片是航天航空電子裝備的心臟，宇航級芯片必須具備抗輻照特性,，其身價往往是我們生活中常見的消費級芯片的數(shù)十倍，甚至成百上千倍,。那么，與消費級芯片相比,，這些昂貴的宇航級芯片在設計階段有什么特別之處呢,？知乎用戶@Forever snow 作出了詳細的解答。
1.宇航級芯片所處的空間環(huán)境
在航天器運行的空間環(huán)境中,，存在著大量的高能粒子和宇宙射線。這些粒子和射線會穿透航天器屏蔽層,，與元器件的材料相互作用產(chǎn)生輻射效應,，引起器件性能退化或功能異常,，影響航天器的在軌安全,。引起器件輻射效應的主要空間輻射源包括地球輻射帶、銀河宇宙射線,、太陽宇宙線和人工輻射,。
其中,，對芯片工作影響最為嚴重的輻射效應當屬“單粒子效應”,。
據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,，從 1971 年到 1986 年間,，國外發(fā)射的 39 顆同步衛(wèi)星共發(fā)生了 1589 次故障,，有 1129 次故障與空間輻射有關,，且其中的 621 次故障是由于單粒子效應導致的。這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)說明了航天應用中電子器件的主要故障來自于空間輻射,，而單粒子效應導致的故障在其中占較大比重。
這些故障中,，部分是永久性不可逆的,，如發(fā)生單粒子鎖定導致芯片內(nèi)部局部短路從而產(chǎn)生大電流燒毀器件,。針對此類錯誤可以應用一些特定工藝或器件庫來避免。而太空中大部分錯誤是由于半導體器件的邏輯狀態(tài)跳變而導致的可恢復的錯誤,，如單粒子翻轉導致存儲器存儲內(nèi)容錯誤,。
單粒子翻轉（Single-Event Upsets,，SEU）指的是元器件受輻照影響引起電位狀態(tài)的跳變，“0”變成“1”,，或者“1”變成“0”,，但一般不會造成器件的物理性損傷,。正因為“單粒子翻轉”頻繁出現(xiàn),，因此在芯片設計階段需要重點關注,。這也是這篇文章的重點,。
2.在芯片設計階段如何防護“單粒子翻轉”
(1) 選擇合適的工藝制程
在航天領域，并不是工藝制程越小越好,。通常來講,，工藝制程越小,，抗輻照能力越差,。因此,，為了確保可靠性,，一般會選擇較大線寬的制程,，比如0.18um、90nm,、65nm等,，而不會一味追求摩爾定律的前沿制程,。
(2)加固標準單元工藝庫
標準單元工藝庫是數(shù)字芯片的基石,。如果把數(shù)字芯片看做一個建筑，標準單元工藝庫就是構成建筑的磚塊,。標準單元工藝庫包括反相器、與門,、寄存器,、選擇器,、全加器等多種基本單元,，每一個標準單元對應著多個不同尺寸(W/L),、不同驅動能力的單元電路,，基于這些基本單元即可構成復雜的數(shù)字芯片。
鑒于數(shù)字芯片的超大規(guī)模,，已經(jīng)很難通過全定制電路結構的方式來設計，而直接對商用工藝庫進行加固則是設計成本最低的選擇,。在制造廠商提供的標準單元庫基礎上結合抗輻照加固措施,，使設計出來的輸入輸出單元庫具有抗輻照能力,。加固之后的工藝庫需要晶圓廠流片驗證。
(3)設計冗余化
在抗輻照加固方法中,，三模冗余（TMR）是最具有代表的容錯機制,。同一時間三個功能相同的模塊分別執(zhí)行一樣的操作，鑒于單粒子翻轉瞬時僅能打翻1路,，“三選二”的投票器將會選出其余兩路的正確結果,，增強電路系統(tǒng)的可靠性,。三模冗余最顯著優(yōu)點是糾錯能力強，且設計簡單,，大大提高電路可靠性；但缺點也是顯而易見,，會將電路增大3倍以上。TMR的方法較為靈活,，可根據(jù)性能需求在寄存器級,、電路級、模塊級等任意層次設計TMR,，部分EDA工具也可自動插入,。
錯誤檢測與糾正電路（Error Detection And Correction,EDAC）也是一種簡單高效的防護單粒子翻轉的電路設計方法。EDAC 主要依據(jù)檢錯,、糾錯的原理，通過轉換電路將寫入的數(shù)據(jù)生成校驗碼并保存,，當讀出時靠對校驗碼進行判定，若只有一位出錯系統(tǒng)則自動糾正并將正確的數(shù)據(jù)輸出,，同時還會進行數(shù)據(jù)的回寫從而覆蓋原來出錯的數(shù)據(jù)。EDAC盡管糾錯能力強大,，但是需要糾錯、譯碼電路,，因此結構較為復雜，不適宜用于高性能的數(shù)據(jù)通道中,。EDAC也可用于糾正多bit出錯的情況,，但是糾錯電路會更加復雜,。
權衡TMR和EDAC的優(yōu)缺點，通常會在邏輯電路設計中使用TMR,，在存儲器讀寫電路中使用EDAC,。
(4)模塊獨立化
單粒子翻轉頻繁出現(xiàn),，必須考慮到翻轉發(fā)生之后不影響芯片的整體功能,。因此,，在架構設計中需要盡可能確保模塊之間保持較強的獨立性，盡可能具備獨立的復位功能,，使得在單粒子打翻信號值之后，一方面出錯電路能夠盡快通過復位信號恢復正常；另一方面,，確保其他正常工作的模塊不受影響,。此外,，還需增加異常檢測電路，發(fā)現(xiàn)異常即可對電路進行復位,。
雖然上述方法可以很好地防護單粒子翻轉效應,，但是也給邏輯綜合,、布局布線帶來很多困擾,，在芯片物理實現(xiàn)過程中需要小心謹慎應對,。除上述方法外,，還可引入Muller C單元,、雙互鎖存儲單元結構（DICE）對晶體管級電路進行防護,，也可在版圖階段使用環(huán)形柵替換條形柵,。
▍總結
為何毅力號繼續(xù)使用主頻僅有233MHz的PowerPC 750處理器,？網(wǎng)友認為233MHz已經(jīng)足夠飛行控制部分，這也是最重要的部分,。而多媒體、通信肯定用的高端cpu,，多系統(tǒng)備份。復雜度越高可靠性是下降的,，航天器主要考慮的還是可靠性問題,，芯片性能并非第一位，輻射是航天級芯片需要面臨的最重要問題,。那么,，你認為如何呢？
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