近期全球掀起一陣火星熱,。美國(guó)太空總署（NASA）毅力號(hào)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(jìn)的太空探測(cè)任務(wù)背后，毅力號(hào)使用的卻是20 多年前技術(shù)的處理器,，經(jīng)過產(chǎn)品任務(wù)強(qiáng)化與優(yōu)化后,，成為本次任務(wù)成功的重要推手。
首先毅力號(hào)火星探測(cè)器搭載的機(jī)智號(hào)火星直升機(jī),，它使用的是民用,、消費(fèi)級(jí)芯片組高通驍龍 801處理器。這款處理器發(fā)布時(shí)間是2014年,，與當(dāng)前高通驍龍888處理器相比已經(jīng)非常落后,。然而毅力號(hào)使用的更是1998年生產(chǎn)的PowerPC 750處理器，那為什么毅力號(hào)會(huì)選用20多年前技術(shù)的處理器呢,？
外媒報(bào)道,，毅力號(hào)搭載的處理器型號(hào)為PowerPC 750 處理器，與1998年蘋果出品的iMac G3 電腦同款,，對(duì)比蘋果最近推出的M1 ARM 架構(gòu)處理器擁有最高主頻3.2GHz,，晶體管數(shù)量達(dá)160 億個(gè)，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(gè)，但單價(jià)仍高達(dá)20 萬美元（約130萬元）,。
報(bào)道解釋,，毅力號(hào)的PowerPC 750 處理器單價(jià)會(huì)如此昂貴，,，并非因?yàn)樾阅艹瑥?qiáng)大,，而是必須應(yīng)對(duì)未知的太空環(huán)境，因此對(duì)處理器進(jìn)行抗輻射,、耐寒冷功能等強(qiáng)化,，美國(guó)航空航天局花費(fèi)20萬美元由BAE系統(tǒng)公司進(jìn)行定制生產(chǎn) ,。此處理器雖然架構(gòu)依舊，但結(jié)構(gòu)強(qiáng)化與優(yōu)化,，導(dǎo)致價(jià)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(bào)道進(jìn)一步指出,，NASA 之所以選擇舊架構(gòu)處理器的原因，在于舊架構(gòu)處理器運(yùn)作可靠度更成熟,。因毅力號(hào)火星探測(cè)器較特殊,，需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，因此執(zhí)行主頻速度成其次,，且毅力號(hào)一般運(yùn)作并不需要太強(qiáng)大的運(yùn)算能力,。故就需求來說，舊架構(gòu)PowerPC 750 處理器完全可以勝任,。
而機(jī)智號(hào)火星直升機(jī)使用的驍龍?zhí)幚砥鞒杀鞠鄬?duì)來說比較低,，因?yàn)樵撝鄙龣C(jī)只會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的任務(wù)不參與重要任務(wù)。再加上保暖系統(tǒng)后機(jī)智號(hào)可以讓處理器保持在特定的溫度中,，這樣不必花費(fèi)太多錢進(jìn)行定制又不至于太容易損壞,。
▍航天級(jí)芯片普遍“一顆能買一套房”
實(shí)際上，航天級(jí)的芯片價(jià)格一直是非常嚇人的,。美國(guó)Xilinx有一款宇航級(jí)FPGA,，號(hào)稱具有10級(jí)抗輻射性能，屬于全球最機(jī)密的芯片之一,。江湖傳言,，這顆芯片的價(jià)格超過500萬元。
以下榜單芯片,，堪稱芯片極品中的王中王;當(dāng)然,，由于筆者水平和眼界所限，榜單僅供參考,，不過價(jià)格基本靠譜哦!
1,、XQR5VFX130-1CF1752V
品牌：XILINX封裝：BGA用途：宇航級(jí)/抗輻射外形尺寸：裸片mm價(jià)格：》120萬說明：原廠的價(jià)格為3-4萬美元，有供應(yīng)商報(bào)價(jià)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(jí)/抗輻射價(jià)格：》50萬說明：原廠的價(jià)格為2.5萬美元左右，現(xiàn)在的市場(chǎng)價(jià)格基本上翻了3-10倍左右,，有人愿意出130萬以上的買價(jià),，可見芯片的不菲價(jià)值。
3,、XQR2V6000-4CF1144H
品牌：XILINX封裝：BGA類型：宇航級(jí)/抗輻射價(jià)格：》80萬說明：原廠的價(jià)格為2-3萬美元,，中國(guó)渠道市場(chǎng)報(bào)價(jià)大約在100萬人民幣左右，據(jù)說中國(guó)只有一個(gè)孤品了,。
4,、AT697F-KG-E
品牌：Atmel封裝：MQFP256用途：宇航級(jí)/抗輻射性能：86MIPS(Dhrystone的2.1)消耗功率：1W在100MHz價(jià)格：》60萬單元架構(gòu)：SPARCV8高性能低功耗的32位體系結(jié)構(gòu)說明：原廠報(bào)價(jià)在2-3萬美元，市場(chǎng)報(bào)價(jià)在50-70萬元之間,。
5,、TSC695F
品牌：Atmel封裝：MQFP256類型：宇航級(jí)CPU外形尺寸：裸模核心功耗：1.0W典型值價(jià)格：》45萬單元架構(gòu)：SPARCV7高性能RISC架構(gòu)整數(shù)單元性能：20MIPS/5MFLOPS(雙精度)，在系統(tǒng)時(shí)鐘為25MHz質(zhì)量等級(jí)：ESCC與9512/003和QML-Q或V帶5962-00540說明：原廠報(bào)價(jià)在2萬美元左右,，市場(chǎng)報(bào)價(jià)在6-8萬美元,。
▍航天器中的宇航級(jí)芯片設(shè)計(jì)有什么特別之處？
宇航級(jí)芯片是航天航空電子裝備的心臟,，宇航級(jí)芯片必須具備抗輻照特性,，其身價(jià)往往是我們生活中常見的消費(fèi)級(jí)芯片的數(shù)十倍，甚至成百上千倍,。那么,，與消費(fèi)級(jí)芯片相比，這些昂貴的宇航級(jí)芯片在設(shè)計(jì)階段有什么特別之處呢,？知乎用戶@Forever snow 作出了詳細(xì)的解答,。
1.宇航級(jí)芯片所處的空間環(huán)境
在航天器運(yùn)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(huì)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(yīng)，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(yīng)的主要空間輻射源包括地球輻射帶、銀河宇宙射線,、太陽(yáng)宇宙線和人工輻射,。
其中，對(duì)芯片工作影響最為嚴(yán)重的輻射效應(yīng)當(dāng)屬“單粒子效應(yīng)”,。
據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),，從 1971 年到 1986 年間，國(guó)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(guān)，且其中的 621 次故障是由于單粒子效應(yīng)導(dǎo)致的。這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說明了航天應(yīng)用中電子器件的主要故障來自于空間輻射,，而單粒子效應(yīng)導(dǎo)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(dǎo)致芯片內(nèi)部局部短路從而產(chǎn)生大電流燒毀器件,。針對(duì)此類錯(cuò)誤可以應(yīng)用一些特定工藝或器件庫(kù)來避免。而太空中大部分錯(cuò)誤是由于半導(dǎo)體器件的邏輯狀態(tài)跳變而導(dǎo)致的可恢復(fù)的錯(cuò)誤,，如單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致存儲(chǔ)器存儲(chǔ)內(nèi)容錯(cuò)誤,。
單粒子翻轉(zhuǎn)（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(huì)造成器件的物理性損傷,。正因?yàn)椤皢瘟Ｗ臃D(zhuǎn)”頻繁出現(xiàn),，因此在芯片設(shè)計(jì)階段需要重點(diǎn)關(guān)注。這也是這篇文章的重點(diǎn),。
2.在芯片設(shè)計(jì)階段如何防護(hù)“單粒子翻轉(zhuǎn)”
(1) 選擇合適的工藝制程
在航天領(lǐng)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?？煽啃裕话銜?huì)選擇較大線寬的制程,，比如0.18um,、90nm、65nm等,，而不會(huì)一味追求摩爾定律的前沿制程,。
(2)加固標(biāo)準(zhǔn)單元工藝庫(kù)
標(biāo)準(zhǔn)單元工藝庫(kù)是數(shù)字芯片的基石。如果把數(shù)字芯片看做一個(gè)建筑,，標(biāo)準(zhǔn)單元工藝庫(kù)就是構(gòu)成建筑的磚塊,。標(biāo)準(zhǔn)單元工藝庫(kù)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元對(duì)應(yīng)著多個(gè)不同尺寸(W/L),、不同驅(qū)動(dòng)能力的單元電路,，基于這些基本單元即可構(gòu)成復(fù)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(jié)構(gòu)的方式來設(shè)計(jì),，而直接對(duì)商用工藝庫(kù)進(jìn)行加固則是設(shè)計(jì)成本最低的選擇。在制造廠商提供的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)基礎(chǔ)上結(jié)合抗輻照加固措施,，使設(shè)計(jì)出來的輸入輸出單元庫(kù)具有抗輻照能力,。加固之后的工藝庫(kù)需要晶圓廠流片驗(yàn)證。
(3)設(shè)計(jì)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(cuò)機(jī)制,。同一時(shí)間三個(gè)功能相同的模塊分別執(zhí)行一樣的操作，鑒于單粒子翻轉(zhuǎn)瞬時(shí)僅能打翻1路,，“三選二”的投票器將會(huì)選出其余兩路的正確結(jié)果,，增強(qiáng)電路系統(tǒng)的可靠性。三模冗余最顯著優(yōu)點(diǎn)是糾錯(cuò)能力強(qiáng),，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,，大大提高電路可靠性；但缺點(diǎn)也是顯而易見,，會(huì)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(jí),、電路級(jí),、模塊級(jí)等任意層次設(shè)計(jì)TMR，部分EDA工具也可自動(dòng)插入,。
錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正電路（Error Detection And Correction,EDAC）也是一種簡(jiǎn)單高效的防護(hù)單粒子翻轉(zhuǎn)的電路設(shè)計(jì)方法,。EDAC 主要依據(jù)檢錯(cuò)、糾錯(cuò)的原理,，通過轉(zhuǎn)換電路將寫入的數(shù)據(jù)生成校驗(yàn)碼并保存,，當(dāng)讀出時(shí)靠對(duì)校驗(yàn)碼進(jìn)行判定，若只有一位出錯(cuò)系統(tǒng)則自動(dòng)糾正并將正確的數(shù)據(jù)輸出,，同時(shí)還會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的回寫從而覆蓋原來出錯(cuò)的數(shù)據(jù),。EDAC盡管糾錯(cuò)能力強(qiáng)大，但是需要糾錯(cuò),、譯碼電路,，因此結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(cuò)的情況,，但是糾錯(cuò)電路會(huì)更加復(fù)雜。
權(quán)衡TMR和EDAC的優(yōu)缺點(diǎn),，通常會(huì)在邏輯電路設(shè)計(jì)中使用TMR,，在存儲(chǔ)器讀寫電路中使用EDAC,。
(4)模塊獨(dú)立化
單粒子翻轉(zhuǎn)頻繁出現(xiàn)，必須考慮到翻轉(zhuǎn)發(fā)生之后不影響芯片的整體功能,。因此,，在架構(gòu)設(shè)計(jì)中需要盡可能確保模塊之間保持較強(qiáng)的獨(dú)立性，盡可能具備獨(dú)立的復(fù)位功能,，使得在單粒子打翻信號(hào)值之后，一方面出錯(cuò)電路能夠盡快通過復(fù)位信號(hào)恢復(fù)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(cè)電路,，發(fā)現(xiàn)異常即可對(duì)電路進(jìn)行復(fù)位。
雖然上述方法可以很好地防護(hù)單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng),，但是也給邏輯綜合,、布局布線帶來很多困擾，在芯片物理實(shí)現(xiàn)過程中需要小心謹(jǐn)慎應(yīng)對(duì),。除上述方法外,，還可引入Muller C單元、雙互鎖存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)（DICE）對(duì)晶體管級(jí)電路進(jìn)行防護(hù),，也可在版圖階段使用環(huán)形柵替換條形柵,。
▍總結(jié)
為何毅力號(hào)繼續(xù)使用主頻僅有233MHz的PowerPC 750處理器？網(wǎng)友認(rèn)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(fù)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(jí)芯片需要面臨的最重要問題。那么,，你認(rèn)為如何呢,？
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