半導(dǎo)體：太空探索中的無(wú)名英雄

半導(dǎo)體元件有助于確保太空極端環(huán)境中的可靠性和性能。在過(guò)去的 60 年里，微芯片在 100 多次太空任務(wù)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，推動(dòng)了太空探索中一些最具歷史意義的里程碑的成功。從 1958 年美國(guó)首次成功的太空任務(wù)到正在進(jìn)行的阿爾忒彌斯任務(wù)，這些組件（見(jiàn)表）一直在證明其價(jià)值。

Andy Turudic/EBM下表列出了一些已用于太空任務(wù)的半導(dǎo)體。

 半導(dǎo)體元件在太空任務(wù)中的關(guān)鍵作用

自從美國(guó)第一顆衛(wèi)星 Jupiter-C 導(dǎo)彈上的探索者 1 號(hào)發(fā)射以來(lái)，半導(dǎo)體必須證明其太空資質(zhì)，在外太空時(shí)滿足嚴(yán)格的輻射和可靠性標(biāo)準(zhǔn)。

太空任務(wù)中的半導(dǎo)體元件始于頻率控制設(shè)備。石英晶體振蕩器、壓控 SAW 振蕩器 （VCSO） 或原子鐘等頻率控制在航天任務(wù)電子設(shè)備中至關(guān)重要，因?yàn)樗纱_保信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸和接收，保持通信穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)完整性和系統(tǒng)同步。

這些組件對(duì) 1958 年美國(guó)首次太空任務(wù)的成功至關(guān)重要，并為太空可靠性奠定了基礎(chǔ)。1969 年的阿波羅 11 號(hào)登月是人類最偉大的成就之一，也依賴于這些技術(shù)。Microchip 在月球表面的阿波羅 11 號(hào)登月艙 （LM） 以及用于機(jī)載制導(dǎo)計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵邏輯組件（見(jiàn)圖）內(nèi)提供關(guān)鍵通信支持。

Microchip 技術(shù)Fairchild（現(xiàn)為 Microchip）的 RTμL 9915 NOR 門是 Apollo Guidance Computer 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

與世界上任何其他精密頻率參考相比，銣、SAW 和石英振蕩器支持更多的軍事通信、衛(wèi)星地面站和測(cè)試與測(cè)量應(yīng)用。

旅行者 1 號(hào)任務(wù)現(xiàn)在是距離地球最遠(yuǎn)的人造物體，進(jìn)一步展示了半導(dǎo)體在太空中無(wú)與倫比的性能。旅行者 1 號(hào)的電子設(shè)備混合了 TTL 和 CMOS 邏輯 IC、模擬元件、存儲(chǔ)芯片和定制半導(dǎo)體，旨在應(yīng)對(duì)深空挑戰(zhàn)。

旅行者 1 號(hào)的主計(jì)算機(jī)使用了名為 SPS-8 的定制中央處理器 （CPU），該單元由 NASA 為航天器設(shè)計(jì)。TTL 邏輯芯片是當(dāng)時(shí)流行的數(shù)字集成電路類型;現(xiàn)在大多數(shù)半導(dǎo)體 IC 都是基于 CMOS 的。

近年來(lái)，半導(dǎo)體技術(shù)一直是火星探測(cè)的核心。“好奇號(hào)”和“毅力號(hào)”火星車為這顆火星提供了寶貴的見(jiàn)解，它們依靠這些組件在火星的惡劣環(huán)境中運(yùn)行。

火星探測(cè)器，特別是毅力號(hào)探測(cè)器，包含來(lái)自 Microchip Technology 的多個(gè)組件。其中包括用于各種控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)的 SPARC 處理器，以及電源管理 IC （PMIC），這些 IC 對(duì)于有效管理漫游車不同部分的電源至關(guān)重要。所有這些都是抗輻射（抗輻射）組件，從而確保電子設(shè)備能夠承受惡劣的太空環(huán)境。這些組件對(duì)于火星車的運(yùn)行至關(guān)重要，并幫助它在火星上執(zhí)行科學(xué)任務(wù)。

對(duì)于月球探測(cè)，印度的第三次月球探測(cè)任務(wù) Chandrayaan-3 任務(wù)使用了多種半導(dǎo)體元件。這些組件（例如耐輻射 （RT） 反熔絲 FPGA）對(duì)于任務(wù)的成功至關(guān)重要，使月球表面的通信、導(dǎo)航和科學(xué)實(shí)驗(yàn)成為可能。

正在進(jìn)行的 Artemis 任務(wù)旨在將人類送回月球并最終將他們送上火星，這也依賴于半導(dǎo)體技術(shù)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的性能和可靠性。

可靠性和性能在太空計(jì)劃中的重要性

在惡劣的太空環(huán)境中，可靠性和性能不僅重要，而且至關(guān)重要。半導(dǎo)體元件是現(xiàn)代太空任務(wù)的核心，為從衛(wèi)星和漫游車到通信系統(tǒng)和空間站的所有設(shè)備提供動(dòng)力。

考慮到太空的極端條件（嚴(yán)酷的溫度、強(qiáng)烈的輻射和太空的真空），組件必須長(zhǎng)時(shí)間完美運(yùn)行。即使是半導(dǎo)體中最小的故障也可能導(dǎo)致任務(wù)失敗，這凸顯了選擇高度可靠元件的重要性。

太空輻射的挑戰(zhàn)

太空中充滿了高水平的輻射，這對(duì)電子元件可能是毀滅性的。輻射會(huì)降低材料質(zhì)量，導(dǎo)致電氣故障，并損壞正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。例如，地球保護(hù)大氣層之外的太陽(yáng)輻射環(huán)境可能會(huì)使組件暴露于高能粒子中，從而導(dǎo)致單粒子翻轉(zhuǎn) （SEU） 或總輻射劑量損傷。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，先進(jìn)的抗輻射技術(shù)包括使用抗輻射半導(dǎo)體等專用材料。這些設(shè)計(jì)修改降低了對(duì)輻射的脆弱性。例如，機(jī)載計(jì)算機(jī)中使用的航天級(jí)微處理器通常采用抗輻射設(shè)計(jì) （RHBD），因此故障不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。

模擬太空條件的堅(jiān)固測(cè)試

除了抗輻射之外，在太空任務(wù)方面有悠久歷史的公司還率先采用了嚴(yán)格的測(cè)試和鑒定流程，以確保其組件的可靠性和性能。這些測(cè)試遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常的制造質(zhì)量控制。

太空級(jí)半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)廣泛的熱循環(huán)測(cè)試，模擬太空中的廣泛溫度變化——從太陽(yáng)的酷熱到深空的嚴(yán)寒。一個(gè)例子是 NASA 對(duì)“毅力號(hào)”火星探測(cè)器的組件進(jìn)行測(cè)試，該探測(cè)器經(jīng)歷了 -55°C 到 125°C 的溫度波動(dòng)，要求組件能夠承受如此極端的天氣而不會(huì)出現(xiàn)故障。

組件還經(jīng)過(guò)振動(dòng)測(cè)試，以模擬發(fā)射過(guò)程中所經(jīng)歷的應(yīng)力和振動(dòng)。火箭發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)大力與地球上看到的任何東西都不同;因此，半導(dǎo)體元件必須能夠承受這些條件，而不會(huì)影響其完整性。例如，在阿波羅 11 號(hào)任務(wù)期間，關(guān)鍵電子設(shè)備要接受振動(dòng)測(cè)試，以確保它們能夠在強(qiáng)大的發(fā)射力下幸存下來(lái)，最終為登月的成功做出貢獻(xiàn)。

長(zhǎng)期可靠性：太空歷史示例

太空任務(wù)要求組件不僅在任務(wù)期間工作，而且隨著時(shí)間的推移繼續(xù)可靠運(yùn)行。1977 年發(fā)射的旅行者 1 號(hào)航天器是可靠性對(duì)于長(zhǎng)期任務(wù)至關(guān)重要的一個(gè)典型例子。在太空中飛行了 40 多年，由于采用經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試可承受極端條件的抗輻射半導(dǎo)體元件，該航天器繼續(xù)與地球通信。

另一個(gè)例子是國(guó)際空間站 （ISS），它依靠大量基于半導(dǎo)體的系統(tǒng)來(lái)維護(hù)生命支持系統(tǒng)、進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)并保持通信線路暢通。國(guó)際空間站經(jīng)常暴露在太空的惡劣輻射環(huán)境中，溫度范圍從 +121°C（面向太陽(yáng)）到 -157°C（陰涼處），每 45 分鐘左右交替一次。然而，板載的半導(dǎo)體元件必須日復(fù)一日地可靠運(yùn)行。

擴(kuò)展前沿：太空市場(chǎng)的演變

航天工業(yè)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是越來(lái)越多地使用商用現(xiàn)貨 （COTS） 設(shè)備，由于這些設(shè)備可立即使用，因此為太空任務(wù)提供了經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。Starlink 的低地球軌道 （LEO） 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)利用 COTS 組件來(lái)降低成本并加快生產(chǎn)速度。許多機(jī)載電子設(shè)備，特別是對(duì)于非關(guān)鍵系統(tǒng)，都依賴于這些組件，這些組件既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，又經(jīng)過(guò)精心挑選，在太空環(huán)境中具有可靠性。

一個(gè)很好的例子是由 ESA（歐洲航天局）和 CNES（法國(guó)航天局）開發(fā)的歐洲發(fā)射器 Ariane。阿麗亞娜 5 號(hào)（1985 年）配備了一個(gè)硬化的 QML 級(jí) SPARC 中央處理器，采用密封封裝，并配備了 1553 網(wǎng)絡(luò)，用于火箭內(nèi)所有系統(tǒng)之間的通信。

最新版本 Ariane 6 （2024） 現(xiàn)在嵌入了基于 Arm 架構(gòu)的 COTS 處理器，采用塑料封裝。它使用與廣泛采用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相同的以太網(wǎng)進(jìn)行通信，這與 Ariane 5 中使用的太空/軍事特定技術(shù)形成鮮明對(duì)比。

然而，對(duì)于必須在天基通信中保持強(qiáng)大性能的高可靠性系統(tǒng)，需要對(duì) COTS 設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和認(rèn)證，這需要專業(yè)知識(shí)。尋求進(jìn)入新太空市場(chǎng)或從新太空過(guò)渡到深空的公司正在與半導(dǎo)體公司合作，這些公司擁有成熟的飛行歷史，能夠升級(jí) COTS 設(shè)備以滿足太空任務(wù)的嚴(yán)格要求。

短期內(nèi)，半導(dǎo)體在太空中的未來(lái)將是多種策略的混合：升級(jí) COTS 設(shè)備，利用我們的航天經(jīng)驗(yàn)和 sub-QML 版本的產(chǎn)品來(lái)減少篩選要求，降低成本，縮短交貨時(shí)間，以及定制制造工藝以滿足特定任務(wù)配置文件的獨(dú)特要求。

通過(guò)結(jié)合這些方法，半導(dǎo)體在太空中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)健且適應(yīng)性強(qiáng)的未來(lái)，同時(shí)最大限度地降低了成本、復(fù)雜性并承擔(dān)了適當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。

太空半導(dǎo)體元件的未來(lái)

隨著 LEO 星座的興起和太空商業(yè)化的不斷發(fā)展，航天工業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)可靠、高性能半導(dǎo)體元件的需求也在不斷增長(zhǎng)。新的太空企業(yè)需要能夠應(yīng)對(duì)獨(dú)特挑戰(zhàn)的組件，將高可靠性、創(chuàng)新和利潤(rùn)驅(qū)動(dòng)目標(biāo)相結(jié)合。