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撰文/记者 何从 编辑/刘昭
新媒体编辑/陈炫之
采访专家
庞之浩（全国空间探测技术首席科学传播专家）
近年来，北斗卫星完成全球组网、嫦娥探月取土归来，“天问一号”即将登陆火星……中国航天事业乘风破浪，一步一个脚印奔向星辰大海，开启星际探测新征程。一个个激动人心的瞬间，其实都离不开星载计算机"中国芯"的帮助。
大众非常熟悉的芯片种类之一是电脑、手机芯片，比如英特尔酷睿系列、高通骁龙芯片等。芯片从可靠性、环境适用性角度，可以分为民用级、工业级、宇航级等。民用级是大家熟悉的手机、民用电脑使用的，工业级的芯片主要是用来控制工业系统的。
宇航级芯片则是搭载于人造卫星、宇宙探测器、运载火箭等航天设备中的星载计算机芯片、箭载计算机芯片等，其作用相当于人类的大脑，指挥调度航天设备运行工作。宇航级芯片相对于日常商用的芯片有何不同？宇航级芯片是怎么完成在太空中正常工作的？
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航天器要面对“冰火两重天”加高能粒子辐射
20世纪90年代，中国的卫星等航天设备，通常采用程序控制的方式来执行指令，就是编写一段程序代码反复地运行，任务较简单，无需高效的星载计算机。随着我国航天器在轨任务越来越复杂，如交会对接、深空探测、空间站建设等，此类复杂任务对星载计算机芯片提出更高的要求。
▲中国未来空间站畅想艺术图（图片来源/中新社）
全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩介绍：“在宇宙环境中，物体的温度取决于太阳的光照，人造卫星外部的温度受光面和背光面温差非常大，内部通过温控系统保持在最多50度到-50度之间。”相关数据显示，以高度为300至400km的地球轨道为例，人造卫星探测器外部受光面温度约为150℃，背光面温度约为-130℃，温差将近300℃。
此外，宇宙中还充斥着高能粒子辐射，这些辐射可以穿透探测器直达芯片内部，导致电路短路或者“比特翻转”。大家可以把“比特翻转”理解为数据错误，在1变成0，0变成1，有点类似于早年电脑芯片性能较弱的年代，电脑偶尔“蓝屏”了。
很多人可能不知道，即将要登陆火星的天问一号，并不是中国第一个火星探测器。 2011年中国自主研发的火星探测器“萤火一号”，跟随俄罗斯的“福布斯—土壤”探测器一起升空，在升空数小时后入轨失败。究其原因，很可能就是星载计算机芯片遭宇宙辐射影响发生故障造成的。
▲俄罗斯“福布斯—土壤”火星探测器艺术图（图片来源/网易科技）
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宇航级芯片首重“稳定”
商业级的芯片追求先进制造工艺和高性能，但宇航级的芯片并不是性能越强越受欢迎。一般只要够用就好。因为7nm芯片相对于28nm芯片来说，其内部的电压和散热更难控制，更容易受太空辐射影响而出现“翻车”的情况，一旦机器出现故障，不可能有人跑到宇宙深空去修理。
美国最近登陆火星的毅力号火星车，造价高达27亿美元（约合174亿人民币），内置一颗定制PowerPC 750芯片作为核心，这与1998年苹果G3 iMac台式电脑使用的芯片结构相同。虽然主芯片是一样的，但毅力号与苹果电脑上的芯片版本是有区别的，毅力号所用的芯片由BAE系统公司负责定制生产，单颗定制芯片的价格高达20万美元。
▲美国毅力号火星车和美国G3 imac电脑（图片来源/macrumors网站）
毅力号上还搭载了一架无人直升机机智号，机智号搭载的是一块手机芯片骁龙801，和中国小米4手机用的同款芯片。机智号使用民用芯片成本相对来说比较低，因为该直升机只是进行简单的实验飞行，不参与重要科研任务。
▲机智号无人直升机（图片来源/nasa）
▲小米手机4（图片来源/搜狐）
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宇航级芯片技术决不能受制于人
宇航级芯片要做到的，就是在保证一定运算速度前提下，要有足够的抗辐射性能。在世界范围内，星载计算机系统中央芯片常用架构有两种，一种是由美国使用的POWERPC架构，另一种是欧洲主导的SPARC架构。
在很长一段时间里，中国的宇航级芯片大多依赖进口，国产的人造卫星也大多使用进口芯片。而以美国为首的西方国家，严格限制高性能宇航级芯片的出口。
“计算机芯片是国家关键战略产品，可以说没有芯片和操作系统，就没有信息技术产业。”龙芯中科董事长胡伟武表示，“以前我国缺少自主宇航级芯片技术和产业，不仅信息产业受制于人，国家安全还面临威胁。必须走自主研发的道路，确保信息安全。”
中国当前星载计算机研发主要采用SPARC架构，这是因为SPARC架构有开源优势，可以让研发单位省下一大笔开发经费。 2013年由中国航天科技集团公司五院502所全资子公司轩宇空间公司牵头研制的，我国第一片宇航级抗辐照四核芯片——SoC2012芯片，就是一款基于SPARC V8体系结构的，面向航天领域的高性能、低功耗32位抗辐射嵌入式片上系统芯片。
▲中国宇航级芯片SoC2012（图片来源/轩宇空间公司官网）
据轩宇空间公司官网资料显示，SoC2012芯片用于二代导航卫星、探月卫星、小卫星、微小卫星平台的控制计算机等电子产品中。SoC2012芯片已出口俄罗斯，是俄官方批准的宇航应用芯片之一。
目前轩宇空间公司已推出SoC2016芯片，SoC2016定位于计算需求较高的大卫星平台，是国内第一款面向卫星控制、数据处理、图像处理一体化综合应用的异构多核SoC产品。不过没有公开消息披露应用SoC2016芯片的具体卫星、空间探测器名称。
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北斗、天问上的“最强大脑”已完成国产
如今宇航级“中国芯”表现越来越出色，大幅提升了宇航设备核心零部件国产化率。胡伟武介绍，北斗卫星早已用上了国产芯片，2015年发射的北斗双星上就搭载了某国产芯片。该芯片除了可以完美胜任北斗卫星的数据运算采集、开关控制、通讯等功能，更可贵的是，该国产芯片仅需几万元一片，大幅降低了成本。
“北斗三号卫星使用了‘中国芯’——我国自主研制的第一片抗辐照四核片上系统芯片SoC2012。”2018年2月，中国航天科技集团有限公司五院北斗三号副总设计师高益军接受采访时候自豪的说道。此外，2020年完成全球组网的北斗导航系统的卫星上，除芯片外，数据总线电路、转换器、存储器等数产品，均为我国自主研制和生产，对航天工程的自主可控和创新发展具有里程碑意义。
而目前正围绕火星的天问一号探测器，所用的某型号(保密)芯片也是由我国自主研发，中国航天科技集团有限公司第九研究院第771研究所研制设计。该单位还为火星巡视器（火星车）研制了中央处理器芯片，通过使用某型号特殊模块，来适应火星特殊环境需求，保障火星车在地表巡视探测。
可以说，宇航级“中国芯”计算能力有多强，中国航天的舞台就有多大，未来更值得期待。我们相信，有一天，中国的航天火箭飞船中的所有设备，都将是100%中国“智造“。
参考资料：
谁是“福布斯—土壤”幕后杀手 作者：张巧玲
来源：中国科学网 2012年2月2日
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2012/2/259175.shtm
“龙芯”上天 北斗有了“中国芯” 作者：倪思洁
来源：中国科学网 2015年4月20日
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/4/317313.shtm
四核SoC2012型32位空间应用片上系统介绍
来源：中国航天科技集团第五研究院第502研究所旗下轩宇空间官网
http://www.sunwisespace.com/
西安硬科技为“天问一号“制造“最强大脑”芯片
来源：西安市互联网信息办公室旗下西安发布
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1672993811259166376&wfr=spider&for=pc
北斗三号从“国产化”到“全球化”
来源：国资委官网转发报道中国航天科技集团
http://www.sasac.gov.cn/n2588025/n2588159/c8645474/content.html
NASA毅力号火星探测器使用与G3 iMac同款的PowerPC 750芯片
https://www.cnbeta.com/articles/science/1096779.htm
出品：科普中央厨房
监制：北京科技报 | 科学加客户端
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