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隨著科技的不斷發展，太空領域已成為各國競爭的焦點。1月24日，據香港《南華早報》報道，中國正利用自己的“天宮”空間站測試各種芯片處理器并取得技術優勢。該報指出，如此大規模的在軌芯片測試，對于中國的太空雄心可謂是至關重要。
2023年11月28日，中國載人航天工程首次對外發布由神舟十六號乘組返回地面前手持高清相機，通過飛船繞飛拍攝的空間站組合體全景照片。圖源：中國載人航天工程辦公室
根據報道，中國利用“天宮”空間站對數百款各類芯片進行在軌測試，其中包括16nm高性能芯片。同時，未來還有更多國內芯片制造商正排隊等待接受嚴格的太空測試，中國的目標是開發各種可在軌道上長時間保持穩定可靠運行的高性能芯片。
毫無疑問，在外太空測試芯片，是一項艱巨而具有挑戰性、前瞻性的任務。
據悉，太空級芯片是一種高度集成的電子芯片。這些芯片能夠在極其惡劣的環境中正常工作，比如承受高達幾千戈瑞的輻射強度、極高的溫度以及極低的氣壓條件。
對于在外太空測試芯片的重要性，有專業人士解釋：在太空環境中，存在著大量的高能粒子和宇宙射線。我們生活在被大氣層和地球磁層包裹著的地球表面，人們無法感受到這些射線和粒子破壞性。當這些粒子和射線穿透航天器，與元器件的材料相互作用，產生輻射效應，就會引起電子器件性能異常或損毀。比如，由γ光子、質子和中子照射所引發的氧化層電荷陷阱或位移破壞，包括漏電流增加、MOSFET閾值漂移，以及雙極晶體管的增益衰減。高能粒子(質子、中子、α粒子和其他重離子)轟擊微電子電路敏感區，引發在p-n結兩端產生電荷的單粒子效應，可導致軟誤差、電路閉鎖或元件燒毀。高速率的γ或X射線，在極短時間內作用于電路，并在整個電路內產生光電流，可導致閉鎖、燒毀和電壓坍塌等破壞。這些情況都會導致芯片損毀，特別是抗輻射設計對于太空級芯片來說，必不可少。
在太空環境中，由于缺少空氣的散熱，物體的表面溫度取決于太陽的光照。物體受光面和背光面的溫差非常大。以高度為300~400公里的軌道溫度為例，物體受光面溫度約為150℃，背光面溫度約為-127℃，溫差約為300℃。因此，散熱設計和寬溫設計，對于太空級芯片非常重要。另外，太空級芯片在生產過程中，要使用特殊的晶圓制造、加固、封裝等工藝來達到嚴苛的設計標準。
正是因為宇航級芯片的技術要求高、市場需求有限，導致其價格十分昂貴。比如，Xilinx宇航級芯片XQR5VFX130-1CF1752V封裝BGA,每片價格大于120萬人民幣，且有價無貨。宇航級芯片XQR4VSX55-10CF1140V封裝CLCC,每片價格大于50萬人民幣，ATMEL宇航芯片AT697F-KG-E封裝MQFP256，每片價格大于60萬等等。
如今，中國正利用自己的“天宮”空間站測試各種芯片處理器，進行國產替代并取得技術優勢，將有助于提高中國在太空領域的競爭力。
據悉，美國NASA目前在太空中使用的芯片是基于已有30年歷史的技術。例如，2021年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，其中的RAD750處理器使用的是過時的250nm制程芯片，時鐘頻率僅為118兆赫，不及典型智能手機芯片的一小部分。
2023年12月，中國空間技術研究院的項目團隊就在學術期刊《航天器環境工程》上發表了同行評議論文，其中稱，預計不久后將有更多的國內芯片制造商排隊等候，讓他們的頂級產品通過嚴格的太空測試。
據介紹，中國空間站現在可以同時測試100多個計算機處理器。同時，有超過20款全新的高性能芯片已經通過了測試，工藝制程范圍從28nm到16nm，這些芯片比其他國家在太空中所使用的芯片要先進得多。
2023年5月，珠海歐比特宇航科技股份有限公司的宇航級玉龍810A人工智能芯片就搭載天舟六號貨運飛船，開展在軌試驗任務。試驗主要包括：人工智能算法執行、人工智能模型切換、元器件可靠性檢測等。
目前，在“天宮”測試的芯片完全是在中國設計和制造的。在測試期間，芯片在中國獨立開發的Space OS操作系統上運行，該系統廣泛用于中國空間站和其他空間設施。
這篇論文也指出，中國的航天工程師也在“先進性”和“謹慎性”之間不斷權衡。一方面，他們希望采用人工智能等先進技術，獲取新的太空應用所需的更高端處理能力;另一方面，隨著芯片上晶體管數量的增加，會更容易受到宇宙高能粒子的干擾，從而影響計算和信息存儲的準確性。
眾所周知，中國空間站“天宮”，是我國建成的國家級太空實驗室，也是完全自建的空間站，給我國帶來了許多好處和便利。而國際空間站雖然也可進行類似實驗，但其規則規定，參與其中的國家都有權了解發送到國際空間站的所有有效載荷的詳細信息。這無疑將給涉及國家安全和技術機密的芯片測試帶來不便。
“在軌道上進行大規模芯片測試是一項艱巨而具有挑戰性的任務，但這對中國快速增長的太空雄心至關重要。” 中國空間技術研究院項目團隊指出，中國利用空間站展開的這項工作規模比以往在利用衛星上的平臺測試要大得多。
《南華早報》甚至認為，對于中國而言，目前在該領域的最大競爭壓力并不再是來自美國國家航空航天局(NASA)，而是來自以SpaceX為代表的的私營航天企業。而NASA直到2023年才最終決定讓兩家私人承包商為其未來重要的太空任務設計和制造一種新的芯片，涉及載人登月和火星探測。這種基于開源RISC-V架構的新芯片將比以前的處理器快100倍，預計將于2025年進入市場。
航天專家認為，未來幾年，全球對高性能、低成本宇航級芯片的需求將呈爆炸式增長。而“星鏈”衛星使用大量廉價的商用芯片，由于所需數量大，所以預期壽命短。
盡管中國缺乏先進芯片工藝制造設備，但中國擁有大量的深紫外光刻機，部分成熟制程設備也能自主供給，能夠以低成本生產大量芯片。此前，北斗總師就曾披露，北斗三號衛星的“心臟”使用國產龍芯CPU(即龍芯3A抗輻照型)，同時還用上了國產FPGA、ASIC和微波器件等，核心器件實現100%自主可控，徹底扭轉衛星關鍵部件依賴進口受制于人的局面。
據北京微電子技術研究所(772所)公布的信息顯示，772所為神舟十四號載人飛船的制導控制系統、數管系統、儀表與照明等6個分系統提供了高可靠CPU、FPGA套片、大容量SRAM、高速AD/DA等36款共計3000余只宇航用集成電路，成功保障了飛船的發射任務。
未來，中國的目標是開發各種高性能芯片，以使這些芯片可以在軌道上長時間保持穩定可靠的運行。同時，中國計劃建立一個與“星鏈”一較高下的衛星互聯網體系，以使中國的衛星不僅能夠處理通信功能，還能攜帶傳感器監測地球和太空。
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