宇航抗輻射加固集成電路技術(shù)發(fā)展與思考

趙元富，王 亮，岳素格，隋成龍，李同德

（1.中國航天電子技術(shù)研究院，北京 100094；2.北京微電子技術(shù)研究所，北京 100076）

0 引言

抗輻射加固集成電路是航天的核心基礎(chǔ)技術(shù)，其發(fā)展追隨著通用集成電路技術(shù)發(fā)展的腳步，但又有其獨(dú)特性。首先，航天應(yīng)用需求對集成電路的性能要求不斷提升，同時(shí)集成電路在復(fù)雜空間環(huán)境下持續(xù)工作，又要求其具有抗輻射能力及高可靠性，即需要高性能的抗輻射加固集成電路。隨著我國深空探測、載人航天等一系列重大宇航工程不斷推進(jìn)，對抗輻射加固集成電路的性能需求將進(jìn)一步提高，新工藝、新器件、新方法和新手段將不斷引入，新一代抗輻射加固集成電路研制面臨許多新的挑戰(zhàn)。本文總結(jié)了集成電路發(fā)展趨勢和我國抗輻射加固集成電路發(fā)展現(xiàn)狀，分析了抗輻射加固集成電路的未來發(fā)展需求，并對我國抗輻射加固集成電路需重點(diǎn)關(guān)注的發(fā)展方向進(jìn)行了展望與探討。

1 抗輻射加固集成電路發(fā)展

集成電路自20 世紀(jì)50 年代問世以來發(fā)展迅速，尤其是20 世紀(jì)80 年代以來，在國民經(jīng)濟(jì)、軍事國防和日常生活中都起到了越來越重要的作用。同時(shí)，隨著太空探索和利用的不斷深入，抗輻射加固集成電路也取得了長足的進(jìn)步。

1.1 集成電路發(fā)展趨勢

1965 年，英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾提出了著名的摩爾定律（Moore’s Law），對集成電路集成度成倍增長的現(xiàn)象做出預(yù)測，集成電路技術(shù)的發(fā)展雖然需不斷克服各種技術(shù)瓶頸，但始終遵循該定律。隨著集成電路工藝技術(shù)不斷進(jìn)步，近年來，集成電路技術(shù)的發(fā)展趨勢又有了新的分支，大體形成了3 個(gè)發(fā)展方向［1］，如圖1 所示。

圖1 集成電路技術(shù)發(fā)展的3 個(gè)方向（ITRS2.0）Fig.1 Three directions for integrated circuit technology development（ITRS2.0）

1）延續(xù)摩爾定律（More Moore）。由于材料技術(shù)、工藝能力的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)特征尺寸持續(xù)等比例縮小，從而不斷提高芯片集成度。伴隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，集成電路特征尺寸不斷減小，這些特征尺寸變化成為了全球電子產(chǎn)品整體性能不斷進(jìn)化的核心驅(qū)動(dòng)力?；谂_(tái)積電最新3 nm 工藝研發(fā)的芯片，晶體管密度是7 nm 的3.6 倍，達(dá)2.5 億個(gè)/mm2。但這一方向的持續(xù)推進(jìn)，帶來了極大的資本壁壘，根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)IBS 的數(shù)據(jù)，5 nm 芯片的設(shè)計(jì)費(fèi)用超過5 億美元，新建一條3 nm 產(chǎn)線的成本約150 億～200 億美元，同時(shí)，工藝開發(fā)費(fèi)用約40 億～50 億美元，行業(yè)呈現(xiàn)寡頭壟斷。目前能夠提供7 nm 及以下先進(jìn)制程工藝的廠商僅有臺(tái)積電、英特爾和三星。

2）擴(kuò)展摩爾定律（More than Moore）。以系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)為基礎(chǔ)，將數(shù)字和非數(shù)字、硅和非硅、CMOS 和非CMOS 等不同類型電路或電、光、微機(jī)械等異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件，通過不同方式進(jìn)行堆疊，實(shí)現(xiàn)更快的開發(fā)速度、更高的計(jì)算力、更低廉的成本。世界知名半導(dǎo)體企業(yè)均為系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)的主要參與者，臺(tái)積電通過采用CoWoS 封裝技術(shù)和LIPINCON 互連技術(shù)，將大型多核設(shè)計(jì)劃分成多個(gè)小芯片一體封裝，從而提供更高的良率和更好的經(jīng)濟(jì)性。英特爾也做到將不同IP、不同工藝的各種芯片封裝在一起，從而省去漫長且成本頗高的重新設(shè)計(jì)、測試和流片過程。

3）超越CMOS（Beyond CMOS）。新理論、新材料、新結(jié)構(gòu)正處于探索階段，以取代面臨極限的CMOS 器件，如自旋電子、單電子、量子、分子和單原子器件等。目前，以原子分子自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米電子學(xué)正在蓬勃興起，代表有量子點(diǎn)陣列、碳納米管、石墨烯，其中，量子電子器件已在實(shí)驗(yàn)室條件下研制成功。這些技術(shù)將成為集成電路技術(shù)未來發(fā)展的持續(xù)動(dòng)力。

1.2 抗輻射加固集成電路發(fā)展特點(diǎn)

抗輻射加固集成電路的開發(fā)主要由航天或國防需求驅(qū)動(dòng)，其發(fā)展趨勢受集成電路總體發(fā)展趨勢影響，主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

1）多樣化需求導(dǎo)致的產(chǎn)品方向多樣化。為滿足載人航天、行星探測、深空探測等多種任務(wù)需求，針對航天型號(hào)特定功能而開發(fā)的抗輻射加固集成電路也更加多樣化。以星載計(jì)算機(jī)為例，典型單機(jī)中需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算處理功能的處理器芯片、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的存儲(chǔ)器芯片、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中繼與傳輸功能的接口電路芯片和控制器芯片、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能的AD/DA 芯片等多種宇航用集成電路。另外，集成電路領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步，也推動(dòng)著航天器部組件的更新?lián)Q代，從而產(chǎn)生新的抗輻射加固集成電路需求。

2）為繞開先進(jìn)專用生產(chǎn)線建線的巨額投入，抗輻射加固技術(shù)路線從工藝加固轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)加固。以美國為例，2003—2008 年先后建立了0.25 μm、0.13 μm等專用抗輻射加固工藝線。與此同時(shí)，由于意識(shí)到抗輻射加固集成電路的發(fā)展進(jìn)入納米工藝時(shí)代，斥資建立僅用于小批量生產(chǎn)的專用工藝線性價(jià)比太低，為此，美國國防部和國家安全局主導(dǎo)，開始實(shí)施可信賴集成電路戰(zhàn)略計(jì)劃，采用抗輻射設(shè)計(jì)加固的方式，直接在經(jīng)過國防安全認(rèn)證的商用工藝線上制造，將抗輻射加固集成電路的研制能力從0.15 μm 跨代提升到32 nm。圖2 為美國國家航空航天局（NASA）航空航天電子設(shè)備發(fā)展路線中基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展路線，按照規(guī)劃，目前使用32 nm SOI 工藝的設(shè)計(jì)加固技術(shù)已經(jīng)成熟，而文件中也明確表示由于商用先進(jìn)工藝已經(jīng)可以提供較為充分的耐輻射能力和耐高溫能力，因此，設(shè)計(jì)加固對比開發(fā)和維護(hù)專用的抗輻射加固工藝線具有明顯成本優(yōu)勢［2］。

圖2 NASA 航空航天電子設(shè)備發(fā)展路線——基礎(chǔ)技術(shù)類Fig.2 NASA’s roadmap on avionics devices—fundamental technology

3）面向未來，繞開先進(jìn)工藝下集成電路設(shè)計(jì)和制造的巨額投入，以高效、低成本為目標(biāo)，重點(diǎn)探索依靠可重構(gòu)/可編程芯片實(shí)現(xiàn)航天集成電路功能。隨著軍事智能化的不斷發(fā)展，對高性能宇航集成電路的多樣化需求層出不窮，傳統(tǒng)抗輻射加固集成電路開發(fā)流程已逐漸無法滿足目前需求，因此，必須要開發(fā)多功能、可重構(gòu)、適應(yīng)多種應(yīng)用場景的宇航集成電路。以現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）為代表的可重構(gòu)芯片，可通過靈活編程實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的功能。從發(fā)展角度來講，它可以替代目前宇航型號(hào)中諸多功能各異的集成電路，能夠大幅節(jié)省各類宇航系統(tǒng)的研制時(shí)間與成本。

1.3 我國宇航抗輻射加固集成電路發(fā)展現(xiàn)狀

綜上所述，抗輻射加固集成電路是建設(shè)航天強(qiáng)國的重要基礎(chǔ)之一。在國家的大力支持下，經(jīng)過數(shù)十年的努力，我國抗輻射加固集成電路取得了長足發(fā)展，通過自主創(chuàng)新，攻克了多項(xiàng)重大技術(shù)難題，解決了型號(hào)瓶頸問題，滿足了體系化、成批量的工程應(yīng)用需求。

長期以來，我國宇航集成電路專用生產(chǎn)線少，工藝相對落后，難以滿足航天發(fā)展對抗輻射加固集成電路的需求。為此，20 世紀(jì)90 年代末，北京微電子技術(shù)研究所率先采用“商用線+設(shè)計(jì)加固”的技術(shù)路線研制抗輻射加固集成電路，但必須解決設(shè)計(jì)加固面臨的諸多挑戰(zhàn)，如單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致集成電路功能紊亂、單粒子閂鎖導(dǎo)致集成電路可靠性降低、一般設(shè)計(jì)加固方式導(dǎo)致集成電路功耗與面積開銷過大等。為此，在國家的大力支持下，北京微電子技術(shù)研究所從集成電路輻射效應(yīng)機(jī)理研究出發(fā)，經(jīng)過潛心鉆研和不懈攻關(guān)，攻克了單粒子翻轉(zhuǎn)加固、單粒子閂鎖加固、總劑量加固等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)加固路線下集成電路產(chǎn)品的高性能、高可靠與低開銷。同時(shí)，開發(fā)了抗輻射加固集成電路研制平臺(tái)，研制了以抗輻射FPGA、CPU等核心器件為代表的數(shù)百款產(chǎn)品，基本構(gòu)建了我國抗輻射加固集成電路產(chǎn)品譜系，并體系化應(yīng)用于各類宇航型號(hào)。設(shè)計(jì)加固技術(shù)路線使我國能夠充分利用后發(fā)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)宇航集成電路的跨越式發(fā)展。然而，可重構(gòu)芯片由于硬件的復(fù)雜性和狀態(tài)的多樣性，抗輻射加固是一個(gè)難題，需要探索針對可重構(gòu)芯片的新型抗輻射加固技術(shù)途徑。

2 抗輻射加固集成電路發(fā)展需求

目前，航天技術(shù)的不斷發(fā)展對抗輻射加固集成電路提出了新的需求。航天器具有兩大發(fā)展趨勢：1）從單一功能應(yīng)用向多功能融合發(fā)展，常規(guī)的通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星的功能不斷增加，其定位從單一功能航天器向具有靈活載荷能力、支持多系統(tǒng)集成的空間平臺(tái)發(fā)展［3-5］；2）向低功耗、小型化、高集成度方向發(fā)展。

在航天器的信息感知、處理和傳輸?shù)葐卧K中，廣泛利用微電子技術(shù)，將器件、單機(jī)甚至系統(tǒng)芯片化，大幅縮小應(yīng)用單元的體積，提高了航天器的有效載荷率。隨著宇航芯片工藝從180 nm 到65 nm，再到28 nm，宇航集成電路體積更小、功耗更低，為微小衛(wèi)星的研制提供了有利條件，美國、歐洲都提出并實(shí)施了利用微小衛(wèi)星組成低軌星座的各種項(xiàng)目，并且在小衛(wèi)星上逐步集成多種功能芯片，諸如集成激光通信功能等，以支持更多的空間應(yīng)用［6-7］。總體上看，高效能計(jì)算能力和高壓大功率是其中最顯著的共性需求。

2.1 高效能計(jì)算

集成電路的發(fā)展與現(xiàn)代軍事變革息息相關(guān)。21 世紀(jì)初，信息化成為軍事變革的核心，戰(zhàn)爭形態(tài)也由機(jī)械化戰(zhàn)爭轉(zhuǎn)化為信息化戰(zhàn)爭［8］。隨著人工智能等技術(shù)快速發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭形式也從信息化戰(zhàn)爭逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑瘧?zhàn)爭。以在軌衛(wèi)星為基本單元的智能化天基互聯(lián)網(wǎng)將成為未來智能化戰(zhàn)爭中的核心，海量的戰(zhàn)場信息通過傳感器獲取，并由天基互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)處理和傳輸，天基網(wǎng)絡(luò)與地面系統(tǒng)互聯(lián)互通，形成一個(gè)天、空、地立體交聯(lián)的時(shí)空動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)［9-10］。天基衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)對航天器提出了大帶寬通信、海量數(shù)據(jù)處理、支持人工智能等功能要求，而這些功能都依賴于先進(jìn)集成電路，尤其是先進(jìn)的抗輻射加固集成電路實(shí)現(xiàn)。

除了軍事應(yīng)用之外，在氣象、遙感、導(dǎo)航、通信等民用航天領(lǐng)域，也產(chǎn)生了對抗輻射加固集成電路的不同需求。美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）發(fā)起了旨在向全球提供免費(fèi)高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的“星鏈”（Starlink）計(jì)劃，計(jì)劃部署數(shù)萬顆衛(wèi)星，所有衛(wèi)星具有大帶寬、低時(shí)延、廣連接的通信功能。同時(shí)，隨著小行星探測、深空探測等項(xiàng)目的不斷發(fā)展，亟需發(fā)展具備自主觀測、自主決策、自主導(dǎo)航能力的航天器，需要對行星表面氣象、地理等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀測，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，在短時(shí)間內(nèi)調(diào)整航天器姿態(tài)和降落策略。如圖3 所示，NASA設(shè)想的航天器在極端地形情況下精準(zhǔn)登月著陸過程［11］。在整個(gè)著陸過程中，綜合應(yīng)用了圖像傳感器、雷達(dá)、激光雷達(dá)等設(shè)備，實(shí)時(shí)檢測、決策并調(diào)整航天器姿態(tài)，自動(dòng)完成整個(gè)著陸過程。為此，新一代航天器對宇航集成電路的需求主要體現(xiàn)在信息處理能力的提升、通信能力的提升和智能化等需求。

圖3 航天器自主著陸過程［11］Fig.3 Autonomous landing of a spacecraft［11］

按照摩爾定律，隨著集成電路工藝的不斷提升，處理器的集成密度不斷提升，主頻不斷提高，相對功耗不斷降低，而這也推動(dòng)著處理器計(jì)算效能的提升。對于航天器上使用的抗輻射加固處理器，通常比商用處理器性能落后一至兩代，且差距越來越大，如圖4 所示。如今，美國最先進(jìn)的計(jì)算單機(jī)模塊是美國BAE 系統(tǒng)公司開發(fā)的RAD5545 模塊，其核心采用了先進(jìn)的45 nm 抗輻射加固SOI 工藝，但是總體性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于商用處理器［12-13］。

圖4 美國航天計(jì)算平臺(tái)與商用處理器性能對比與發(fā)展趨勢Fig.4 Comparison between the roadmaps of commercial and radiation-hardened processors

針對目前航天器計(jì)算性能瓶頸，NASA 在2013年啟動(dòng)了“高性能航天飛行計(jì)算”項(xiàng)目（HPSC），目的是開發(fā)顛覆性的航天用處理器，并顯著改進(jìn)航天器計(jì)算能力。該項(xiàng)目計(jì)劃由波音公司提供抗輻射加固多核、可重構(gòu)計(jì)算處理器Chiplet 模塊，每個(gè)小芯片都包含8 個(gè)通用ARM 內(nèi)核，以及與存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備的接口，并將靈活地定制處理器性能、功耗和容錯(cuò)能力，最終取得相對目前先進(jìn)平臺(tái)性能近百倍的提升，以滿足未來廣泛變化的航天任務(wù)需求。以火星探測任務(wù)為例，預(yù)計(jì)項(xiàng)目完成后，該項(xiàng)目成果將帶來更大帶寬數(shù)據(jù)傳輸能力以及數(shù)據(jù)處理能力，并保障包括航天器的自主進(jìn)入、下降與著陸、自主交會(huì)與對接等在內(nèi)的多項(xiàng)航天任務(wù)順利實(shí)施［14］。該項(xiàng)目中，明確地對其開發(fā)的下一代宇航用高性能計(jì)算平臺(tái)的抗輻射指標(biāo)和可靠性指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定［11］，可見抗輻射加固仍是未來宇航用集成電路的重點(diǎn)技術(shù)之一。

在專用衛(wèi)星領(lǐng)域，高效能的計(jì)算能力可為高分辨遙感觀測衛(wèi)星、高通量通信衛(wèi)星、高精度導(dǎo)航衛(wèi)星等高性能衛(wèi)星的發(fā)展提供保障。對于高分辨率遙感衛(wèi)星，空間中獲取和處理的數(shù)據(jù)量激增，現(xiàn)有宇航集成電路難以滿足大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的需求。歐美等航天強(qiáng)國一直重視在軌信息處理技術(shù)的研究、開發(fā)與應(yīng)用，積極開展航天大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和高精度處理的應(yīng)用研究。近年來，隨著衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，歐美又進(jìn)一步布局超高性能計(jì)算技術(shù)在空間環(huán)境中的應(yīng)用。

在軍事應(yīng)用上，天基計(jì)算能力成為了未來獲得戰(zhàn)場優(yōu)勢的關(guān)鍵。美軍在2018 年發(fā)布了低軌小衛(wèi)星星座BLACKJACK 項(xiàng)目，目的是使用具有較小尺寸、較輕重量、較低功耗和成本、具有機(jī)動(dòng)功能的小型通信和監(jiān)視衛(wèi)星，建立用于太空態(tài)勢感知、通信和預(yù)警一體化的低軌星座［15］。

該項(xiàng)目還計(jì)劃使用集成人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的高性能信息處理系統(tǒng)，在小衛(wèi)星內(nèi)部建立強(qiáng)有力的互聯(lián)，并將使星座具有在軌處理海量數(shù)據(jù)的能力。該項(xiàng)目的關(guān)鍵點(diǎn)和星鏈項(xiàng)目高度重合，即利用衛(wèi)星鏈路構(gòu)建新型太空網(wǎng)絡(luò)，謀求未來在太空戰(zhàn)場中的絕對優(yōu)勢。每個(gè)衛(wèi)星既是信息處理中心，又是高速傳輸中繼，要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，離不開高效能計(jì)算芯片的支撐。

2.2 高壓大功率

目前，航天器能源系統(tǒng)呈現(xiàn)能源系統(tǒng)集成化、能量供給多源化、能量收集自主化、能量信息一體化等趨勢，為提高能源利用率，支持空間新技術(shù)應(yīng)用，發(fā)展高壓大功率宇航集成電路以提高傳輸效率、降低傳輸損耗成為了未來航天器的必然需求。

在電推進(jìn)等新型航天技術(shù)發(fā)展應(yīng)用過程中，高壓大功率器件是重要的技術(shù)支撐之一。電推進(jìn)技術(shù)又稱電力離子推進(jìn)技術(shù)，主要技術(shù)思想是使用電能驅(qū)動(dòng)工質(zhì)噴射而產(chǎn)生動(dòng)力，具有整體質(zhì)量小、省燃料、比沖高等優(yōu)點(diǎn)。電推進(jìn)的應(yīng)用一方面是電火箭應(yīng)用方向，目前，美國火箭實(shí)驗(yàn)室（Rocket Lab）開發(fā)了瞄準(zhǔn)于小衛(wèi)星發(fā)射的“電子”火箭，成功執(zhí)行了多次發(fā)射任務(wù)；另一方面，電推進(jìn)目前也逐漸成為小衛(wèi)星的主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)。以星鏈為例子，每顆“星鏈”衛(wèi)星質(zhì)量約為227 kg，裝有多個(gè)高通量天線、一個(gè)太陽能電池組和高精度導(dǎo)航系統(tǒng)，使用以氪為工質(zhì)的霍爾推進(jìn)器提供動(dòng)力。星座組網(wǎng)后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)（衛(wèi)星）都具有動(dòng)能變軌能力。在美國的相關(guān)演習(xí)中，“星鏈”成功實(shí)施了對洲際導(dǎo)彈的動(dòng)態(tài)攔截，這一切得益于先進(jìn)電推進(jìn)技術(shù)提供的機(jī)動(dòng)能力。霍爾電推進(jìn)是目前主流的電推進(jìn)技術(shù)之一，目前更高的比沖是霍爾電推進(jìn)的重要發(fā)展方向之一，為了滿足未來更大型的深空探測任務(wù)的需求，電推進(jìn)的比沖必須增大，實(shí)現(xiàn)高比沖最直接的途徑是高電壓［16］，而太空中的高電壓應(yīng)用則必須考慮功率器件的加固問題，以保證電推進(jìn)器更高效、更可靠、更長壽命。

宇航用高壓功率集成電路技術(shù)進(jìn)步使宇航電子設(shè)備呈現(xiàn)出高性能、輕型化和小型化的發(fā)展趨勢，而航天領(lǐng)域前沿技術(shù)的需求會(huì)加快這一趨勢。目前，以寬禁帶、耐高壓為特征的GaN、SiC 等新一代半導(dǎo)體器件在民用領(lǐng)域快速發(fā)展，并逐漸在航天領(lǐng)域中開展應(yīng)用［17］。在空間新應(yīng)用領(lǐng)域，空間激光通信、空間太赫茲高速通信等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于高壓驅(qū)動(dòng)。而在未來的航天前沿技術(shù)中，空間太陽能電站、基于超導(dǎo)磁體的太空輻射屏蔽裝置都將使宇航用高壓、大功率器件的需求大幅度提升。

3 我國抗輻射加固集成電路需重點(diǎn)關(guān)注的發(fā)展方向

長期以來，美國在宇航集成電路研發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域一直處在領(lǐng)先地位。隨著近年來我國宇航集成電路的發(fā)展步伐不斷加快，美國又開始進(jìn)行新一輪的規(guī)劃和布局，依托“電子復(fù)興”等系列計(jì)劃，結(jié)合民營航天科技力量，從高性能宇航集成電路開發(fā)、商用高性能芯片評估等領(lǐng)域入手，謀求和擴(kuò)大宇航抗輻射加固集成電路技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢。近年來，美國民營航天企業(yè)業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)展，宇航用抗輻射加固集成電路也朝著成本更低、性能更高、技術(shù)迭代更快的方向發(fā)展。

目前來看，我國與美國在宇航集成電路全領(lǐng)域內(nèi)尚存差距。跟隨先進(jìn)航天器技術(shù)發(fā)展趨勢，為適應(yīng)載人航天、探月工程、深空探測等多種航天任務(wù)的需求，我國宇航抗輻射加固集成電路應(yīng)重點(diǎn)突破軟加固的天算芯片、高壓功率器件加固、單粒子效應(yīng)仿真等三個(gè)發(fā)展方向。

3.1 軟加固的天算芯片

為滿足新一代航天智能化信息處理需求，必須采用基于先進(jìn)工藝的高性能集成電路，但開發(fā)專用芯片成本極高，且開發(fā)周期極長。因此，我們預(yù)計(jì)未來宇航用核心芯片將是集智能、可重構(gòu)和超算于一體的芯片，我們稱其為“天算芯片”。天算芯片是一種通用的可重構(gòu)芯片，其功能可以通過基于編程代碼的二次設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，以滿足宇航集成電路的高性能、低成本和快速設(shè)計(jì)的需求。

然而，天算芯片功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模極大，若采用傳統(tǒng)的工藝加固、設(shè)計(jì)加固等硬件加固方法研制，必然導(dǎo)致芯片性能嚴(yán)重下降，功耗嚴(yán)重增大，且設(shè)計(jì)難度、開發(fā)周期和成本都將難以承受。為此，針對天算芯片需要探索新的加固技術(shù)途徑。采用芯片級(jí)軟加固研制天算芯片是一種可行的辦法。所謂芯片級(jí)軟加固，有2 個(gè)層次的內(nèi)涵：

1）軟IP 加固：設(shè)計(jì)基于電路結(jié)構(gòu)加固的IP，利用可重構(gòu)芯片，應(yīng)用于芯片功能的實(shí)現(xiàn)過程中，同時(shí)，通過將冗余、糾檢、容錯(cuò)等手段融入到代碼設(shè)計(jì)和綜合實(shí)現(xiàn)中，使芯片的抗輻射加固能力得到提升。例如，在對FPGA 編程時(shí)，對關(guān)鍵邏輯模塊進(jìn)行3 模冗余設(shè)計(jì)，對關(guān)鍵存儲(chǔ)模塊進(jìn)行糾檢錯(cuò)設(shè)計(jì)，可有效提升最終電路的抗單粒子效應(yīng)能力。

2）軟件加固：基于已完成編程/重構(gòu)的芯片硬件，通過增加軟件手段，實(shí)現(xiàn)對芯片單粒子故障的識(shí)別、診斷、容錯(cuò)或自恢復(fù)，提高芯片應(yīng)用的可靠性。

3.2 高壓功率器件加固

離子、霍爾等電推進(jìn)技術(shù)的空間應(yīng)用，新型的空間激光通信設(shè)備、空間攻防武器的研制，空間太陽能電站、超導(dǎo)磁體屏蔽太空輻射等新設(shè)想要想付諸實(shí)踐，其關(guān)鍵之一就是改良高壓大功率電源技術(shù)。

然而，高壓功率電源系統(tǒng)采用高壓功率器件，這類器件的高壓主要依靠高耐壓的耗盡區(qū)承受。當(dāng)粒子穿過耗盡區(qū)時(shí)，電子空穴對形成瞬間的導(dǎo)通通道，使高電壓直接作用于柵氧等薄弱區(qū)域，導(dǎo)致器件燒毀等嚴(yán)重?fù)p傷。高壓功率電源系統(tǒng)的抗輻射加固尤其是單粒子加固是一個(gè)世界性難題，但必須得到解決。

為此，首先需要研制抗輻射加固高壓功率器件。面對百到千伏級(jí)電壓需求，需采用GaN、SiC 等新型材料功率器件，而這些新型功率器件的抗輻射加固成為必須攻克的技術(shù)瓶頸；其次需要研究集成了高壓功率器件的電源模塊的抗輻射加固方法，通過多層級(jí)、全方位的加固，確保電源系統(tǒng)在軌可靠運(yùn)行。

3.3 單粒子效應(yīng)仿真

高效能計(jì)算依賴于高性能芯片，隨著宇航集成電路集成度和復(fù)雜度越來越高，其加固設(shè)計(jì)難度和單粒子加固性能的全面準(zhǔn)確評估變得非常困難，且成本極高。

一方面，目前尚缺少針對超大規(guī)模集成電路單粒子效應(yīng)仿真的軟件，導(dǎo)致單粒子性能無法在設(shè)計(jì)階段預(yù)估，僅能通過試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)大，為減小風(fēng)險(xiǎn)必須采用保守的加固方案，難以實(shí)現(xiàn)高效能；另一方面，對高度復(fù)雜集成電路的試驗(yàn)評估變得異常困難。NASA 研究表明：對于1 GB SDRAM 器件，全模式單粒子試驗(yàn)評估需要66 096 h，約7.5 年，這種遍歷式的評估不可能實(shí)現(xiàn)，且難以確定最劣情況。因此，非常有必要開展集成電路單粒子效應(yīng)仿真研究，依靠計(jì)算機(jī)仿真軟件完成芯片抗輻射性能的評估。

一方面，需要解決芯片單粒子效應(yīng)的仿真方法和建模問題，打通從器件級(jí)仿真到芯片級(jí)仿真的關(guān)鍵技術(shù)；另一方面，需要開發(fā)支持超大規(guī)模集成電路單粒子效應(yīng)仿真的軟件，為實(shí)現(xiàn)芯片抗單粒子能力的預(yù)估和高效評估提供關(guān)鍵技術(shù)手段。

4 結(jié)束語

抗輻射加固集成電路作為宇航核心技術(shù)，是航天技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一。隨著智能化天基衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、深空探測等航天工程的開展，高效能計(jì)算和高壓大功率成為未來對抗輻射加固集成電路的重要需求。結(jié)合集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢和未來宇航型號(hào)需求，充分探索和利用集成電路前沿技術(shù)，謀劃確定重點(diǎn)發(fā)展方向，在軟加固的天算芯片、高壓功率器件加固和單粒子效應(yīng)仿真等技術(shù)方向超前布局，在滿足航天發(fā)展需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)抗輻射加固集成電路的創(chuàng)新發(fā)展和技術(shù)引領(lǐng)。