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科工力量:嫦娥玉兔CPU弱,手机都比它强?
最后更新: 2019-11-25 08:59:44【文/ 铁君】
日前,有网友在知乎上提问,为何“玉兔”、“嫦娥”里CPU内存配置性能这么弱,手机都比玉兔强。这位网友之所以这样提问,其实是没搞清楚宇航级芯片和消费电子级芯片的差异?另外,就宇航级CPU来说,中国在这方面颇有建树,连俄罗斯都有意购买中国宇航级芯片。
宇航级CPU看重的是稳定性和可靠性
宇航级CPU构成了人造卫星的大脑,为了能在星际空间这样的恶劣条件下工作,不仅要应对极端苛刻的高温和低温,还要能应对无处不在的宇宙辐射。
在太空环境中,物体的温度取决于太阳的光照,由于不存在空气散热,受光面和被光面温差非常大,以轨道高度为300至400km的轨道温度为例,受光面温度约为150℃,背光面温度约为-127℃,温差约为300℃。正是因此,美国的航天飞机舱外航天服的耐温阈值为:高温149摄氏度,低温-184.4摄氏度。
在太空环境中,宇宙辐射是不可避免的,而宇宙辐射恰恰会对CPU造成损坏。微电子器件中的数字和模拟集成电路的辐射效应一般分为总剂量效应(TID)、单粒子效应(SEE)和剂量率(Dose Rate)效应。
总剂量效应源于由γ光子、质子和中子照射所引发的氧化层电荷陷阱或位移破坏,包括漏电流增加、MOSFET阈值漂移,以及双极晶体管的增益衰减。
SEE是由辐射环境中的高能粒子(质子、中子、α粒子和其他重离子)轰击微电子电路的敏感区引发的。在p-n结两端产生电荷的单粒子效应,可引发软误差、电路闭锁或元件烧毁。SEE中的单粒子翻转会导致电路节点的逻辑状态发生翻转。
剂量率效应是由甚高速率的γ或X射线,在极短时间内作用于电路,并在整个电路内产生光电流引发的,可导致闭锁、烧毁和轨电压坍塌等破坏。上述情况都会导致芯片损毁。
正是因此,商业级、工业级、军品级、宇航级CPU有着不同标准。由于各种测试非常多,数据指标也非常细,这里仅就工作温度做罗列:
商业级CPU的工作温度为0℃~70℃。
工业级CPU的工作温度为-40℃~85℃。
军品级CPU的工作温度为-55℃~125℃。
宇航级CPU不仅在工作温度上有着不亚于军品级CPU的水准,而且还有抗辐射等方面的要求。其实,中美的宇航级CPU性能都是够用就好,关键在于CPU要稳定可靠,天宫一号上的CPU主频也就10Mhz,美国好奇号火星车上的CPU主频也只有200Mhz。按照如今手机CPU的主频来说,这些国之重器上的CPU简直弱爆了。但只要可靠稳定,CPU性能够用,那就是合格产品,如果把手机CPU搬上太空,虽然这些CPU性能上更强,但无法适应太空环境。
宇航级CPU如何做到抗辐射
有人说,抗辐射技术不就是给芯片加一个抗辐射封装么?这有什么难的。其实封装对芯片的保护是有限的,高能粒子流可以打穿芯片的封装材料,进入芯片内部对芯片造成破坏。
抗辐射加固主要有设计和工艺两种加固技术,或者根据需要组合使用这两种技术。
从广义上讲,抗辐射加固设计包括材料设计、系统设计、结构设计、电路设计、器件设计、封装设计、软件设计等。从狭义上讲,一般是指采用电路设计和版图设计减轻电离辐射破坏的方法。
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- 责任编辑: 柳叶刀 
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