为什么航天器还在用老芯片

因为被制裁,华为拿不到高端芯片,最初只能忍痛将手机业务剥离,可为什么同样是高精尖的代表,同样需要芯片的中国航空航天却不受影响?

2022年,在火星上的一场强风中,几颗小石子被吹到了美国“毅力号”火星车所携带的一个科学仪器里,仪器就此瘫痪。这则消息有些奇怪,我们在生活中常常会见到类似火星车能走会动的机器——扫地机器人,从没听说它们会因为被石子砂砾缠住而丧失功能。比扫地机器人先进得多的火星车竟会被几颗石子打败?这是因为它有一颗过时的“大脑”——20世纪苹果台式电脑所使用的同款芯片。

众所周知,芯片是智能机器的中枢,随着技术进步,芯片的更新换代十分迅速,与新款芯片相比,来自20世纪的芯片在计算速度、存储性能等各方面都落后一大截。那为什么科学家打造了最先进的航天器躯体,却给它安上这样一颗过时的“大脑”呢?

其中一个重要原因是为了躲避太空“杀手”——高能粒子。太空中充满了各种各样的高能粒子。在外太空中的航天器,每时每刻都要承受高能粒子的轰炸。这些高能粒子不仅会伤害生物体,对许多电子产品也有致命性伤害。它们可以穿透机器外壳直达芯片,导致芯片的电路短路或者“比特翻转”。所谓“比特翻转”就是指将电路中的逻辑信号1变成0或者0变成1,这样一来,芯片原本想传递的指令就会被篡改得面目全非,严重时甚至会死机,这种效应被称作单粒子翻转效应。中国第一代气象卫星“风云一号”的B星升空后不久就因为遭遇高能粒子流,出现了单粒子翻转效应,导致姿态控制计算机程序混乱。

痛定思痛,科学家们开始想方设法帮助航天器芯片躲避高能粒子,其中一个方法就是使用更大更重的芯片。因为如果芯片比较笨重,可被攻击的范围大,受高能粒子的影响就会减少。随着芯片制作工艺的进步,我们造出的芯片越来越小,单位面积上的电路越来越多,粒子轰击所造成的翻转现象越来越严重,甚至会出现单粒子多位翻转,这对于整个航天器的安全构成了严重威胁。所以,出于安全考虑,应用在航天器上的芯片不能求新求快,而是求大求稳。在这个前提下,那些来自20世纪的芯片完全能满足要求,因此它们就成了航天器的常客。

除了选用大芯片,许多航天器还会采用冗余容错来实现对芯片的纠错和检测,比如,进行抗辐射加固、配备备用存储单元、使用专门的存储芯片等方式。这样一来,航天器的“大脑”就显得更加笨重了,这也是航天器看起来比普通家用电器还要“笨”的原因。

2021年年底发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜的CPU搭载的是一款RAD750芯片,这款芯片于2001年发布,在计算速度和存储性能等方面,都没什么过人之处,但它能承受2000~10000戈瑞的辐射(相当于做一千万次CT的辐射量)。RAD750芯片还同时运行在“毅力号”火星车和100多颗卫星上,部分航天器上的芯片已经接受宇宙“考验”近20年,目前无一故障。

因此,航空航天虽然是高精尖的代表,但一直在用更加靠谱的老芯片。

(摘自《大科技·科学之谜》2024年5月A刊,小黑孩图)