半導體：太空探索中的無名英雄

半導體元件有助于確保太空極端環(huán)境中的可靠性和性能。在過去的 60 年里，微芯片在 100 多次太空任務中發(fā)揮了關鍵作用，推動了太空探索中一些最具歷史意義的里程碑的成功。從 1958 年美國首次成功的太空任務到正在進行的阿爾忒彌斯任務，這些組件（見表）一直在證明其價值。

Andy Turudic/EBM下表列出了一些已用于太空任務的半導體。

 半導體元件在太空任務中的關鍵作用

自從美國第一顆衛(wèi)星 Jupiter-C 導彈上的探索者 1 號發(fā)射以來，半導體必須證明其太空資質，在外太空時滿足嚴格的輻射和可靠性標準。

太空任務中的半導體元件始于頻率控制設備。石英晶體振蕩器、壓控 SAW 振蕩器 （VCSO） 或原子鐘等頻率控制在航天任務電子設備中至關重要，因為它可確保信號的準確傳輸和接收，保持通信穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)完整性和系統(tǒng)同步。

這些組件對 1958 年美國首次太空任務的成功至關重要，并為太空可靠性奠定了基礎。1969 年的阿波羅 11 號登月是人類最偉大的成就之一，也依賴于這些技術。Microchip 在月球表面的阿波羅 11 號登月艙 （LM） 以及用于機載制導計算機的關鍵邏輯組件（見圖）內提供關鍵通信支持。

Microchip 技術Fairchild（現(xiàn)為 Microchip）的 RTμL 9915 NOR 門是 Apollo Guidance Computer 設計的基礎。

與世界上任何其他精密頻率參考相比，銣、SAW 和石英振蕩器支持更多的軍事通信、衛(wèi)星地面站和測試與測量應用。

旅行者 1 號任務現(xiàn)在是距離地球最遠的人造物體，進一步展示了半導體在太空中無與倫比的性能。旅行者 1 號的電子設備混合了 TTL 和 CMOS 邏輯 IC、模擬元件、存儲芯片和定制半導體，旨在應對深空挑戰(zhàn)。

旅行者 1 號的主計算機使用了名為 SPS-8 的定制中央處理器 （CPU），該單元由 NASA 為航天器設計。TTL 邏輯芯片是當時流行的數(shù)字集成電路類型;現(xiàn)在大多數(shù)半導體 IC 都是基于 CMOS 的。

近年來，半導體技術一直是火星探測的核心?！昂闷嫣枴焙汀耙懔μ枴被鹦擒嚍檫@顆火星提供了寶貴的見解，它們依靠這些組件在火星的惡劣環(huán)境中運行。

火星探測器，特別是毅力號探測器，包含來自 Microchip Technology 的多個組件。其中包括用于各種控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理任務的 SPARC 處理器，以及電源管理 IC （PMIC），這些 IC 對于有效管理漫游車不同部分的電源至關重要。所有這些都是抗輻射（抗輻射）組件，從而確保電子設備能夠承受惡劣的太空環(huán)境。這些組件對于火星車的運行至關重要，并幫助它在火星上執(zhí)行科學任務。

對于月球探測，印度的第三次月球探測任務 Chandrayaan-3 任務使用了多種半導體元件。這些組件（例如耐輻射 （RT） 反熔絲 FPGA）對于任務的成功至關重要，使月球表面的通信、導航和科學實驗成為可能。

正在進行的 Artemis 任務旨在將人類送回月球并最終將他們送上火星，這也依賴于半導體技術經過驗證的性能和可靠性。

可靠性和性能在太空計劃中的重要性

在惡劣的太空環(huán)境中，可靠性和性能不僅重要，而且至關重要。半導體元件是現(xiàn)代太空任務的核心，為從衛(wèi)星和漫游車到通信系統(tǒng)和空間站的所有設備提供動力。

考慮到太空的極端條件（嚴酷的溫度、強烈的輻射和太空的真空），組件必須長時間完美運行。即使是半導體中最小的故障也可能導致任務失敗，這凸顯了選擇高度可靠元件的重要性。

太空輻射的挑戰(zhàn)

太空中充滿了高水平的輻射，這對電子元件可能是毀滅性的。輻射會降低材料質量，導致電氣故障，并損壞正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。例如，地球保護大氣層之外的太陽輻射環(huán)境可能會使組件暴露于高能粒子中，從而導致單粒子翻轉 （SEU） 或總輻射劑量損傷。

為了應對這些挑戰(zhàn)，先進的抗輻射技術包括使用抗輻射半導體等專用材料。這些設計修改降低了對輻射的脆弱性。例如，機載計算機中使用的航天級微處理器通常采用抗輻射設計 （RHBD），因此故障不會導致整個系統(tǒng)癱瘓。

模擬太空條件的堅固測試

除了抗輻射之外，在太空任務方面有悠久歷史的公司還率先采用了嚴格的測試和鑒定流程，以確保其組件的可靠性和性能。這些測試遠遠超出了正常的制造質量控制。

太空級半導體經過廣泛的熱循環(huán)測試，模擬太空中的廣泛溫度變化——從太陽的酷熱到深空的嚴寒。一個例子是 NASA 對“毅力號”火星探測器的組件進行測試，該探測器經歷了 -55°C 到 125°C 的溫度波動，要求組件能夠承受如此極端的天氣而不會出現(xiàn)故障。

組件還經過振動測試，以模擬發(fā)射過程中所經歷的應力和振動?；鸺l(fā)射過程中產生的強大力與地球上看到的任何東西都不同;因此，半導體元件必須能夠承受這些條件，而不會影響其完整性。例如，在阿波羅 11 號任務期間，關鍵電子設備要接受振動測試，以確保它們能夠在強大的發(fā)射力下幸存下來，最終為登月的成功做出貢獻。

長期可靠性：太空歷史示例

太空任務要求組件不僅在任務期間工作，而且隨著時間的推移繼續(xù)可靠運行。1977 年發(fā)射的旅行者 1 號航天器是可靠性對于長期任務至關重要的一個典型例子。在太空中飛行了 40 多年，由于采用經過嚴格測試可承受極端條件的抗輻射半導體元件，該航天器繼續(xù)與地球通信。

另一個例子是國際空間站 （ISS），它依靠大量基于半導體的系統(tǒng)來維護生命支持系統(tǒng)、進行科學實驗并保持通信線路暢通。國際空間站經常暴露在太空的惡劣輻射環(huán)境中，溫度范圍從 +121°C（面向太陽）到 -157°C（陰涼處），每 45 分鐘左右交替一次。然而，板載的半導體元件必須日復一日地可靠運行。

擴展前沿：太空市場的演變

航天工業(yè)的一個發(fā)展趨勢是越來越多地使用商用現(xiàn)貨 （COTS） 設備，由于這些設備可立即使用，因此為太空任務提供了經濟高效的解決方案。Starlink 的低地球軌道 （LEO） 衛(wèi)星網(wǎng)絡利用 COTS 組件來降低成本并加快生產速度。許多機載電子設備，特別是對于非關鍵系統(tǒng)，都依賴于這些組件，這些組件既經濟實惠，又經過精心挑選，在太空環(huán)境中具有可靠性。

一個很好的例子是由 ESA（歐洲航天局）和 CNES（法國航天局）開發(fā)的歐洲發(fā)射器 Ariane。阿麗亞娜 5 號（1985 年）配備了一個硬化的 QML 級 SPARC 中央處理器，采用密封封裝，并配備了 1553 網(wǎng)絡，用于火箭內所有系統(tǒng)之間的通信。

最新版本 Ariane 6 （2024） 現(xiàn)在嵌入了基于 Arm 架構的 COTS 處理器，采用塑料封裝。它使用與廣泛采用的行業(yè)標準相同的以太網(wǎng)進行通信，這與 Ariane 5 中使用的太空/軍事特定技術形成鮮明對比。

然而，對于必須在天基通信中保持強大性能的高可靠性系統(tǒng)，需要對 COTS 設備進行調整和認證，這需要專業(yè)知識。尋求進入新太空市場或從新太空過渡到深空的公司正在與半導體公司合作，這些公司擁有成熟的飛行歷史，能夠升級 COTS 設備以滿足太空任務的嚴格要求。

短期內，半導體在太空中的未來將是多種策略的混合：升級 COTS 設備，利用我們的航天經驗和 sub-QML 版本的產品來減少篩選要求，降低成本，縮短交貨時間，以及定制制造工藝以滿足特定任務配置文件的獨特要求。

通過結合這些方法，半導體在太空中實現(xiàn)了穩(wěn)健且適應性強的未來，同時最大限度地降低了成本、復雜性并承擔了適當?shù)娘L險。

太空半導體元件的未來

隨著 LEO 星座的興起和太空商業(yè)化的不斷發(fā)展，航天工業(yè)不斷發(fā)展，對可靠、高性能半導體元件的需求也在不斷增長。新的太空企業(yè)需要能夠應對獨特挑戰(zhàn)的組件，將高可靠性、創(chuàng)新和利潤驅動目標相結合。