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有市无价的宇航级芯片凭什么卖500万一颗?

荷叶塘 来源:电子发烧友 作者:程文智 2021-08-11 17:16 次阅读

上周王思聪同学花百万元组了台家用服务器,顺便邀请数码科技博主到家里帮忙组装,让广大吃瓜群众了解了百万元的“电脑”是什么样子的。虽然100万不少,但这波宣传操作下来后,比纯100万支出做推广划算多了。

闲话少说,今天我们不是来吃王同学的瓜的,我们说说今天的主角“航空级芯片”。航空级芯片的官方售价虽然不是非常贵,比如赛灵思的航空级芯片XQR5VFX130-1CF1752V,官方的价格大概是3~4万美元左右,但是呢,一般人都买不到。

笔者查了下,美国的贸泽官网可以查到该芯片的信息,但是没货,Digi-Key上不管哪个地区都没搜到货源。也就是说公开渠道是很难直接买到的。不过,据说有的供应商报价在120万
~400万元,甚至有卖500万的。当然,这个是小道消息,因为这类芯片对国内是禁售的,即便他们有卖,也是非正规渠道出来的,风险系数比较高。


图:XQR5VFX130-1CF1752V的Datasheet截图。

为什么能卖这么贵?

为何这类宇航级的芯片能卖这么贵呢?就拿XQR5VFX130-1CF1752V来说,该芯片抗辐射能力非常强,因为宇航级芯片要在外层空间中运行,除了高速计算性能外,还需要具有特殊的特性,比如说抗辐射能力。

如果用在卫星上,没有好的抗辐射能力的话,太空中大量的空间粒子辐射就会造成卫星电路性能的退化,甚至功能散失,这对卫星来说是致命的。

据数据统计,从1971年到1986年间,国外发射的39颗同步卫星共发生了1589次故障,有1129次故障与空间辐射有关,且其中的621次故障是由于单粒子效应导致的。这些统计数据说明了航天应用中电子器件的主要故障来自于空间辐射,而单粒子效应导致的故障在其中占较大比重

而且,在这些故障中,部分故障是永久性的不可逆的,比如发生单粒子锁定导致芯片内部局部短路从而产生大电流烧毁器件。针对此类错误可以应用一些特定工艺或器件库来避免。而太空中大部分错误是由于半导体器件的逻辑状态跳变而导致的可恢复的错误,如单粒子翻转导致存储器存储内容错误。

单粒子翻转(Single-Event Upsets,SEU)指的是元器件受辐照影响引起电位状态的跳变,“0”变成“1”,或者“1”变成“0”,但一般不会造成器件的物理性损伤。正因为“单粒子翻转”频繁出现,因此在芯片设计阶段需要重点关注。

那么有什么办法可以在芯片设计阶段尽量减少单粒子翻转带来的影响呢?一是选择合适的制程,在航天领域并不是最先进的制程就是最好的,通常来讲,制程越小,抗辐射能力越差,因此,一般会选择大线宽的制程;二是加固标准单元工艺库,标准单元工艺库是数字芯片的基石,包括反相器、与门、寄存器、选择器、全加器等多种基本单元;三是设计冗余,在抗辐照加固方法中,三模冗余(TMR)是最具有代表的容错机制;四是模块独立化,这样即便有部分出现了翻转,也不影响芯片的整体功能。


图:XQR5VFX130-1CF1752V的抗辐射性能。(来源:Datasheet)


宇航级芯片,除了有高性能、抗辐射之外,对芯片散热、可靠性和耐高温特性的要求也很特殊。当电路在地面使用的时候,热释放主要取决于热辐射和热传导,但在太空的真空状态下,热导率是很底的,芯片工作的时候产生的热量如何尽快释放,是工程师必须要考虑的问题。


图:XQR5VFX130-1CF1752V的封装、尺寸,及温度范围。

宇航级芯片的是怎么来的?

一般来说,芯片会按照可靠性分为消费级、工业级、军工级和宇航级四个级别。我们所见到的大部分芯片都是消费级的,坏了换一颗就行;工业级的对温度范围和可靠性会有一定要求,车规级产品有时候也被归为了工业级里面,当然车规级的要求被普通工业级又要高一些;军工级和宇航级的要求则更高。

这方面,欧美走得比较靠前,为了满足航天元器件满足航天工程的要求,美国航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)都制定了比较成熟的元器件标准体系。其中NASA除了大量采用了美军标(MIL)标准外,还根据对航天元器件的特殊需求,NASA及下属的空间飞行中心还编制了各种元器件标准(规范)和指导性技术文件,供设计和采购人员使用。比如,NASA元器件管理办公室制定的《NASA元器件选择清单(NPSL)》《EEE元器件选择、筛选、鉴定和降额指南》等。除了技术标准外,NASA还制定了大量的管理标准和文件,严格规定审批程序以保证技术标准的执行。这些标准和文件不仅指导NASA设计、采购人员正确选择、采购和使用元器件,而且被国际航天部门广泛采用。

ESA则成立了空间元器件协调组(SCCG)协调各国之间元器件的选用,并制定了以ESA/SCC为标志的各种元器件规范。其发布的《空间产品保证电气、电子和机电(EEE)元器件》是空间产品保证的第2层次标准,但对ESA航天元器件的保证来说,是其控制和管理的“顶层”标准。

我国宇航元器件标准体系分为管理标准、基础标准、保证标准和产品规范四大部分。我国的《航空电子过程管理 电子元器件管理计划的制定》由TC427(全国航空电子过程管理标准化技术委员会)归口上报及执行,主管部门为国家标准化管理委员会。主要起草单位 中国航空综合技术研究所 、中航工业西安航空计算技术研究所 。该标准主要参考了IEC国际标准IEC/TS 62239:2008。其实我国的宇航元器件标准主要还是参考国际标准制定的,这几年也变得越来越规范。

在美国,以前的半导体厂商是有专门的生产线来生产宇航级芯片的,但是由于航天产品的研究和使用周期都特别厂,决定了元器件产品的更新也相对很慢,而近几十年来半导体技术飞速发展,消费市场更新换代的速度非常快,几乎一年就更新一代产品,这让军用和宇航级芯片市场不再是半导体厂商眼里的香饽饽了,反而成为了鸡肋产品。因此,不少半导体厂商不太愿意花钱养这么一个单独的产品线了,有些半导体厂商已经开始退出军用和宇航市场,专心做消费和工业市场,比如原来的飞思卡尔。

在国内,听说宇航级的芯片大多是从工业类芯片中挑选出来,然后经过多项测试后满足要求的芯片,可以说是万中挑一,所以成本相对来说就比较高了。

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