【了不起的芯片】芯片的征途不止于星辰大海-电子发烧友网

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这一期，我们聊一聊航天芯片的那些事儿。

▲点击观看视频：芯片是如何上天的（上）

▲点击观看视频：芯片是如何上天的（下）

航天是芯片最早最重要的应用领域（没有之一），或者说，早年时代的芯片，就是为了航天事业服务的。

对于民用航天来说，特别是在载人航天、空间站、深空探索以及跨星球远征等复杂的航天项目中，不仅要进行实时的轨道计算、姿态控制，而且还要在高温差高辐射环境下，使用有限的电力，完成遥感、通信、数据加工等复杂的计算任务。

在集成电路出现以前，航天器的控制原件多为机械或是分立的电子原件组合而成。这些由铁和钢等制作而成的零件往往体积庞大，重量也不容小觑，在寸土寸金的航天器中占据了大量的发射载荷。

▲二战时期德国建造的V2火箭所使用的陀螺仪

但随着技术的进步，它们在体积、耗能和稳定性方面已经远不能达到航天发展的需要，航天的研发逐渐进入了瓶颈。虽然它们支持了人类早期的航天事业发展，可在之后，却成为了航天技术继续前进的障碍。

1958年，杰克·基尔比（Jack Kilby）实现了在同一块半导体材料上制造电阻器、电容器和晶体管等元器件，再通过连接形成完整电路的构想。这就是世界上第一块集成电路。这一发明，使微处理器和微存储器等器件的出现成为可能，这种加量不加价的好东西，也给了此时的航天界一个新思路。

此后的1961年，从美国提出阿波罗计划开始，举全国之力集中了一批精英工程师。参与计划的工程师将大量的资源都投入到集成电路的研发当中，单NASA一家就几乎承包了那个年代的60%以上的芯片订单。之后的几年，航天界可以说是硕果累累，捷报频发。

早期上天的集成电路注重对分立元件电路板的取代，其功能都比较简单，一般就是计数器和数字逻辑。例如第一颗环绕地球运行的集成电路SN514，其功能就是将原先的十多个分立电子原件封装进一块不足原体积1/100的芯片中以实现缩减体积。

▲SN514

随着阿波罗登月计划的推进，对航天系统的计算能力和模块重量提出了远超时代的要求。工程师基于集成电路的飞控系统在增加功能的同时并不增加体积和重量。在登月计划的研发过程中，飞控系统完成了从固定逻辑到可编程计算机的华丽转变，从而诞生了最早期的“软件”。

▲1960年前后在人造卫星上使用的分立电子原件

以第一台基于硅集成电路的计算机阿波罗制导计算机为例，它能够自行处理复杂的轨迹方程，并在飞行过程中实时发出制导指令。在该装置的整个研发过程中MIT消耗了当时全世界60%的可用集成电路。

这种计算机的字长为16位，有15个数据位和1个奇偶校验位。上面的大多数软件都存储在一种特殊的只读存储器中，这种存储器被称为核心绳存储器，是通过在磁芯上和周围编织导线而形成的，不过也有少量的读/写核心存储器可用。按我们今天的标准，该系列芯片基本采用的是几十到一百微米左右的工艺制成，主频为512kHz.早期型号中包含了4100个逻辑单元，称之为block I，之后的block II 变为2800个逻辑单元，也是载人飞船上所使用的型号。

下图为block I与block II，我们可以看出早期的这种计算机还是由简单IC叠加后组成的，和今天的集成在一颗芯片内的CPU还是有很大不同的。