衛(wèi)星中的高性能計(jì)算需要在以前是抗輻射鑄造廠生產(chǎn)的零件領(lǐng)域的環(huán)境中使用先進(jìn)的商用現(xiàn)貨 （COTS） 技術(shù)。這種環(huán)境的挑戰(zhàn)要求仔細(xì)實(shí)施硬件和軟件技術(shù)，以生產(chǎn)具有作戰(zhàn)人員所需的先進(jìn)能力和操作可靠性的空間資產(chǎn)。

太空是一個(gè)很難做生意的地方。雖然被困在范艾倫帶中的帶電粒子可以為地球上的觀察者產(chǎn)生耀眼的極光效果，但由于自然輻射環(huán)境引起的退化可能是決定商業(yè)和軍事任務(wù)所用設(shè)備使用壽命的關(guān)鍵因素。不幸的是，在太空惡劣的輻射環(huán)境中，對(duì)穩(wěn)健技術(shù)的需求往往與對(duì)性能的需求相沖突。新技術(shù)可以為巨大的成功和巨大的失敗提供機(jī)會(huì)。如果設(shè)備中的新功能沒(méi)有得到很好的理解，或者設(shè)計(jì)工具的自動(dòng)功能使粗心的人陷入困境，那么最后一點(diǎn)尤其正確。

一般來(lái)說(shuō)，輻射效應(yīng)可分為兩大類。由總電離劑量（TID）引起的磨損在任務(wù)過(guò)程中逐漸發(fā)生，因?yàn)榱慵磸?fù)遇到使半導(dǎo)體材料電離的粒子。在存儲(chǔ)器和微處理器等更復(fù)雜的集成電路中，當(dāng)傳播延遲增加、驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度降低或數(shù)字設(shè)備無(wú)法切換狀態(tài)導(dǎo)致器件無(wú)法工作時(shí)，晶體管級(jí)的變化會(huì)變成功能故障。當(dāng)單個(gè)高度電離的粒子與半導(dǎo)體相互作用時(shí)，就會(huì)發(fā)生單事件效應(yīng)（SEE）。由此產(chǎn)生的電荷重組可以持續(xù)幾納秒到幾微秒，其影響從小的良性瞬變到設(shè)備的災(zāi)難性故障不等。

在地球同步軌道上，SEE通常由銀河宇宙射線引發(fā)，這些宇宙射線已經(jīng)傳播了幾光年，導(dǎo)致您的零件出現(xiàn)問(wèn)題。在地球磁場(chǎng)內(nèi)，SEE主要是由質(zhì)子引起的，質(zhì)子與構(gòu)成半導(dǎo)體的硅發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生離開(kāi)破壞性電離軌道的子產(chǎn)物。

通常，通過(guò)使用抗輻射（RH）部件可以減輕輻射效應(yīng)問(wèn)題。然而，商用半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展使得RH器件難以跟上商用現(xiàn)貨（COTS）部件中更高的存儲(chǔ)器密度和更高的加工性能。在許多情況下，沒(méi)有相對(duì)濕度等效物可用。對(duì)于要使用的這些COTS部件，必須考慮一定程度的輻射緩解，考慮到部件，環(huán)境和防護(hù)將如何相互作用。

高性能計(jì)算 = 高容量任務(wù)

各種技術(shù)以及 COTS 和 RH 器件的混合可以實(shí)現(xiàn)可靠的計(jì)算性能（圖 1）。單板計(jì)算機(jī) （SBC） 的核心是三個(gè)以三模式冗余架構(gòu) （TMR） 排列的 Power PC 處理器。檢測(cè)硬件在每個(gè)時(shí)鐘周期比較所有三個(gè)處理器的每個(gè)輸出。定期重新同步（清理）通過(guò)清除所有三個(gè)處理器的內(nèi)容來(lái)清除潛在錯(cuò)誤。如果發(fā)生錯(cuò)誤，將禁用令人不安的處理器，直到可以對(duì)其進(jìn)行清理。但是，系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行，因?yàn)橥镀陛敵隼^續(xù)有效。通過(guò)改變洗滌速率，可以根據(jù)任務(wù)要求定制系統(tǒng)擾動(dòng)率。

圖1：SCS750 中使用的緩解技術(shù)摘要。

易失性和非易失性存儲(chǔ)器都是受糾錯(cuò)碼保護(hù)的商業(yè)設(shè)備。SDRAM使用配置為64個(gè)數(shù)據(jù)位和32個(gè)校驗(yàn)位的Reed-Solomon;此配置可檢測(cè)并更正任何雙設(shè)備故障。EEPROM歷來(lái)表現(xiàn)出對(duì)SEU的抗擾度，因此EEPROM可以在不太穩(wěn)健的ECC下運(yùn)行，并通過(guò)單位糾錯(cuò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一方面，EEPROM具有較低的TID容差，并使用DDC的RadPak技術(shù)進(jìn)行封裝，以屏蔽芯片并減少封裝內(nèi)的劑量。

少數(shù)抗輻射部件用于選定的功能，其中從商業(yè)部件開(kāi)發(fā)解決方案的成本太困難或昂貴而不實(shí)用。這些功能包括 1553 接口和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 （FPGA）。由于其靈活性，F(xiàn)PGA為開(kāi)發(fā)抗輻射計(jì)算解決方案提供了一條快速途徑。在SCS750的情況下，F(xiàn)PGA中的觸發(fā)器受TMR保護(hù)，用于支持處理器的投票電路和存儲(chǔ)器（SDRAM和閃存）的糾錯(cuò)。

閃存革命

閃存無(wú)處不在：手機(jī)、汽車、工業(yè)機(jī)器人等等。將閃存帶入太空任務(wù)的原因相當(dāng)明顯。隨著大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)高度可靠零件的龐大工業(yè)基地也隨之而來(lái)。閃存 NAND 具有極高的密度（高達(dá)數(shù)百 Gb），作為任務(wù)推動(dòng)者很有吸引力。

但是，附加功能并非沒(méi)有一些額外的怪癖。與SRAM等舊技術(shù)不同，NAND設(shè)備在正常工作條件下會(huì)自然產(chǎn)生壞位。即使在陸地環(huán)境中，也需要ECC來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的耐久性和保持特性。在地球上，由于存儲(chǔ)單元中的電荷泄漏而發(fā)生單個(gè)損壞的位;然而，在太空中，翻轉(zhuǎn)機(jī)制更加多樣化。需要考慮多位翻轉(zhuǎn)和功能中斷。不過(guò)，與往常一樣，解決方案可以根據(jù)任務(wù)量身定制。在較溫和的軌道上，諸如BCH代碼之類的穩(wěn)健ECC可以處理錯(cuò)誤率，而在更惡劣的環(huán)境中，ECC錯(cuò)誤代碼可能需要與TMR架構(gòu)（或冗余副本）結(jié)合使用以處理功能中斷。

與許多COTS部件一樣，閃存在遠(yuǎn)低于許多任務(wù)所需劑量的劑量下容易受到TID降解的影響。對(duì)于多級(jí)單元（MLC）設(shè)備，這些影響通常更差，其中多個(gè)位存儲(chǔ)在單個(gè)數(shù)據(jù)單元中，并且對(duì)閾值偏移的容差要小得多。因此，空間設(shè)計(jì)師傾向于單層單元（SLC）設(shè)備，這些設(shè)備的操作余量要大得多。TID 容差可能因特征尺寸而異。在許多情況下，可以通過(guò)在器件封裝中添加額外的屏蔽來(lái)減輕總劑量效應(yīng)。

新的前沿

雖然軍用電子不再在創(chuàng)新方面引領(lǐng)市場(chǎng)，但不同的技術(shù)使得在需要高可靠性的系統(tǒng)中使用商業(yè)部件成為可能。這一新現(xiàn)實(shí)的一個(gè)意想不到的后果是近年來(lái)資格認(rèn)證流程的變化。過(guò)去，所有進(jìn)入太空的部件都應(yīng)該是防彈的;相比之下，現(xiàn)在設(shè)計(jì)師已經(jīng)掌握了使用商業(yè)零件的挑戰(zhàn)。他們通過(guò)使用大量冗余的設(shè)計(jì)或安裝低成本、短期任務(wù)來(lái)彌補(bǔ)這種轉(zhuǎn)變。這種嚴(yán)重冗余方法的一個(gè)突出例子來(lái)自SpaceX，其龍補(bǔ)給船可能會(huì)失去發(fā)動(dòng)機(jī)，但仍成功完成其任務(wù)。此外，低成本/短持續(xù)時(shí)間類別的典型代表是立方體衛(wèi)星的出現(xiàn)。在這兩種情況下，新方法都為低成本，高性能的任務(wù)打開(kāi)了大門，這些任務(wù)有望在未來(lái)幾年內(nèi)帶來(lái)令人興奮的新功能和發(fā)現(xiàn)。

審核編輯：郭婷