CPU|盘点：那些宇航级CPU和“上天”的奥秘

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导读：前段时间芯片大师借北斗总师：国产航天级CPU、FPGA等核心器件已100%自主可控一文简要写了国产龙芯CPU的“上天”情况，书接上回，本文继续带来人类航天事业中的核心器件——宇航级CPU的几桩轶事。

图：1972年搭载首颗CPU的先锋10号

【CPU|盘点：那些宇航级CPU和“上天”的奥秘】如果说探寻外太空是属于人类的终极浪漫，那么为各类航天器、空间站和探测器设计器件无疑就是IC工程师的终极浪漫，而CPU作为最重要的宇航级器件承担了重要使命。
自1972年第一颗真正意义上的处理器登上太空以来，宇航级CPU和消费级CPU就像DNA双链一样，紧密联系却又泾渭分明。

由于美苏争霸时代的太空竞赛，一次发射任务具有极高的沉没成本（相对于21世纪），要求携带的宇航器件必须高度可靠和耐用（在任务设计时间内），这决定了宇航器件设计的三个特点。

图：制造于2001年的RAD750

第一，相对“保守”的性能。在人类探索宇宙初期，即使有加热/散热器，太空中的温度也会有很大差异，同时，电子系统和器件暴露在辐射中的可能性是巨大的，此外还面临振动、大气密度和材料导致的电气性能变化问题。
因此，在设计其中一个系统时，性能指标的优先级要低很多（类似于新能源时代以前的汽车），设计师并不总是使用最新最好的微处理器，而大概率是“能用”和“够用” ，且异常笨重（因此缺乏集成电路而大量使用电子管的苏联侧重发展“大力出奇迹”的火箭）。

图：韦伯搭载的RAD750性能指标

例如，刚刚在圣诞节发射的詹姆斯韦伯太空望远镜搭载的就是一颗主频为118MHz的RAD750芯片，这颗CPU于2001年发布，工艺仅为150nm ， TDP仅为5W 。这颗CPU只有上世纪的孱弱性能，但能承受2000-10000戈瑞（Gy.）的辐射，大约是做一次CT的1千万倍，也是单颗售价约29万美元的核心卖点。

而韦伯的大表哥——哈勃望远镜，至今仍然运行在英特尔的80486上。
同时， RAD750还运行在毅力号火星车和100多颗卫星上，接受宇宙“考验”近二十年目前无一故障。
从上表也可以看出，这些奇奇怪怪的宇航级CPU性能和消费级产品完全不在一个时代，同时指标根据任务需求高度定制化。

图：采用RAD6000 的机遇号火星探测器

第二，只相信测试和实验。这就涉及到器件的认证标准和工艺，比如NASA规定，用于太空的CPU必须首先符合美国国防部的MIL-STD-883标准——一套为确保可靠运行而专门开发的100多项测试。
这些测试包括：热、机械、交流电气和直流电气测试以及单个晶圆检查的采样要求。而前期测试结果显示，大多数通过的CPU都来自晶圆的中心。由于早期晶圆制造工艺限制，采用中心的die更好地避免了边缘缺陷，使设备更加耐辐射。
某种程度上，宇航级芯片都是高度定制化基础上，再逐一测试、挑选的结果以确保最优解，与消费市场芯片量产的良率和测试有本质区别，同时带来的就是成本和价格暴涨。