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這兩天，被人們稱作中國版“星鏈”的“千帆星座”徹底刷屏了。“千帆星座”也稱“G60星鏈”，該項目由上海松江區牽頭，聯合多家資本共同打造的。項目的實施主體是上海垣信衛星，此前，他們已經完成了5顆試驗星的發射，8月6日發射的18顆衛星是“千帆星座”的首批組網星。

這將是中國星網組建之中的一次重大改變，將開啟中國星網建設的新時代。而在此同時，也將徹底帶動宇航級芯片的發展。

在衛星上使用的芯片，和我們平時接觸到的芯片有所不同。這些芯片對于性能方面不會有非常高的要求，但對穩定性、耐用性和抗宇宙輻照有著超高的要求，比車規還要難上許多，基本上可以說是所有芯片中難度的天花板了。所以，布局宇航級芯片的公司寥寥無幾，價格也很高，就比如說之前賽靈思（現AMD）的宇航級FPGA，單顆芯片就價值十幾萬甚至幾十萬美元。

在中國版“星鏈”來臨之際，整個賽道正在發生翻天地覆的變化，宇航級芯片這個賽道上也開始發生巨大的變化。那么，現在，這個賽道上有什么芯片、公司以及趨勢值得關注？

很難替代的SPARC芯片

當前，衛星上的嵌入式SoC芯片，有一種架構基本無法替代，它就是SPARC架構。SPARC（Scalable Processor ARChitecture）是一種RISC處理器指令集結構。作為一種體系結構，SPARC 架構具備易擴展、易裁減特點。

稍有年紀的讀者，可能曾經經歷過那個年代，那時候，在電腦中心隨處可以見到Sun Ultra系列工作站。此外，開創SPARC的Sun公司還曾經說過“網絡就是電腦”（The Network Is TheComputer）這句格言。

雖然現在SPARC是時代的眼淚，但在航空領域還活得好好的。之所以這種架構經久不衰，是因為它本身具備很強的可靠性，同時具有可擴展性及可配置性。

SPARC架構發展歷史，制表｜EEWorld

國外方面，Microchip（ATMEL）是最具代表性的廠商，其Rad-Hard SPARC包括TSC695F（32-bit SPARC V7）、AT7913E（32-bit SPARC V8 SpaceWire Remote Terminal Controller）、AT697F（32-bit SPARC V8）。

Argotec的GR712RC雙核LEON3FT SPARC V8微處理器，也是比較有代表性的一顆芯片，用于執行多項關鍵太空任務，阿爾忒彌斯一號也采用了這顆芯片。

國內方面，北京微電子技術研究所（772所）的SPARC V8處理器BM3803已經出現在國家多個重大航天工程中，之前也作為“天和”星載計算機中最關鍵的SoC，確保了核心艙的穩定控制。這款32位的RISC嵌入式處理器擁有優秀的抗輻性能，負責艦上的載荷任務管理、網絡管理和熱控管理等分系統管理和控制。

航天智裝隸屬于中國航天科技五院，旗下全資子公司軒宇空間研發的基于SPARCV8體系結構的面向空間應用的高性能、低功耗的32位抗輻射片上系統芯片，對標國外先進宇航處理器芯片，成為國內第一款在軌飛行的SoC芯片，并大量應用于北斗導航衛星、探月衛星、小衛星、微小衛星平臺的產品中。

珠海歐比特是我國宇航SPARC V8處理器SoC標桿企業，其自研及量產的S698 系列處理器芯片產品主要有：S698-MIL、S698-T、S698P4-II、S698PM 四款，其中 S698-MIL、S698-T為單核處理器，S698P4-II、S698PM為多核處理器。

天上也要跑AI

SPARC架構芯片雖然比較穩定，但其龐大的ISA可見寄存器組，擁有多達數百個寄存器，并不適合低功耗領域，而且也比較落伍。

畢竟，這種“傳統芯片”，技術已過時，無法實現人工智能圖像處理和圖形操作等中端智能手機也能進行的處理流程。因此，許多太空設備都是“啞終端”，它們捕捉圖像、提供連接并自主操縱，但需要通過地面處理協助完成所有任務。它們需要把所有東西傳送回地球，等待地球確定下一步行動，然后再把正確的指令傳送回來。這一過程比較緩慢。

因此，適用于太空環境的新一代抗輻射電子設備或將改變這一局面，并可能帶來巨大益處。例如，美國國家航空航天局（NASA）的Space Cube是一種現場可編程門陣列（FPGA）機載系統，可幫助提高太空中的機載計算能力、自主性和人工智能/機器學習能力。在這些技術進步的支撐下，航天器的智能化程度、耐用性和可信度均得到提升。成像衛星可以觀測到海底地震等自然災害，并提前數小時發出海嘯警報，挽救數百萬人的生命。不合法的甲烷排放可被實時檢測到，存在碰撞風險的衛星能夠加快自主移動速度，降低失控碰撞和遭遇軌道碎片的風險。

因此在衛星的系統中，Arm MCU/MPU/SoC、FPGA、ASIC等產品的使用量也在逐漸加大，這些芯片和SPARC芯片各司其職。

國外方面，TI的混合信號MCU MSP430FR5969-SP時常用在遙測電路中，它可以減少用于遙測電路的FPGA資源和引腳，同時為遙測電路提供相同的功能，例如數據處理、電源時序控制和脈寬調制輸出。MSP430FR5969-SP還具有集成的鐵電隨機存取存儲器(FRAM)，與雙數據速率等傳統存儲器類型相比，這種存儲器往往能更有效地抵抗輻射的影響。

眾所周知，太空領域是Microchip的強項，已經擁有大量飛行經驗。Microchip不僅延續了Atmel在宇航級MCU上的產品，還推出了諸多新產品，比如說基于Arm的SAMRH71微處理器 （MPU）和SAMRH707微控制器 （MCU） 均實現了Arm Cortex ò-M7 SoC 抗輻射技術。在抗輻射FPGA方面，Microchip的布局非常全面，包括耐輻射PolarFire SoC FPGA、RT PolarFire FPGA、RTG4 圖形控制器 FPGA、RT ProASIC 3 FPGA、RTSX-SU 圖形控制器 FPGA、RTAX FPGA、Sub-QML FPGA。

AMD（賽靈思）的FPGA長久以來都是太空衛星的標配，AMD這家公司的產品走得也很快，AMD-Xilinx Virtex系列、AMD-Xilinx Zynq系列、AMD G-Series compatible都是NASA長期采購的產品。之前網傳的幾百萬元人民幣的芯片，也是AMD（賽靈思）的抗輻射FPGA。

Teledyne e2v是老牌的航空級芯片廠商，比如說，其宇航級微處理器家族的PC8548，性能超過基于LEON3的片上宇航系統9倍，甚至比更新的基于四核LEON4宇航SoC高35%。更重要的是，這家廠商的宇航級產品品類非常多，包括模塊、存儲器、ADC、DAC，至今為止，Teledyne e2v已經制造和售出了超過250片飛行正片。

國內方面，很多企業都突破了FPGA技術，與此同時，FPGA相關的存儲技術也得到了突破。而也在一些定制化場景上，國內也實現了定制化的ASIC芯片的突破。

越來越受重視的RISC-V

作為Arm強有力的競爭對手，RISC-V也“上天”了。

2022年，NASA選中RISC-V廠商SiFive，作為下一代高性能航天計算 (HPSC) 提供核心CPU。SiFive稱，該處理器將提供至少100倍于當前航天計算機的算力，且將適用于從行星探索到月球和火星表面任務的所有類型的未來太空任務。除了4個通用的SiFive RISC-V內核，HPSC還將使用8核的SiFive X280 RISC-V矢量核。X280，是一個多核、多集群能力的 RISC-V處理器，提供了對RISC-V矢量擴展標準和SiFive智能擴展的全面支持，并針對邊緣的AI/ML計算進行了優化。

無獨有偶，2022年，歐洲航天局同樣宣布授予CAES合約，開發RISC-V架構的產品GR7xV SoC，同時在歐洲處理器計劃第二期中，RISC-V也成為重要一員。GR7xV 集成了16個核心，用于替代傳統的SPARC V8框架，被用于太空控制、負載數據管理和處理系統中，廣泛適用于觀測、通信、導航和科考應用。CAES Gaisler的LEON系列處理器已經在太空應用中得到了數十年的驗證，全新的NOEL系列或將成為首度用于宇航應用的RISC-V處理器。

去年，蘇黎世聯邦理工學院研究人員開發了一種基于RISC-V的太空級處理器Trikarenos，據稱，它不僅可以承受輻射引起的單粒子擾亂 (SEU)，還可提供與傳統“太空芯片”相當的性能水平，而消耗的能量僅為相同能源預算的一小部分。

就在最近，Microchip還推出了太空級的64位MPU PIC64-HPSC，旨在將計算性能提高100倍以上，同時為航空航天和防御應用提供前所未有的耐輻射和容錯能力。美國國家航空航天局噴氣推進實驗室（NASA-JPL）于2022年8月宣布選擇Microchip開發HPSC處理器，作為該實驗室推進商業合作努力的一部分。PIC64-HPSC系列代表著NSAS-JPL以及更廣泛的防御和商業航空航天產業進入了自主空間計算的新時代。

總之，RISC-V越來越受到青睞，畢竟除了極致的性能，還是很開源。但是這些芯片可能需要進一步進行驗證，畢竟去太空工作，可不能“黑屏”。

太空平民化時代來了

在挑選芯片產品時，衛星和航天器系統設計人員有幾種不同的選擇。一種是對于要求不能出現故障的任務，設計人員通常會選擇采用抗輻射設計（RHBD）技術的產品，雖然成本較高，但這類產品經過篩選和認證，符合合格制造商清單（QML）Q 類和V類標準；另一種是選擇商用現貨（COTS）組件，這種做法可降低組件單位成本，縮短交付時間，但可靠性通常不足，必須進行篩選（導致成本和工程資源增加），并且需要使用軟硬三重模塊冗余（TMR）來減輕空間輻射效應。

而現在，越來越多的現貨（COTS）組件正在被使用。

這會帶來什么影響？也就是說，我們正處于太空商業化和平民化的新時代，通常稱之為新太空，從根本上改變了衛星設計、制造、發射和運營經濟。這些以前小批量生產、用途專一的航天器正在迅速商品化，分布在有時包含數千個單元的大型星座中。

現在的大趨勢下，基于COTS工藝的抗輻射器件，已經成為具有綜合高性價比，是眾多COTS器件廠商、商業衛星/單機設備制造商弄潮新型航天，以新質生產力推動大航天發展的重要抓手之一。在此方面，國外芯片廠商這幾年一直在積極布局COTS領域。

Intersil在2020年推出了三款全新的耐輻射塑料封裝IC系列產品，這些產品專為迅速增長的LEO（低地球軌道）小型衛星任務需求而設計。

瑞薩在2021推出用于衛星電源管理系統的塑料封裝抗輻射產品的新系列，這一系列創新產品將卓越的抗輻射性能與塑料封裝帶來的電路板面積節省及成本優勢完美結合，完美契合了MEO/GEO以及LEO小型衛星對高密度電子設備日益增長的需求，同時顯著降低了尺寸、重量、功耗（SWaP）及總體成本。

TI在2022年推出全新的航天增強型塑封（SEP）耐輻射產品系列，包含專為工作壽命較短的LEO衛星設計的塑封器件。

ADI在2022年推出一系列新的商用航天產品，其產品彌合了低端COTS器件與傳統航天級全氣密QMLV產品之間差距，解決COTS器件晶圓批次一致性和可追溯性、輻射性能變化監測與表征等，實現可靠性與低成本的平衡，以達到可接受的風險水平。

ST在2022年發布經濟型抗輻射加固芯片，面向關注成本的“新太空”衛星應用，其LEO系列產品與其AEC-Q100車規芯片共用同一條生產線，利用統計過程控制方法，在量產的同時保證產品質量穩定。

中國廠商的機會

縱觀上述廠商，其實很多都是從基礎芯片慢慢改成的抗輻照的宇航級芯片，我國也在此方面取得了許多成就。

比如說，成功研制具有國際先進水平的FPGA、CPU等多款宇航核心集成電路產品，已在北斗導航、載人航天、探月等重大航天工程中使用，實現了我國集成電路研制能力的跨越式發展。同時，在其他種類芯片，諸如存儲芯片、模擬前端芯片、電源芯片、傳感器等。

在未來，國內的發力重點可以集中在將AI功能與新一代抗輻射芯片集成在一起，空間設備可以自行處理所有高級分析——圖像檢測、圖像分類、自動決策、及時行動，這些也會是國產芯片的一個機會。

更重要的是，自從馬斯克進入這個領域，提出“星鏈”的概念，衛星本身就在不斷融入許多低成本的芯片方案。他走得路和電動汽車一樣，也就是將衛星消費電子化。

也許，在更遠的未來，有些芯片不再用宇航級芯片，可能更多的工規甚至消費產品會用到衛星里，而這也將會是國產廠商的新機會。

參考文獻

[1]央視網： 18、1296、1萬……我國低軌互聯網“千帆星座”助力實現“萬物互聯”.2024.8.6.https://news.cctv.com/2024/08/06/ARTI4kP7IVsAWckF7wR8cs7X240806.shtml

[2]歐比特：https://www.myorbita.net/uploadfiles/2018/08/20180811140824824.pdf

[3]中國科學院微電子研究所：https://mp.weixin.qq.com/s/d0q_wlcZqVJOi7alGEDPiA

[4]德勤：https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/cn/Documents/technology-media-telecommunications/deloitte-cn-tmt-predictions-2023-chapter-6-zh-230217.pdf

[5]Microchip：https://www.microchip.com.cn/newcommunity/Uploads/202201/61dfe4d4d0cc4.pdf

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