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

太空是一個很難做生意的地方。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)和軍事任務所用設備使用壽命的關鍵因素。不幸的是，在太空惡劣的輻射環(huán)境中，對穩(wěn)健技術的需求往往與對性能的需求相沖突。新技術可以為巨大的成功和巨大的失敗提供機會。如果設備中的新功能沒有得到很好的理解，或者設計工具的自動功能使粗心的人陷入困境，那么最后一點尤其正確。

一般來說，輻射效應可分為兩大類。由總電離劑量（TID）引起的磨損在任務過程中逐漸發(fā)生，因為零件反復遇到使半導體材料電離的粒子。在存儲器和微處理器等更復雜的集成電路中，當傳播延遲增加、驅動強度降低或數(shù)字設備無法切換狀態(tài)導致器件無法工作時，晶體管級的變化會變成功能故障。當單個高度電離的粒子與半導體相互作用時，就會發(fā)生單事件效應（SEE）。由此產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備的災難性故障不等。

在地球同步軌道上，SEE通常由銀河宇宙射線引發(fā)，這些宇宙射線已經傳播了幾光年，導致您的零件出現(xiàn)問題。在地球磁場內，SEE主要是由質子引起的，質子與構成半導體的硅發(fā)生核反應，產生離開破壞性電離軌道的子產物。

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

高性能計算 = 高容量任務

各種技術以及 COTS 和 RH 器件的混合可以實現(xiàn)可靠的計算性能（圖 1）。單板計算機 （SBC） 的核心是三個以三模式冗余架構 （TMR） 排列的 Power PC 處理器。檢測硬件在每個時鐘周期比較所有三個處理器的每個輸出。定期重新同步（清理）通過清除所有三個處理器的內容來清除潛在錯誤。如果發(fā)生錯誤，將禁用令人不安的處理器，直到可以對其進行清理。但是，系統(tǒng)繼續(xù)正常運行，因為投票輸出繼續(xù)有效。通過改變洗滌速率，可以根據(jù)任務要求定制系統(tǒng)擾動率。

圖1：SCS750 中使用的緩解技術摘要。

易失性和非易失性存儲器都是受糾錯碼保護的商業(yè)設備。SDRAM使用配置為64個數(shù)據(jù)位和32個校驗位的Reed-Solomon;此配置可檢測并更正任何雙設備故障。EEPROM歷來表現(xiàn)出對SEU的抗擾度，因此EEPROM可以在不太穩(wěn)健的ECC下運行，并通過單位糾錯來實現(xiàn)。另一方面，EEPROM具有較低的TID容差，并使用DDC的RadPak技術進行封裝，以屏蔽芯片并減少封裝內的劑量。

少數(shù)抗輻射部件用于選定的功能，其中從商業(yè)部件開發(fā)解決方案的成本太困難或昂貴而不實用。這些功能包括 1553 接口和現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA）。由于其靈活性，F(xiàn)PGA為開發(fā)抗輻射計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，用于支持處理器的投票電路和存儲器（SDRAM和閃存）的糾錯。

閃存革命

閃存無處不在：手機、汽車、工業(yè)機器人等等。將閃存帶入太空任務的原因相當明顯。隨著大批量生產，生產高度可靠零件的龐大工業(yè)基地也隨之而來。閃存 NAND 具有極高的密度（高達數(shù)百 Gb），作為任務推動者很有吸引力。

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

與許多COTS部件一樣，閃存在遠低于許多任務所需劑量的劑量下容易受到TID降解的影響。對于多級單元（MLC）設備，這些影響通常更差，其中多個位存儲在單個數(shù)據(jù)單元中，并且對閾值偏移的容差要小得多。因此，空間設計師傾向于單層單元（SLC）設備，這些設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，可以通過在器件封裝中添加額外的屏蔽來減輕總劑量效應。

新的前沿

雖然軍用電子不再在創(chuàng)新方面引領市場，但不同的技術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)實的一個意想不到的后果是近年來資格認證流程的變化。過去，所有進入太空的部件都應該是防彈的;相比之下，現(xiàn)在設計師已經掌握了使用商業(yè)零件的挑戰(zhàn)。他們通過使用大量冗余的設計或安裝低成本、短期任務來彌補這種轉變。這種嚴重冗余方法的一個突出例子來自SpaceX，其龍補給船可能會失去發(fā)動機，但仍成功完成其任務。此外，低成本/短持續(xù)時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，高性能的任務打開了大門，這些任務有望在未來幾年內帶來令人興奮的新功能和發(fā)現(xiàn)。

審核編輯：郭婷