為什么航天器還在用老芯片，是因為老芯片更加“靠譜”？

　　2022年，在火星上的一場強風(fēng)中，幾顆小石子被吹到了美國“毅力號”火星車所攜帶的一個科學(xué)儀器里，這個儀器就此癱瘓。這個消息有些奇怪，我們在生活中常常能見到類似火星車這樣能走會動的機器——掃地機器人，許多掃地機器人會通過建模規(guī)劃最優(yōu)路線，遇到障礙物會自主爬坡或繞道，很少聽說掃地機器人會因為被石子砂礫纏住而喪失功能的新聞。按理來說，比掃地機器人先進得多的火星車也不可能被幾顆石子難倒才對。那么，“毅力號”為何還避不開幾個小石子，換句話說，火星車為什么看起來“不太聰明”的樣子?

　　殺死航天器的高能粒子

　　“毅力號”之所以不聰明，原因在于它有一顆過時的“大腦”——20世紀(jì)蘋果臺式電腦所使用的同款芯片。眾所周知，芯片是智能機器的中樞，每一個指令的接收和傳遞都離不開芯片，而隨著技術(shù)的進步，芯片的更新?lián)Q代十分迅速，與新款芯片相比，來自上世紀(jì)的芯片在計算速度、存儲性能等各方面都落后了一大截，其性能甚至比不上我們手中手機的芯片。為什么科學(xué)家打造了最先進的航天器軀體，卻給它安上這樣一顆不太聰明的“大腦”呢?

　　其中一個重要原因就是為了躲避太空“殺手”——高能粒子。我們知道，太空環(huán)境與地球環(huán)境很不一樣：太空中充滿了各種各樣的高能粒子，比如高能中子、X射線、伽馬射線等。由于有地磁場和大氣層的保護，能夠到達地球表面的高能粒子很少，而缺少地磁場和大氣層的外太空和外星球則沒有那么好運，它們每時每刻都要承受高能粒子的轟炸。

　　這些高能粒子不僅會傷害生物體，對許多電子產(chǎn)品也有致命性傷害。這些粒子可以穿透機器外殼直達芯片，芯片實質(zhì)是由數(shù)不清的電路組成的，粒子的撞擊會導(dǎo)致芯片的電路短路或者“比特翻轉(zhuǎn)”。所謂“比特翻轉(zhuǎn)”就是指將電路中的邏輯信號1變成0或者0變成1，在電路中，“1”可以被簡單理解為打開電路，“0”則是關(guān)閉電路。這樣一來，一旦粒子這只“看不見的手”將電路的開關(guān)胡亂地打開或關(guān)閉，芯片原本想傳遞的指令就會被篡改得面目全非，嚴(yán)重的時候甚至?xí)罊C，這種效應(yīng)被稱作單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。

　　事實上，許多航天器都曾因為單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)而癱瘓。中國第一代氣象衛(wèi)星“風(fēng)云一號”的B星升空后不久就因為遭遇高能粒子流，出現(xiàn)了單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，以至于姿態(tài)控制計算機程序混亂，導(dǎo)致衛(wèi)星在空間翻轉(zhuǎn)，無法運行。2011年，中國自主研發(fā)的火星探測器“螢火一號”在升空數(shù)小時后入軌失敗，究其原因，很可能就是星載計算機芯片遭宇宙輻射影響發(fā)生故障而導(dǎo)致無法正常接收指令。

　　老芯片更加“靠譜”

　　痛定思痛，科學(xué)家們開始想方設(shè)法幫助航天器芯片躲避高能粒子，其中一個方法就是使用更大更重的芯片。

　　我們知道，早期制造的芯片都比較笨重，由于可被攻擊的范圍夠大，一塊芯片被高能粒子影響的區(qū)域較小，就像受力面積越大，壓強越小一樣，我們將這種翻轉(zhuǎn)效應(yīng)稱為單粒子單位效應(yīng)。隨著芯片制作工藝的進步，我們造出的芯片越來越小，單位面積上的電路越來越多，粒子轟擊所造成的翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)單粒子多位翻轉(zhuǎn)，這對于整個航天器的安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。

　　所以，出于安全考慮，應(yīng)用在航天器上的芯片不再一味求新求快，而是求大求穩(wěn)。航天器中所使用的芯片尺寸不會做得非常小，而是按任務(wù)設(shè)計，以滿足需求為上限。在這個前提下，那些來自上個世紀(jì)的芯片就完全能滿足要求，因此它們就成了航天器的?？汀?/p>

　　除了選用大芯片，許多航天器還會采用冗余容錯來實現(xiàn)對芯片的糾錯和檢測，比如說進行抗輻射加固、配備備用存儲單元、使用專門的存儲芯片等方式。這樣一來，航天器的“大腦”就顯得更加笨重了，這也是為什么航天器看起來比普通家用電器還要“笨”的原因。

　　不久前發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的CPU搭載的是一款主頻為118MHz的RAD750芯片，這款芯片于2001年發(fā)布，在計算速度和存儲性能等方面，它都沒有什么過人之處，但是它能承受2000～10000戈瑞的輻射(相當(dāng)于做一千萬次CT的輻射量)。RAD750芯片還同時運行在“毅力號”火星車和100多顆衛(wèi)星上，部分航天器上的芯片已經(jīng)接受宇宙“考驗”近20年，目前無一故障。

　　因此，與其費時費力去開發(fā)新芯片，我們何不選擇這些更加靠譜的老芯片呢?畢竟新芯片雖好，但在太空嚴(yán)酷的環(huán)境里，它們還是顯得比較嬌嫩、脆弱。