SpaceX 因太空辐射损失 40 颗卫星的教训：聚焦抗辐射 IC 设计

太空，“最后的前沿”，一直是人们越来越感兴趣的领域，尤其是对于电子设备而言。 Microchip、BAE Systems、英特尔、CAES 和 Lattice Semiconductor 等公司致力于实现更好的空间级 IC 设计。

设计空间技术可能成本高昂、复杂且有风险。太空技术通常有一次成功或失败的机会，那就是它被发射到太空的时候。

最近感受到太空技术带来的斗争的太空冒险是SpaceX。

最近，SpaceX 报告称，它于 2022 年 2 月 3 日发射的 49 颗 Starlink 卫星中，多达 40颗卫星从低地球轨道丢失掉了。

他们宣布，这些丢失的卫星中的大多数都受到了地磁风暴的影响，该风暴是由地球磁场和来自太阳的带电粒子之间的干扰造成的。

风暴造成高大气阻力，导致一些机载系统出现故障。 40颗脱轨卫星将进入或已经进入地球大气层，以确保可持续的太空环境。

这一事件进一步强调了空间系统设计人员为卫星控制系统选择高度可靠的空间级组件的重要性。

然而，电子设备在太空中面临着各种不可预测的挑战，从极端温度到大量空间辐射。此外，如果发生故障，卫星将无法修复。

因此，始终需要具有高平均故障时间 (MTTF) 的稳健电子元件，该指标与组件的可靠性或平均寿命有关。

考虑到这一点，本文将探讨电子电路在太空中面临的一些挑战，然后深入探讨最近针对抗辐射（rad-hard）和太空工业的三项风险投资。

在设计进入“最终前沿”的电子产品时，需要考虑很多事情。

电子设备必须承受的第一个障碍是发射启动过程中产生的振动和噪音。这些突然的振动会损坏甚至短路电气设备；因此，航天级电子产品必须通过各种振动和冲击吸收测试。

另一个挑战是由于光电效应和卫星周围的低密度等离子体导致的高静电放电。电气元件必须在太空环境中承受高达 20,000 V 的放电。为防止这种情况，最好使用能抵抗电荷积聚的材料作为覆盖物。

除了这些问题，太空级电子产品还面临着巨大的热管理挑战。电子产品暴露在空间中的极端温度波动中，陶瓷封装提供了对这些高度恶劣环境中的保护。

然而，问题在于电子设备产生的散热，因为在真空中不会发生热传导。当组件暴露在高温下时，它们的预期寿命会严重降低。

当谈到太空中组件的可靠性时，最大的障碍是辐射。

在太空中，电子设备容易受到各种电离和不带电粒子的影响，例如 Alpha 和 Beta 粒子、光子、X 射线和伽马射线。

这些粒子可能会撞击电子元件并产生分类为总电离剂量 (TID) 和单事件效应 (SEE) 的不良行为。 TID 是与 MTTF 相关的长期故障。

导致 TID 的效应通常与半导体器件中的电荷积累有关。电荷积累会导致漏电流、增益下降、不希望的输入-输出特性以及更严重的永久性问题。

另一方面，SEE 是由高能粒子通过设备注入电荷引起的。这些影响会导致位翻转、内存状态变化以及许多永久性问题，如栅极氧化层损坏、闩锁等。

正如我们所观察到的，电子设备在太空中面临着许多不可预测的挑战。此外，随着现代卫星采用高速通信电路和其他机载处理单元，卫星中的仪器变得越来越复杂。因此，需要能够简化系统开发的航天级组件。

考虑到设计太空电子产品的所有这些挑战，Microchip 最近发布的一个版本希望能够继续推动新的太空级转换器的发展。

最近，Microchip 发布了一系列 50 W 混合航天级电源转换器 SA50，标准输出为 3.3 V、5 V、12 V、15 V 和 28 V，采用单输出和三输出配置。这些设备旨在简化系统推动空间应用的发展。

空间系统设计人员在电源转换器方面没有灵活性，无法将电路与非标准输入电压结合起来。因此，Microchip 灵活的转换器有助于设计人员满足特定的电压和电流需求并简化他们的系统。

总而言之，SA50 转换器符合电磁干扰 (EMI) 标准且抗辐射。这些转换器规定了 800 万小时的 MTTF 和 87% 的效率，据称这是所有混合空间级 DC-DC 转换器中最高的。

由于太空正在成为电子工业的重要组成部分，随着卫星和通信硬件的出现，需要更多的太空级组件。

最近，BAE Systems 获得了来自 Rock Island 陆军承包司令部的价值 6000 万美元的合同，与英特尔的商业代工厂 Intel Foundry Services 一起开发太空级微电子产品。

目前，商业上可用的最先进的 ASIC（专用集成电路）和其他集成电路都不是太空级的。因此，BAE Systems 的 FAST 实验室和英特尔旨在为太空应用扩展可用的电子技术。他们正在共同构建一个新的设计库，为先进的太空级微电子技术铺平道路。

除了英特尔代工服务之外，BAE Systems 还与由 Cadence Design Systems、卡内基梅隆大学、Movellus、Reliable MicroSystems 和桑迪亚国家实验室组成的团队合作。

随着如此多的公司开始参与并致力于创建太空级 IC，未来组件的势头开始增强。

BAE Systems 和英特尔并不是唯一希望进入太空电子设计领域的公司。

CAES 和莱迪思半导体最近宣布合作发布太空级莱迪思 FPGA。

开发的 Certus-NX-RT 和 CertusPro-NX-RT FPGA 紧凑且节能。它们基于 28 nm 工艺技术，并采用耐辐射、完全耗尽的绝缘体上硅 (FD-SOI) 制造工艺，具有耐温锡铅 (SnPb) 端子。

此次合作将解决对低功耗可编程空间级编程单元日益增长的需求。莱迪思半导体首席战略和营销官 Esam Elashmawi 认为，凭借莱迪思的 FPGA 技术和 CAES 的航空航天知识，他们可以加快处理空间应用的需求。

设计可持续数十年的空间系统是一项具有挑战性的任务，并且随着半导体器件和复杂性的增加，辐射硬化的任务也变得越来越复杂。

器件的特征尺寸不断缩小，使它们更容易受到辐射效应的影响。而且，性能和可靠性之间总是需要权衡取舍，这也是航天级元器件供应商正在努力克服的挑战。

然而，随着许多公司和机构涌现出各种抗辐射器件，太空级最先进电子器件的缺乏正在缓慢解决。

利用γ、X、电子射线的辐射能量对食品进行辐照处理的食品保藏方法。食品经辐照可达到杀菌、杀虫、抑制蔬菜发芽、延迟果实后熟等目的。保藏期长短根据吸收剂量而定。辐射保藏按食品的吸收剂量（食品受辐照后,每单位质量吸收的能量,单位是戈端Gy。1Gy=1J/kg）分为3种类型：①辐射商业无菌，剂量范围为10～50kGy。所使用的辐照吸收剂量使食品中微生物减少到零或有限个数。辐照后的食品可在通常条件下贮藏，但必须防止再污染。可用于辐照密封包装的蔬菜、火腿。②辐射巴氏杀菌，剂量范围为1～10kGy。所使用辐照吸收剂量使食品中检测不出特定的无芽孢的致病菌(如沙门氏菌等)，其货架寿命延长。可用于辐照草莓等浆果以便保鲜。③辐射耐贮杀菌，剂量一般在1kGy以下。这种辐照处理只降低其腐败菌数并延长新鲜食品的后熟期及保藏期。这种杀菌方法可用于谷物、马铃薯的防虫和抑制其发芽。 发展简况 自50年代中期美国军队开始研究辐射完全杀菌技术以来，荷兰、苏联、英国、法国等国也先后开展了食品辐照的研究,并取得了一些成果。60年代,国际上认为辐照是食品添加剂而加以限制，因而进展减慢。1976年，联合国粮农组织、国际原子能机构和世界卫生组织关于辐照食品安全卫生性的联合专家委员会(Joint FAO/IAEA/WHO Expert Committee)宣布，食品的辐照过程是一种类似加热或冷冻过程的物理过程。此后各国又持积极态度展开研究。1980年以后，随着对辐照食品安全性认识的澄清,更多的国家批准辐照食品的应用。中国卫生部食品卫生监督检验所组织29个单位,对大米、土豆、花生仁、蘑菇、香肠等几十种食品进行辐照研究，结果已于1986年通过技术鉴定，并制订了“辐照食品卫生管理暂行规定”，已在建立大型辐照食品生产基地。世界上已有28个国家和机构允许使用辐照食品38种以上。辐照主要用于食品的抑制发芽、杀虫、保鲜和杀菌，涉及的食品有土豆、洋葱、大蒜、面粉、谷类、果干、芒果、草莓、蘑菇、芦笋、鱼片、虾、鸡、罐装食品等。 原理 利用钴-60辐射源或电子加速分别产生的γ 射线或电子流辐照食品时,可产生4种效应：①生物学效应，使附着在食品中的昆虫、幼虫、卵、致病菌、食品腐败微生物失去繁殖能力或致死；②生理学效应，使食品的生化过程延缓或抑制，以致食品延缓生长或成熟；③物理学效应，使食品本身的渗透性改变，缩短蔬菜干燥或烹调的时间；④化学效应，使食品中各种组分发生离解，特别是水被离解后还产生间接效应而产生氧化还原反应。 特点 食品辐射保藏与罐藏、干制比较，它能较好地保持食品原有的新鲜状态，所以又称冷杀菌保藏食品法；与化学物保藏食品方法比较，它无化学物质的残留物；与冷冻食品保藏方法比较，它能节约能源；大多数食品保藏方法需要特殊的适宜包装，并需迅速加热杀菌或冷却，通常利用较小尺寸的包装容器，但辐射保藏食品包装可以比热处理食品包装大得多，因为γ、X、电子射线有较强的穿透力。 安全卫生性 1980年10月27日至11月3日,在日内瓦召开了探讨辐射食品安全卫生性问题的国际会议，并从辐射化学、营养学、微生物学、毒理学方面确认：①以电子射线(能量10MeV以内)或γ射线和X射线（能量5MeV以内）处理食品，在食品中不产生感生放射性；②低剂量（1kGy以内）用于食品辐射，营养损失是微不足道的；中等剂量(1～10kGy)可能损失一些维生素；在高剂量范围内(10～50kGy)采用有效工艺,也可以部分保护营养成分③各种辐射剂量能破坏致病菌或食品腐败微生物,并且不增加细菌、酵母、病毒的致病性；④对大量食品所进行的毒理学研究的结果，没有提供辐照不利效应的证据,剂量在10kGy以内的辐照食品不再需要进行毒理试验。 发展方向 主要在于：①确立工业规模食品辐照的技术经济可行性②研究多种食品辐照加工的稳定性③进一步研究高剂量辐照食品的安全卫生性评价；④系统收集和检查关于人类使用辐照处理饮食效应；⑤进一步研究辐照和其他处理方法相结合对食品营养价值的影响。

希望采纳

---