都是晶片，宇航級晶片與麒麟、英特爾晶片有何不同？中美差距幾何

不久之前，Space X的軟體工程師回答了數十個有關Space X在軟體領域使用的問題。Space X的軟體工程師透露，Space X每次發射60顆Starlink衛星，都攜帶了4000臺Linux計算機。到目前為止，公司已經完成了8批Starlink衛星發射，這意味著超過30000臺Linux計算機(和6000多個微控制器)已經在繞地球軌道運行。Space X公司被批准向近地軌道發射12000顆Starlink衛星，在此基礎上，Space X還向美國聯邦通信委員會提交了繼續發射另外3萬顆衛星的申請。就數量而言，這意味著Space X公司將在未來幾年內向太空發射超過200萬臺Linux計算機。而隨著網際網路星座進入商業階段，通信安全將是Space X面臨的關鍵問題。其中，數據的端到端加密是Space X確保數據傳輸安全的重要一步。

Starlink軟體團隊負責人馬特·蒙森說，Starlink衛星網絡中的每一塊硬體都只能運行Space X的軟體，包括衛星、網關和用戶終端。這將有效地防止外來攻擊者入侵系統。與此同時，Space X正在改善系統的內部安全，這樣當一個地方出現漏洞時，系統的其他部分不會受到影響。進而提高衛星網絡的整體安全性。 目前，這些衛星仍處於測試階段，過程並不順利。這些衛星有不止一次的故障。幸運的是，衛星自身能夠保證自身的安全飛行，使得團隊有足夠的時間調試在軌衛星，找到修複方法，並在軟體更新過程中不斷修復問題。一般來說，所有在軌衛星的軟體更新頻率約為每周一次。

Space X團隊還透露，雖然機器學習已經在許多行業得到有效應用，但載人龍飛船和獵鷹9號火箭目前還沒有使用任何機器學習技術，但不排除將來會使用機器學習技術。這不得不提到太空飛行器計算硬體的問題。事實上，包括火箭和宇宙飛船在內的太空飛行器的CPU通常都不是市場上最新的CPU產品。這些定製的CPU從測試到最終啟動可能需要10年以上的時間，因此最終安裝的CPU可能是10年前的產品。例如，國際空間站上運行的CPU是1988年的Intel80386-SX，其性能可想而知。這是因為CPU要在空間環境中工作，必須接受輻射處理，因為在高能粒子的轟擊下，微處理器會冒出各種各樣的毛病。比方說氧化層電荷陷阱、漏電流增加、雙極電晶體的爭議衰減、電路節點的邏輯狀態翻轉等等。宇宙中充滿了高能輻射，我們是如何做到放心的讓一架靠電腦自動駕駛的火箭將衛星空間站甚至我們自己送到太空的呢？本期西瓜視頻創作人科學火箭叔，在他這期視頻裡，和大家聊聊都是CPU，為什麼裝在火箭裡的叫做宇航級晶片，它到底有何不同？

航天級的CPU究竟跟你用來上網的CPU有什麼樣的區別，另外Space X又是怎麼另闢蹊徑的？

1、航天級晶片的抗輻射設計

為了幫助你理解剛才那些拗口的術語，背後可能會迎接怎樣的嚴重災難。舉一個例子，電腦是用二進位來工作的，所有的數據在他面前都是以01010101…來呈現的。當高能粒子擊中CPU之後，可能會造成的一種情況就是電路節點的邏輯狀態翻轉。把他說簡單一點啊，就是原來某個位置上可能是1，撞裝完之後就變成0了，原本的狀態也就因此而翻轉了。這將帶來怎樣的後果呢？如果我們讓CPU來做一道10加10的簡單加法的話，寫成二進位就是1010加1010等於10100，答案不偏不移，就是十進位的20。但我們假設這個時候突然一個阿爾法粒子蹦出來，把其中一個加數中的0撞成立1。於是我們得到的結果就變成了11000，等於十進位的24。

1996年，阿麗亞娜五號火箭首飛時就是因為軟體系統錯誤的這樣一個64位的數字放進了一個16位的地址裡面，從而導致人們的數字被拆成了幾截，並變成了另外一個完全不同的數值。於是火箭認為自己飛錯了方向，突然改變姿態，想要重新調整過來。但由於空氣應力過大，直接就炸開了花。所以看起來航天CPU 怎麼保護都不為過啊。那是不是只要在普通的CPU 外面加上厚厚的鉛板就可以了呢？沒那麼簡單，他們完全就是兩個世界裡面的東西應用在航天晶片上面的技術叫做抗輻射加固技術。他說起來相當複雜，需要從材料設計系統設計、結構設計、電路設計、器件設計、封裝設計、軟體設計等多方面入手來進行。現在最先進的抗輻射加固晶片是什麼樣的呢？我們國家自己的產品到了哪個階段吧？實際上當你早就用上了4核，甚至是8核的CPU之後呢，人類發射上天的最先進的衛星和探測器上依然還停留在使用單核的年代。當然，據說多核也出現了，但估計是太新還很難查到數據。比如說好奇號火星探測車上面的大腦，就是一顆每秒只能運行2.6億次指令級的RAD 750 CPU了。它堪稱是當今世界上最先進的抗輻射加固CPU 了，每一秒鐘運行2.6億次指令集，換成術語說就是260MIPS，聽起來好像快的不像話。但你知道嗎？1996年發布的英特爾高能奔騰處理器的運算速度就一定能夠碾壓他了。而且，他其實也沒有比更古董的486快上多少。或許你沒有聽說過兩款CPU，雖然速度菜鳥只能夠玩掃雷，但價格卻高到能在一線城市買一套房。這種巨大的反差恰恰是工程師們為了換取安全性而不得不做出的犧牲。

好在通常現在的火箭和衛星也沒有太多花哨的操作。只要忠實的把工程師寫的代碼執行好就可以了。但你知道這種美國最先進的航天晶片可是並不會賣給我們的。他能夠提供的是速度最多只有之前三分之一多一點的愛特梅爾AT697，價格也要好几上百萬一片。那我們怎麼辦？只能自己研發。早期，我們會仿照一些國外的先進晶片，用在遙感和氣象衛星上。慢慢的我們會基於開原始碼來修改設計自己的晶片，然後把它裝到玉兔上。性能跟歐洲的產品已經不相上下。現在我們自主設計的宇航級CPU，比如龍芯1E和1F運算速度已經比較接近，裝到好奇號上的那片了，但價格卻只要幾萬塊，未來我們勢必還會在這條路上獲得不斷的突破。目標直指打破西方的壟斷。

2、Space X的耐輻射設計

只有抗輻射設計這條路嗎？Space X顯然就沒有走這條路。是因為這樣加固後的晶片太貴超出了馬斯克的成本預算，還是他嫌這麼慢的CPU 無法帶動龍飛船上的觸控螢幕呢？大概都有吧。總之，他是用的是普通的民用CPU，然後靠算法和架構取勝。同樣在處理器的設置上Space X的也是冗餘設計。針對每一個系統工程師都用到了三顆多核CPU。但每顆CPU的每個核心同時只做一個運算，然後將運算結果拿出來比對。如果一致則向下執行。如果某一個因為可能是輻射的原因，而與其他幾個的結果不同的話，那麼這個CPU 會立刻重啟，然後再做一次運算，直到交叉驗證結果完全一致。哪怕三個CPU 都遭到了輻射的襲擊，Space X的系統都還是可以把它給糾正過來。難怪人家敢玩火箭垂直回收，便宜的CPU就意味著工程師敢大把大把的把他們往火箭裡面放。獵鷹9號每臺發動機配了3個CPU，9臺就是27個，再加上飛行控制的3個，一共是30個CPU 在裡面。龍飛船飛控系統有3個CPU，其餘18個系統又是每人分得3個，加起來就一共達到到54個CPU 的水平。如今的載人龍飛船隻會更多。所以你看得虧埃隆馬斯克沒有掏錢去買抗輻射的加固CPU ，否則他怎麼炸得起那麼多火箭呢？當然Space X用的這個方法並不是非主流，它其實叫做耐輻射設計。

NASA自己也在用,好處除了更便宜以外，也能更方便的找到為火箭寫代碼的優秀程式設計師。畢竟會C++的高手還是很多的。

3.、耐高溫和低溫環境的性能設計

在太空環境中，物體的溫度取決於陽光。因為沒有空氣散熱，所以光接收表面和照明表面之間的溫差非常大。以軌道高度為300-400公裡的軌道溫度為例，受光面溫度約為150℃，背光面溫度約為-127℃，溫差約為300℃。因此，美國太空梭艙外航天服的溫度閾值是:高溫149℃，低溫-184.4℃。

正是因此，商業級、工業級、軍品級、宇航級CPU有著不同標準。由於各種測試非常多，數據指標也非常細，這裡僅就工作溫度做羅列：

商業級CPU的工作溫度為0℃～70℃。

工業級CPU的工作溫度為-40℃～85℃。

軍品級CPU的工作溫度為-55℃～125℃。

宇航級CPU不僅在工作溫度上有著不亞於軍品級CPU的水準，而且還有抗輻射等方面的要求。

中國和美國在防輻射晶片上的差距是多少?

長期以來，中國的星載計算機處理器大多依賴進口，國產衛星也使用進口的CPU。然而，以美國為首的西方國家嚴格限制了高性能航天和軍用級CPU的出口，這極大地限制了中國衛星計算機的發展。十多年前，美國司法部和國防部犯罪局對華裔學者進行了調查，原因是他們購買了軍用級英特爾486cpu並賣給了中國。

事實上，國內為數不多的軍用和航空航天級cpu，大部分是對國外產品進行逆向工程，如航空航天用的386EX，軍用電子設備用的486dx和ARM7，還有一些國內單位複製了powerpc603e和sm1750、sm1753和sm1754。p1750的國產版本也被用於遙感1號、風雲3號和石巖4號星。基於SPARC的開放原始碼有bm3802rh和bm3803mgrh。然而，國內這些基於開放原始碼進行模擬或修改的cpu，多數性能較差。p1750,386EX,486dx,ARM7性能低於50mips。雖然bm3802rh和powerpc603e超過100mips，優於rad6000，但可以與歐洲的Leon相媲美，但與美國的rad750相比還有很大差距，rad750的計算性能為240-400mips。

可以肯定的是，計算性能只是航天晶片的一個指標，抗輻射能力也非常重要。例如，rad750可以承受1000灰度輻射。然而，國產航天級CPU的抗輻射指數披露會帶來一定的風險。敵國可以根據該指標研製攻擊中國衛星的武器，因此沒有介紹其抗輻射性能。

2015年發射的北鬥雙星採用100%國產CPU，在北鬥雙星上搭載龍子1E和龍子1F，負責日常運行、數據採集、開關控制、通信等處理功能。龍芯1E和龍芯1F是中國極少數自主設計的航天級cpu。與rad750一樣，Godson1E和Godson1F都來自於成熟的商業產品powerpc750。Godson1E和Godson1F也是源於相對成熟的技術。微觀結構為gs232。它們是在2006年設計的。gs232的IP授權去年銷售了300多萬套，龍芯使用gs232的cpu也銷售了數百萬臺。Godson1E和Godson1F的性能指標為200mips。雖然美國的Godson1E和rad750之間還有差距，但它比西方願意公開賣給中國的航空航天級CPU要好。更有價值的是，龍子1E和龍子1F的單價只有幾萬元。在西方願意賣給中國的航天級晶片中，如美國的atmelat697，性能為1億MIPS，每片售價20-30萬元，性能更好，成本可達數百萬元。

目前，龍芯1E已經取代了美國進口的atmelat697，正在開發基於gs232e的下一代航空級CPU，性能將達到400MIPs。這項工作一旦完成，將打破西方國家對高端航天級晶片的壟斷。

最後

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