据中国载人航天工程办公室消息，神舟十二号载人飞船入轨后顺利完成入轨状态设置，于北京时间2021年6月17日15时54分，采用自主快速交会对接模式成功对接于天和核心舱前向端口，与此前已对接的天舟二号货运飞船一起构成三舱（船）组合体，整个交会对接过程历时约6.5小时。这是天和核心舱发射入轨后，首次与载人飞船进行的交会对接。
按任务实施计划，3名航天员随后将从神舟十二号载人飞船进入天和核心舱。
这次神舟十二号载人飞船搭乘航天员进入太空，有很多技术创新和突破，将实现5个首次：
空间站作为如今航天航空领域最复杂的技术，国产核心器件无疑面临着巨大的挑战，而核心舱作为空间站的大脑，自然也对航天芯片提出了更高的要求。
据文汇报报道，航天科技集团五院神舟十二号载人飞船项目产品保证经理郑伟介绍，神舟十二号飞船对多项国产化芯片应用进行了改进，元器件和原材料全面实现自主可控，飞船使用的控制计算机、数据管理计算机完全使用国产CPU芯片。
据湖北网络广播电视台透露，武汉海创电子股份有限公司为“神舟十二号”开发的高精度、低老化、抗振温补晶振替代了进口产品，性能优于进口，完全实现全国产化自主可控。
武汉海创电子是武汉市配套航天的一家“老企业”，从东方红一号卫星开始，就承担着航空航天产品配套任务。半个世纪以来，海创电子持续提升技术、产品的可靠性和稳定性，研制生产的各类晶体频率元器件、敏感元器件在神舟、天宫、天问等各类航天器上大展身手。
海创电子自主研发的晶体频率元器件温补晶振、时钟晶振、晶体谐振器、热敏电阻器在“神舟十二号”项目中再立新功，在运载火箭的发射、测控、通信及载人飞船在轨飞行、交会对接等系统中发挥着重要的核心关键作用。
宇航级芯片是航天航空电子装备的心脏，对于航天产业至关重要。与消费级芯片相比，宇航级芯片有什么特别之处呢？
首先，发射时要禁得住剧烈的抖动和很高的温度，才能走出地球。
其次，入轨后，面对太阳面的时候，温度迅速提升，最高到120°C；背离太阳面的时候，温度骤减，最低到-150°C。就这样90分钟一圈又一圈，周而复始，每圈都是270°C的温差。
对于电子器件来说，首先要具有耐高温、耐低温、经得住剧烈振动等性能。
微电子器件中的数字和模拟集成电路的辐射效应一般分为总剂量效应（TID）、单粒子效应（SEE）和剂量率（Dose Rate）效应。
总剂量效应源于由γ光子、质子和中子照射所引发的氧化层电荷陷阱或位移破坏，包括漏电流增加、MOSFET阈值漂移，以及双极晶体管的增益衰减。
SEE是由辐射环境中的高能粒子（质子、中子、α粒子和其他重离子）轰击微电子电路的敏感区引发的。在ｐ－ｎ结两端产生电荷的单粒子效应，可引发软误差、电路闭锁或元件烧毁。SEE中的单粒子翻转会导致电路节点的逻辑状态发生翻转。
剂量率效应是由甚高速率的γ或Ｘ射线，在极短时间内作用于电路，并在整个电路内产生光电流引发的，可导致闭锁、烧毁和轨电压坍塌等破坏。上述情况都会导致芯片损毁。
在太空中，对芯片工作影响最为严重的辐射效应当属“单粒子效应，如何理解单粒子效应（SEE）呢？
芯片中的二极管就像一个小水桶，它是用装满水和不装水两种状态来进行运算的，每个小桶就是一个比特，用1和0来表示，实际上是这个二极管充了电或者没充电（也即它的电压是高还是低）。
但是，太空中的辐射，会影响这些小水桶的状态。如果α射线轰击到芯片上，那么原来是0的小水桶就会变成1，而如果β射线照过来，那么原来是1的小水桶就会变成了0。这样芯片就会错乱，可以说完成变成乱码了。
所以，单粒子翻转（Single-Event Upsets，SEU）指的是元器件受辐照影响引起电位状态的跳变，“0”变成“1”，或者“1”变成“0”，但一般不会造成器件的物理性损伤。
除了单粒子翻转，在辐射环境下，高能粒子能与空气碰撞产生高能中子（大于10MeV），因为中子不带电，极易接近原子核，而与原子核发生碰撞，从而使原子核反应产生多种离子。
当中子和硅原子核碰撞时主要发生上图所示的四种反应，反应产生的离子在芯片硅基上的行为就表现为“载流子发生器”，在硅中局部区域产生大量的电子和空穴，这会导致芯片损伤。
这种损伤轻则使芯片需要过一段时间才能恢复工作，重则直接损坏。
那么宇航级芯片如何做到抗辐射呢？
抗辐射加固主要有设计和工艺两种加固技术，或者根据需要组合使用这两种技术。
从广义上讲，抗辐射加固设计包括材料设计、系统设计、结构设计、电路设计、器件设计、封装设计、软件设计等。从狭义上讲，一般是指采用电路设计和版图设计减轻电离辐射破坏的方法。
(1) 工艺加固是用特殊的工艺进行抗辐射加固的技术。工艺步骤可以是制造商或军方专有的，也可以是以加固为目的将特殊的工艺步骤加入到标准制造商的晶圆制造工艺中去。抗辐射加固工艺技术具有高度的专业化属性和很高的复杂性。
通常来讲，工艺制程越小，抗辐照能力越差。因此，为了确保可靠性，一般会选择较大线宽的制程，而不会一味追求摩尔定律的前沿制程。
标准单元工艺库是数字芯片的基石。如果把数字芯片看做一个建筑，标准单元工艺库就是构成建筑的砖块。标准单元工艺库包括反相器、与门、寄存器、选择器、全加器等多种基本单元，每一个标准单元对应着多个不同尺寸(W/L)、不同驱动能力的单元电路，基于这些基本单元即可构成复杂的数字芯片。
鉴于数字芯片的超大规模，已经很难通过全定制电路结构的方式来设计，而直接对商用工艺库进行加固则是设计成本最低的选择。在制造厂商提供的标准单元库基础上结合抗辐照加固措施，使设计出来的输入输出单元库具有抗辐照能力。加固之后的工艺库需要晶圆厂流片验证。
在抗辐照加固方法中，三模冗余（TMR）是最具有代表的容错机制。同一时间三个功能相同的模块分别执行一样的操作，鉴于单粒子翻转瞬时仅能打翻1路，“三选二”的投票器将会选出其余两路的正确结果，增强电路系统的可靠性。
三模冗余最显著优点是纠错能力强，且设计简单，大大提高电路可靠性；但缺点也是显而易见，会将电路增大3倍以上。TMR的方法较为灵活，可根据性能需求在寄存器级、电路级、模块级等任意层次设计TMR，部分EDA工具也可自动插入。
错误检测与纠正电路（Error Detection And Correction,EDAC）也是一种简单高效的防护单粒子翻转的电路设计方法。EDAC 主要依据检错、纠错的原理，通过转换电路将写入的数据生成校验码并保存，当读出时靠对校验码进行判定，若只有一位出错系统则自动纠正并将正确的数据输出，同时还会进行数据的回写从而覆盖原来出错的数据。EDAC尽管纠错能力强大，但是需要纠错、译码电路，因此结构较为复杂，不适宜用于高性能的数据通道中。EDAC也可用于纠正多bit出错的情况，但是纠错电路会更加复杂。
权衡TMR和EDAC的优缺点，通常会在逻辑电路设计中使用TMR，在存储器读写电路中使用EDAC。
单粒子翻转频繁出现，必须考虑到翻转发生之后不影响芯片的整体功能。因此，在架构设计中需要尽可能确保模块之间保持较强的独立性，尽可能具备独立的复位功能，使得在单粒子打翻信号值之后，一方面出错电路能够尽快通过复位信号恢复正常；另一方面，确保其他正常工作的模块不受影响。此外，还需增加异常检测电路，发现异常即可对电路进行复位。
卫星或飞船在空间飞行，会受到空间各种高能粒子的轰击，而核动力的月球车等设备本身的核辐射更容易产生中子，对芯片的损伤更大。因而航天级的防护工作，并不是只要用一层铅层将芯片保护起来这么简单。
总之，航天芯片不是以性能为首要考虑条件，但是要解决上面的几个问题，其成本却不低。除了尽量将小水桶做大之外，还有提高工作电压，增强外壳防护，采用MCM（多芯片组件）等工艺，还要考虑在极端高低温环境下的保温与散热等因素。这些综合的措施使得宇航级的芯片昂贵许多。
回顾这些年中国芯片以及宇航级芯片的发展，其实也是有很大的进步的，从我们航天事业不断取得进步这一点上也可以看出来。
其中比较著名的，是龙芯。龙芯是中国科学院计算所自主研发的通用CPU，采用自主LoongISA指令系统，兼容MIPS指令。2002年8月10日诞生的“龙芯一号”是我国首枚拥有自主知识产权的通用高性能微处理芯片。
龙芯从2001年至今共开发了1号、2号、3号三个系列处理器和龙芯桥片系列，在政企、安全、金融、能源等应用场景得到了广泛的应用。龙芯1号系列为32位低功耗、低成本处理器，主要面向低端嵌入式和专用应用领域；龙芯2号系列为64位低功耗单核或双核系列处理器，主要面向工控和终端等领域；龙芯3号系列为64位多核系列处理器, 主要面向桌面和服务器等领域。
2015年3月31日，中国发射首枚使用“龙芯”北斗卫星。新一代北斗卫星上有3个被称为“单机”的黑盒子，每个约有4本400页的32开图书摞起来那么大。其中两个黑盒子里，每个装了2片龙芯1E芯片和4片龙芯1F芯片。龙芯1E负责进行常规运算，龙芯1F完成数据采集、开关控制、通讯等功能。
十几年前，这种宇航级的芯片垄断在美国的一家公司手中，中国必须通过首脑级别的外交才能买到少数的几颗。胡伟武带领团队在2008年研发出首款抗辐照芯片，并通过了强辐照测试。眼下，苍茫宇宙中，已经有3颗人造卫星使用了龙芯的抗辐照芯片，最久的已经在轨运行了两年多，没有一次被宇宙射线打坏而影响工作。
在龙芯公司里，还有一些格外令人动容的人和事。有一位白发苍苍的老人，惹人注目，她是龙芯中科的研究员黄令仪，今年已经八十四岁。龙芯公司起源于中科院计算所，黄令仪以前是中科院计算所的研究员，曾参与过两弹一星芯片的研发。2001年，得知胡伟武要研发中国自己的芯片，66岁的黄令仪放弃退休，加入到研发队伍之中。十九年来，龙芯的每个设计方案，每个版图，黄老都要一一过目，如同检查学生作业的严师一样。
2019年，北京微电子技术研究所成功研制出国内首个自主可控的宇航用千万门级高性能可靠FPGA芯片。经过测试，发布的FPGA功能和性能指标已达到了国外对标产品水平，确实是一个振奋人心的消息。
正是无数有志中国人日以继夜地拼搏努力，我国的芯片产业，航天事业才能得到如此的发展，他们是中国人的楷模，是新时代中国的脊梁。
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2021年6月18日 10:10
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