圖：1972年搭載首顆CPU的先鋒10號(hào)

如果說(shuō)探尋外太空是屬于人類的終極浪漫，那么為各類航天器、空間站和探測(cè)器設(shè)計(jì)器件無(wú)疑就是IC工程師的終極浪漫，而CPU作為最重要的宇航級(jí)器件承擔(dān)了重要使命。

自1972年第一顆真正意義上的處理器登上太空以來(lái)，宇航級(jí)CPU和消費(fèi)級(jí)CPU就像DNA雙鏈一樣，緊密聯(lián)系卻又涇渭分明。

由于美蘇爭(zhēng)霸時(shí)代的太空競(jìng)賽，一次發(fā)射任務(wù)具有極高的沉沒成本（相對(duì)于21世紀(jì)），要求攜帶的宇航器件必須高度可靠和耐用（在任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)），這決定了宇航器件設(shè)計(jì)的三個(gè)特點(diǎn)。

圖：制造于2001年的RAD750

第一，相對(duì)“保守”的性能。在人類探索宇宙初期，即使有加熱/散熱器，太空中的溫度也會(huì)有很大差異，同時(shí)，電子系統(tǒng)和器件暴露在輻射中的可能性是巨大的，此外還面臨振動(dòng)、大氣密度和材料導(dǎo)致的電氣性能變化問(wèn)題。

因此，在設(shè)計(jì)其中一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，性能指標(biāo)的優(yōu)先級(jí)要低很多（類似于新能源時(shí)代以前的汽車），設(shè)計(jì)師并不總是使用最新最好的微處理器，而大概率是“能用”和“夠用”，且異常笨重（因此缺乏集成電路而大量使用電子管的蘇聯(lián)側(cè)重發(fā)展“大力出奇跡”的火箭）。

圖：韋伯搭載的RAD750性能指標(biāo)

例如，剛剛在圣誕節(jié)發(fā)射的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡搭載的就是一顆主頻為118MHz的RAD750芯片，這顆CPU于2001年發(fā)布，工藝僅為150nm，TDP僅為5W。這顆CPU只有上世紀(jì)的孱弱性能，但能承受2,000-10,000戈瑞（Gy.）的輻射，大約是做一次CT的1千萬(wàn)倍，也是單顆售價(jià)約29萬(wàn)美元的核心賣點(diǎn)。

而韋伯的大表哥——哈勃望遠(yuǎn)鏡，至今仍然運(yùn)行在英特爾的80486上。

同時(shí)，RAD750還運(yùn)行在毅力號(hào)火星車和100多顆衛(wèi)星上，接受宇宙“考驗(yàn)”近二十年目前無(wú)一故障。

從上表也可以看出，這些奇奇怪怪的宇航級(jí)CPU性能和消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品完全不在一個(gè)時(shí)代，同時(shí)指標(biāo)根據(jù)任務(wù)需求高度定制化。

圖：采用RAD6000 的機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)器

第二，只相信測(cè)試和實(shí)驗(yàn)。這就涉及到器件的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和工藝，比如NASA規(guī)定，用于太空的CPU必須首先符合美國(guó)國(guó)防部的MIL-STD-883標(biāo)準(zhǔn)——一套為確保可靠運(yùn)行而專門開發(fā)的100多項(xiàng)測(cè)試。

這些測(cè)試包括：熱、機(jī)械、交流電氣和直流電氣測(cè)試以及單個(gè)晶圓檢查的采樣要求。而前期測(cè)試結(jié)果顯示，大多數(shù)通過(guò)的CPU都來(lái)自晶圓的中心。由于早期晶圓制造工藝限制，采用中心的die更好地避免了邊緣缺陷，使設(shè)備更加耐輻射。

某種程度上，宇航級(jí)芯片都是高度定制化基礎(chǔ)上，再逐一測(cè)試、挑選的結(jié)果以確保最優(yōu)解，與消費(fèi)市場(chǎng)芯片量產(chǎn)的良率和測(cè)試有本質(zhì)區(qū)別，同時(shí)帶來(lái)的就是成本和價(jià)格暴漲。

這一個(gè)案例是機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)器上的BAE RAD6000處理器，價(jià)格約20萬(wàn)美元，NASA采購(gòu)且最終發(fā)射上天的只有200顆左右（依然是爆款型號(hào)），也就是RAD750的前任，任務(wù)的設(shè)計(jì)壽命只有3個(gè)月，但實(shí)際這套系統(tǒng)在火星上工作了15年之久。

圖：搭載英特爾8086的航天飛機(jī)

第三，子系統(tǒng)拆分和冗余。龍芯一文中我們介紹過(guò)，采用多顆CPU（甚至不一定是同一型號(hào)或架構(gòu)）是大多數(shù)航天器設(shè)計(jì)的通用做法。目的一是為了冗余，一是為了拆分任務(wù)。

在復(fù)雜的航天系統(tǒng)中，能夠單獨(dú)控制航天器的每個(gè)組件/子系統(tǒng)非常重要，每個(gè)子系統(tǒng)都由獨(dú)立的CPU管理，可以更好地控制子系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)電源管理和容錯(cuò)。例如，如果一個(gè)CPU掛掉，它只會(huì)禁用一個(gè)儀器，而不是整個(gè)航天器宕機(jī)。

NASA早期的航天飛機(jī)采用Intel 8086處理器和RCA 1802顯示控制器（后續(xù)升級(jí)為80386），預(yù)留5臺(tái)計(jì)算機(jī)用于冗余，為了規(guī)避輻射使用鐵氧體磁芯內(nèi)存，而航天飛機(jī)的整個(gè)控制軟件不到1M。

而伽利略號(hào)木星探測(cè)器使用6個(gè)RCA 1802——2個(gè)用于高級(jí)模塊、4個(gè)用于低級(jí)模塊，采用藍(lán)寶石上硅（SOSIC）技術(shù)制造增加穩(wěn)定性，加起來(lái)內(nèi)存只有176K，不得不感嘆人類科技的偉大。