利用在汽車設計中學到的知識，使太空設備更加可靠。

太空中使用的硬件的設計考慮遠遠超出了輻射硬化。這些設備必須在極端溫度變化下完美運行多年，并可能在其預計壽命內被漂浮在虛空中的太空垃圾或其他粒子撞毀。

太空中的可靠性增加了一套完全不同的設計考慮因素。例如，一旦設備被發射到太空，任何人都不太可能對硬件進行物理篡改，但還有其他的外界因素。通信可能會中斷，數據可能會被盜，惡意軟件可能會被遠程上傳。此外，由于粒子碰撞或老化而導致的組件故障或退化可能會為發射時不存在的攻擊打開新的途徑。由于很難修復這些設備，特別是當它們是無人駕駛的時，因此它們必須在最開始就高度安全。對于長壽命設備來說，這是一個挑戰，因為網絡安全是一個不斷發展的領域。

氣體排放是另一個需要考慮的問題。新思科技航空航天和國防垂直解決方案高級總監 Ian Land 表示：“當物體進入太空時，它們是在真空中運行的。在半導體制造過程中引入了大量氣體，一旦芯片進入太空，實際上可以看到氣體從封裝中的金屬和模具本身的金屬中散發出來。該氣體會影響內部的封裝。在過去，人們習慣于做密封封裝來管理廢氣。現在我們要做的是創建一個允許排氣的封裝。它暴露在環境中，而它正是為應對這種情況而設計的。”

還有一個問題是產量有限。對于高性能太空飛行計算機，芯片很可能是定制設計的，數量有限，具有最大的輻射耐受性。這通常涉及多個處理元素執行相同的計算。如果一個處理器的結果與其他兩個不同，異常值計算將作為錯誤而被忽略。理想情況下，這三者都將返回相同的結果，但要確保隨著時間的推移發生這種情況，需要良好的建模和嚴格的制造過程，因為沒有足夠的體積來解決扭結問題，而且更換設備太昂貴且難以做到。

“需要確保構建的設計像平臺一樣工作，”Arteris IP解決方案和業務開發副總裁Frank Schirrmeister說。“必須弄清楚所有東西如何與系統交互，從太空安全的角度來看更是如此。尋找流程可預測性和可重復性的空間相關領域有時在應用更高級別的技術（如基于模型的系統工程）時更成功，因為他們想要在項目早期模擬的內容不是由下一個消費周期驅動的。它必須遵守非常具體的安全和安保要求。這種可預測性變得非常重要，因為正在發生的事情非常復雜。他們比其他領域更深入地研究需求的可追溯性。

全定制電子產品可以設計為可達到的最高輻射耐受性。然而，除高性能處理器外，外層空間還使用了許多其他芯片，通常用于執行更多常規功能。過去，這是使用抗輻射的成熟節點芯片完成的。但在最近的一篇技術論文中，橡樹嶺國家實驗室的研究人員研究了與 CMOS 設計的芯片相比，寬帶隙結柵 FET 如何用于近地軌道和深空的傳感、儀器儀表和通信。他們得出的結論是，這些寬帶隙結型柵極 FET 在安全性和可靠性方面更勝一籌，而且它們的性能比硅同類產品要長得多。

圖 1：太空中抗輻射電子設備的現有和新選擇。來源：橡樹嶺國家實驗室

安全問題

網絡攻擊是設計太空芯片時增加的另一個考慮因素，因為一旦推出，其中許多設備將無人看管多年，沒有立即保護。與汽車和卡車一樣，衛星和其他空間電子設備中的軟件需要更新，以跟上新的安全威脅，并在硬件或固件故障時提供解決方法。但在太空中，這帶來了額外的挑戰。

Schirrmeister 說：“能夠進行更改的無線更新的整個概念也成為一個話題。數字孿生在這個領域尤其重要，其中的某些方面與驗證更相關，而其他方面則做預測性維護等事情。”

在太空中，安全可能涉及物理攻擊或網絡攻擊，系統的設計需要能夠應對任何事件。“硬件安全正變得越來越重要，而且它確實取決于應用程序，”Land 說。“這是一個定制領域，基于我們認為這些東西的暴露程度。如果有包括物流在內的可信供應鏈，那么硬件安全問題就不大了。”

安全與保障密切相關。Schirrmeister 說：“ 他們會在哪里攻擊系統？”系統安全在某些情況下可以同時解決一些安全漏洞，從而產生“安全光環效應”。保持內存安全是一項特殊的挑戰。“深入到芯片級別來查看內存和內存訪問并進行適當的驗證非常重要。”

太空安全可以用六個概念來界定——預測、預防、檢測、承受、響應和適應。

“了解迄今為止所做的事情的問題，然后預測可以做些什么來阻止現有和未來的攻擊，”Land說。“如果我們能想象他們要做什么，我們就可以建立預防機制來阻止這種情況的發生。我們可以通過隔離等技術來抵御威脅，這樣如果威脅進入該區域，仍然有一個更敏感的區域受到保護。你必須做出回應，然后理想情況下你有辦法隨著時間的推移在未來適應。我們每天都在思考如何管理安全、管理空間，以及如何一起管理這些事情。”

幸運的是，對于最有可能攻擊太空硬件的威脅類型，可以進行大量預測。一旦硬件進入太空，物理攻擊和故障電源攻擊就不太可能發生，但當設備仍在實驗室中時，它們就有可能發生。遠程攻擊是網絡安全方面的主要問題之一，包括遠程激活的目標故障。

評估這些攻擊需要另一個概念框架。“我們關心的是攻擊的嚴重程度與發生的可能性之類的事情，”Land說。“一旦我們了解了該級別的細節，下一個級別就是硬件、軟件，然后是安全性。隨著人們有更多的時間來攻擊設備，他們就會變得更好。通常，這是在地面上的實驗室中完成的，但我們已經看到設備在通過網絡后受到遠程攻擊的情況，并且某些設備以意想不到的方式受到控制。”

Land 指出，針對目標故障的相同方法通常可用于故障管理。“我們可以使用故障注入之類的方法來了解目標故障的影響。我們可以做一些事情，比如插入有益的代碼和/或傳感器和實體，以避免受到攻擊。我們可以將設備上的區域分開，使更敏感的區域與外部更加隔離。我們可以運行一些測試來預防攻擊，然后我們也可以在這些攻擊正在運行時對其進行監控和擊沉。”

圖 2：故障注入解決的硬件安全挑戰。來源：新思科技

在去年 GOMACTech 上發表的一篇論文中，Land 和現任高通工程總監的 Meirav Nitzan 得出結論，從汽車行業收集的安全和保障經驗也可以應用于航空航天和國防行業。航空航天和國防方面的相關關鍵標準包括 DO-254（機載電子硬件設計保證）、DO-178（機載系統軟件考慮因素）、NTSS（美國宇航局技術標準體系）、MIL-PRF-38535（IC封裝可靠性）。

在論文中，作者討論了故障注入技術在測量隨機故障影響方面的有用性。他們表示，該方法還可用于解決對芯片的惡意故障攻擊。該技術從故障減少開始，其中執行靜態分析和形式分析。Land 指出，Synopsys 正在與 DARPA 合作開展安全硅自動實施 (AISS) 計劃，使設計人員能夠輕松地為設備增加安全性，包括那些用于太空的設備。

結論

太空中使用的電子設備過去相對簡單，幾乎完全基于在太空中經過驗證的成熟節點開發的芯片。但隨著送入太空的設備變得更小、更輕且功能更強大，芯片設計正呈現出全新的復雜性，涉及新材料、新功能以及更多具有本地化計算的傳感器。為這個領域設計芯片同樣也在發生變化，以使這些設備更可預測、更有彈性且成本更低。

太空芯片的未來設計可能看起來與過去開發的芯片有很大不同。輻射硬化很可能發生在多芯片設計的高級封裝層面，或者這些芯片可以使用不同的基板和架構構建，這些基板和架構由于汽車應用的發展而成為主流。無論哪種方式，太空中的電子設備都將變得與地球上的電子設備一樣先進，它們可能會面臨許多相同的問題，包括變化，加速老化和安全風險，以及一些特定于太空的其他問題。

審核編輯 ：李倩