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這一期，我們聊一聊航天芯片的那些事兒。

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航天是芯片最早最重要的應用領域（沒有之一），或者說，早年時代的芯片，就是為了航天事業服務的。

對于民用航天來說，特別是在載人航天、空間站、深空探索以及跨星球遠征等復雜的航天項目中，不僅要進行實時的軌道計算、姿態控制，而且還要在高溫差高輻射環境下，使用有限的電力，完成遙感、通信、數據加工等復雜的計算任務。

在集成電路出現以前，航天器的控制原件多為機械或是分立的電子原件組合而成。這些由鐵和鋼等制作而成的零件往往體積龐大，重量也不容小覷，在寸土寸金的航天器中占據了大量的發射載荷。

▲二戰時期德國建造的V2火箭所使用的陀螺儀

但隨著技術的進步，它們在體積、耗能和穩定性方面已經遠不能達到航天發展的需要，航天的研發逐漸進入了瓶頸。雖然它們支持了人類早期的航天事業發展，可在之后，卻成為了航天技術繼續前進的障礙。

1958年，杰克·基爾比（Jack Kilby）實現了在同一塊半導體材料上制造電阻器、電容器和晶體管等元器件，再通過連接形成完整電路的構想。這就是世界上第一塊集成電路。這一發明，使微處理器和微存儲器等器件的出現成為可能，這種加量不加價的好東西，也給了此時的航天界一個新思路。

此后的1961年，從美國提出阿波羅計劃開始，舉全國之力集中了一批精英工程師。參與計劃的工程師將大量的資源都投入到集成電路的研發當中，單NASA一家就幾乎承包了那個年代的60%以上的芯片訂單。之后的幾年，航天界可以說是碩果累累，捷報頻發。

早期上天的集成電路注重對分立元件電路板的取代，其功能都比較簡單，一般就是計數器和數字邏輯。例如第一顆環繞地球運行的集成電路SN514，其功能就是將原先的十多個分立電子原件封裝進一塊不足原體積1/100的芯片中以實現縮減體積。

▲SN514

隨著阿波羅登月計劃的推進，對航天系統的計算能力和模塊重量提出了遠超時代的要求。工程師基于集成電路的飛控系統在增加功能的同時并不增加體積和重量。在登月計劃的研發過程中，飛控系統完成了從固定邏輯到可編程計算機的華麗轉變，從而誕生了最早期的“軟件”。

以第一臺基于硅集成電路的計算機阿波羅制導計算機為例，它能夠自行處理復雜的軌跡方程，并在飛行過程中實時發出制導指令。在該裝置的整個研發過程中MIT消耗了當時全世界60%的可用集成電路。

這種計算機的字長為16位，有15個數據位和1個奇偶校驗位。上面的大多數軟件都存儲在一種特殊的只讀存儲器中，這種存儲器被稱為核心繩存儲器，是通過在磁芯上和周圍編織導線而形成的，不過也有少量的讀/寫核心存儲器可用。按我們今天的標準，該系列芯片基本采用的是幾十到一百微米左右的工藝制成，主頻為512kHz.早期型號中包含了4100個邏輯單元，稱之為block I，之后的block II 變為2800個邏輯單元，也是載人飛船上所使用的型號。

下圖為block I與block II，我們可以看出早期的這種計算機還是由簡單IC疊加后組成的，和今天的集成在一顆芯片內的CPU還是有很大不同的。

▲Block I

▲Block II

航天飛控軟件的出現更是直接促使了“電子式存儲器”的誕生，因為在飛船上采用陸地上常用的紙帶或者磁帶存儲數據是非常不靠譜的。不過，那個時候還沒有發明固態存儲器，甚至固態存儲器的理論還沒有完善。已經深刻掌握二進制精髓的NASA采用了磁芯加線圈的方式存儲數據，于是一批精干的紡織女工成為了最早的“程序員”。

▲紙帶

▲磁帶

▲磁芯加線圈

當然，航空航天發展至今，程序員也早已成為“全職”職業，半導體也慢慢獨立出來，成為一個新興行業。也正是一代又一代人的持續努力，半導體行業逐漸成為超強“大腦”，為各行各業注入新鮮“血液”，提供無限動力。

我們可以說，1969年的阿波羅計劃是半導體行業發展的源頭。沒有當時登月的野望，也就沒有了后面的這一切故事。征服星辰大海是我們人類的夢想，但芯片的征途一定不止于星辰大海，未來，就讓我們拭目以待！