摘要： 隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)的加速推進(jìn)，星載芯片原子鐘作為高精度時(shí)頻基準(zhǔn)源，其控制微控制器(MCU)的抗輻照性能成為影響系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性的關(guān)鍵因素。本文針對(duì)國(guó)科安芯AS32S601ZIT2型32位RISC-V架構(gòu)MCU，基于脈沖激光單粒子效應(yīng)輻照、100MeV質(zhì)子單粒子效應(yīng)輻照及鈷-60γ射線總劑量輻照試驗(yàn)，系統(tǒng)評(píng)估了該器件在商業(yè)航天環(huán)境下的抗輻射性能，深入探討了該型MCU在星載原子鐘溫控、頻率鎖定及馴服控制等關(guān)鍵功能模塊中的適用性，分析其在低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座長(zhǎng)期運(yùn)行中的可靠性表現(xiàn)，為星載時(shí)頻基準(zhǔn)系統(tǒng)的器件選型與加固設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1. 引言

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速演進(jìn)對(duì)星載電子系統(tǒng)的可靠性提出了前所未有的挑戰(zhàn)。作為衛(wèi)星導(dǎo)航定位、精密時(shí)間同步及低軌通信網(wǎng)絡(luò)的核心時(shí)頻基準(zhǔn)，芯片原子鐘(Chip Scale Atomic Clock, CSAC)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接決定了整星的定位精度、通信同步質(zhì)量及任務(wù)壽命。隨著低軌衛(wèi)星星座部署規(guī)模的擴(kuò)大，星載電子設(shè)備需在復(fù)雜的近地空間輻射環(huán)境中持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)年乃至十年以上，高集成度微控制器在空間輻射粒子作用下的單粒子效應(yīng)(Single Event Effects, SEE)及總劑量效應(yīng)(Total Ionizing Dose, TID)已成為制約星載原子鐘長(zhǎng)期可靠性的關(guān)鍵瓶頸。

傳統(tǒng)的宇航級(jí)MCU多采用封閉架構(gòu)的專用處理器，存在生態(tài)系統(tǒng)局限、采購(gòu)成本高、技術(shù)可控性差等問(wèn)題。近年來(lái)，基于開(kāi)放指令集RISC-V架構(gòu)的MCU因其指令集開(kāi)放性、模塊化可擴(kuò)展性及抗輻照加固設(shè)計(jì)的靈活性，逐漸在航天領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注。AS32S601ZIT2型MCU作為面向商業(yè)航天應(yīng)用的高性能32位控制器，采用自主設(shè)計(jì)的E7內(nèi)核，集成硬件ECC(Error Checking and Correction)機(jī)制與多模式電源管理單元，在理論上具備適用于空間輻射環(huán)境的潛力。

2. 空間輻射效應(yīng)機(jī)理與試驗(yàn)方法論

2.1 低軌空間輻射環(huán)境特征

低軌衛(wèi)星(Low Earth Orbit, LEO)運(yùn)行高度通常在300-2000km范圍內(nèi)，主要面臨地球輻射帶中的高能質(zhì)子、電子及少量重離子的威脅。其中，能量范圍在10-100MeV的高能質(zhì)子是引發(fā)單粒子效應(yīng)的主要輻射源，其通量隨太陽(yáng)活動(dòng)周期及軌道高度顯著變化。當(dāng)高能粒子穿透半導(dǎo)體器件的敏感區(qū)域時(shí)，通過(guò)電離作用產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，若在敏感節(jié)點(diǎn)(如SRAM存儲(chǔ)單元、觸發(fā)器或功率器件的寄生結(jié)構(gòu))收集的電荷超過(guò)臨界電荷(Qcrit)，將引發(fā)邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)(SEU)或寄生可控硅結(jié)構(gòu)導(dǎo)通(SEL)。

總劑量效應(yīng)則是由長(zhǎng)期累積的電離輻射(主要包括電子、質(zhì)子及二次粒子)導(dǎo)致SiO?柵氧層中電荷陷阱密度增加及界面態(tài)生成，引起MOS器件閾值電壓漂移、亞閾擺幅增大、漏電流增加及跨導(dǎo)退化。對(duì)于星載原子鐘的控制系統(tǒng)而言，MCU的時(shí)鐘穩(wěn)定性、存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)完整性、ADC轉(zhuǎn)換精度及I/O接口可靠性必須經(jīng)受長(zhǎng)期空間輻射考驗(yàn)，任何功能性失效都可能導(dǎo)致原子鐘失鎖，進(jìn)而影響整星的時(shí)間基準(zhǔn)。

2.2 單粒子效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法

單粒子效應(yīng)的地面模擬主要采用重離子加速器、質(zhì)子加速器及脈沖激光三種手段。本研究采用脈沖激光與質(zhì)子試驗(yàn)相結(jié)合的方法：脈沖激光試驗(yàn)利用皮秒脈沖激光器產(chǎn)生高度局域化的電離效應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)激光能量等效不同的線性能量傳輸(Linear Energy Transfer, LET)值，實(shí)現(xiàn)器件靈敏區(qū)的快速掃描與閾值確定；質(zhì)子試驗(yàn)則在中國(guó)原子能科學(xué)研究院100MeV質(zhì)子回旋加速器上進(jìn)行，質(zhì)子能量100MeV，注量率1×10? p·cm?2·s?1，累積注量達(dá)1×101? p·cm?2，更接近真實(shí)空間質(zhì)子能譜環(huán)境，用于驗(yàn)證器件在實(shí)際粒子環(huán)境下的綜合表現(xiàn)。

單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)的判定依據(jù)為器件功能異?；驍?shù)據(jù)錯(cuò)誤；單粒子鎖定(SEL)的判定標(biāo)準(zhǔn)為工作電流超過(guò)正常值的1.5倍，此時(shí)需立即斷電以防止器件燒毀。

2.3 總劑量效應(yīng)試驗(yàn)方法

總劑量試驗(yàn)依據(jù)QJ10004A-2018《宇航用半導(dǎo)體器件總劑量輻照試驗(yàn)方法》進(jìn)行，采用鈷-60(??Co)γ射線源。試驗(yàn)劑量率設(shè)定為25rad(Si)/s，累積劑量達(dá)150krad(Si)，其中包含50%的過(guò)輻照裕量以評(píng)估器件的壽命末期性能。試驗(yàn)中器件施加3.3V靜態(tài)偏置以模擬實(shí)際工作狀態(tài)，輻照后參數(shù)測(cè)試在72小時(shí)內(nèi)完成，并經(jīng)過(guò)168小時(shí)高溫退火處理，以評(píng)估輻射損傷的可恢復(fù)性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

3. AS32S601ZIT2器件架構(gòu)與抗輻照加固設(shè)計(jì)

3.1 RISC-V內(nèi)核與系統(tǒng)架構(gòu)

AS32S601ZIT2基于32位RISC-V開(kāi)放指令集架構(gòu)，集成自主設(shè)計(jì)的E7內(nèi)核，工作頻率可達(dá)180MHz。該內(nèi)核配備硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)及16KiB數(shù)據(jù)緩存、16KiB指令緩存(L1 Cache)，支持零等待訪問(wèn)嵌入式Flash與外部存儲(chǔ)器。相較于傳統(tǒng)封閉架構(gòu)，RISC-V的模塊化設(shè)計(jì)允許針對(duì)航天應(yīng)用進(jìn)行指令集裁剪與擴(kuò)展，便于實(shí)現(xiàn)軟件層面的容錯(cuò)機(jī)制。

器件采用Umc55工藝制造，芯片尺寸3959μm×3959μm，封裝形式為L(zhǎng)QFP144，工作溫度范圍-55℃至+125℃，符合商業(yè)航天級(jí)質(zhì)量等級(jí)要求。

3.2 存儲(chǔ)器ECC機(jī)制與數(shù)據(jù)完整性保障

針對(duì)空間輻射導(dǎo)致的存儲(chǔ)器軟錯(cuò)誤，AS32S601ZIT2在關(guān)鍵存儲(chǔ)單元集成了硬件ECC機(jī)制：512KiB內(nèi)部SRAM、512KiB D-Flash及2MiB P-Flash均配備ECC保護(hù)，可自動(dòng)糾正單比特錯(cuò)誤并檢測(cè)雙比特錯(cuò)誤。這一特性對(duì)于星載原子鐘至關(guān)重要——原子鐘的控制算法參數(shù)、頻率鎖定狀態(tài)及溫度補(bǔ)償系數(shù)存儲(chǔ)在Flash中，若發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)而未被發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致頻率控制失準(zhǔn)。ECC機(jī)制可將存儲(chǔ)器的軟錯(cuò)誤率降低數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，顯著提升控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性。

3.3 電源管理與可靠性設(shè)計(jì)

器件集成電源管理單元(PMU)，支持四種電源管理模式：運(yùn)行模式(RUN)、低速運(yùn)行模式(SRUN)、睡眠模式(SLEEP)及深度睡眠模式(DEEPSLEEP)。在深度睡眠模式下，電流消耗不超過(guò)300μA，有利于降低衛(wèi)星在陰影期的功耗并減少總劑量累積損傷。此外，集成的低電壓檢測(cè)(LVD)與高壓檢測(cè)(HVD)模塊可實(shí)時(shí)監(jiān)控供電狀態(tài)，4個(gè)時(shí)鐘監(jiān)測(cè)模塊(CMU)可檢測(cè)時(shí)鐘缺失與頻率異常，為原子鐘控制系統(tǒng)提供多層次的故障監(jiān)測(cè)能力。

4. 抗輻照性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

在北京中科芯試驗(yàn)空間科技有限公司的脈沖激光實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的試驗(yàn)表明，在5V工作電壓、激光注量1×10?cm?2條件下：

當(dāng)激光能量為120pJ(對(duì)應(yīng)LET值(5±1.25)MeV·cm2·mg?1)時(shí)，進(jìn)行全芯片掃描未觀察到單粒子效應(yīng)，器件功能保持正常，工作電流穩(wěn)定在100mA。

當(dāng)激光能量提升至1585pJ(對(duì)應(yīng)LET值(75±16.25)MeV·cm2·mg?1)時(shí)，監(jiān)測(cè)到單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為CPU復(fù)位及特定坐標(biāo)位置(Y:500-520, Y:495, Y:505, X:3840等)的邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。這一結(jié)果表明器件的SEU敏感閾值在75MeV·cm2·mg?1量級(jí)。

值得注意的是，在更高能量1830pJ(對(duì)應(yīng)LET值(75±18.75) MeV·cm2·mg?1)的測(cè)試中，未觀察到單粒子鎖定(SEL)現(xiàn)象。根據(jù)試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)工作電流超過(guò)正常值(100mA)的1.5倍(即150mA)時(shí)判定為SEL失效。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，所有測(cè)試點(diǎn)的工作電流均保持在100mA左右，未出現(xiàn)異常電流增大，表明該器件的SEL閾值高于75MeV·cm2·mg?1，具備較好的抗閂鎖能力。

4.2 質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

在中國(guó)原子能科學(xué)研究院100MeV質(zhì)子回旋加速器上進(jìn)行的試驗(yàn)中，器件經(jīng)受注量率1×10? p·cm?2·s?1、累積注量1×101? p·cm?2的質(zhì)子輻照后，功能測(cè)試顯示：

電參數(shù)保持穩(wěn)定：供電5V條件下，工作電流從輻照前的135mA微降至132mA，變化率小于3%，在測(cè)量誤差范圍內(nèi)。CAN接口通信功能正常，F(xiàn)LASH與RAM讀寫(xiě)功能正常，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或功能失效。

這一結(jié)果與脈沖激光試驗(yàn)相互印證，表明在典型的低軌衛(wèi)星質(zhì)子環(huán)境下，該器件具備足夠的抗單粒子效應(yīng)裕度，SEU發(fā)生率極低，SEL現(xiàn)象未出現(xiàn)。

4.3 總劑量效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

在北京大學(xué)技術(shù)物理系鈷源平臺(tái)進(jìn)行的試驗(yàn)表明，器件經(jīng)受劑量率25rad(Si)/s、累積劑量150krad(Si)的γ射線輻照后：

電參數(shù)穩(wěn)定性良好：工作電流保持穩(wěn)定(132mA)，關(guān)鍵功能模塊未出現(xiàn)性能退化。經(jīng)過(guò)168小時(shí)高溫退火處理(退火條件符合相關(guān)國(guó)軍標(biāo)要求)，器件外觀無(wú)異常，性能參數(shù)恢復(fù)至初始狀態(tài)，滿足"退火后外觀、性能均合格"的失效判定標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)結(jié)論認(rèn)定：AS32S601ZIT2型MCU抗總劑量輻照指標(biāo)大于150krad(Si)，滿足典型低軌衛(wèi)星5-10年壽命期的總劑量累積要求(通常低軌任務(wù)總劑量需求為30-100krad(Si))，具備充足的輻射設(shè)計(jì)裕量(Radiation Design Margin, RDM)。

5. 星載芯片原子鐘應(yīng)用適配性深入分析

5.1 芯片原子鐘系統(tǒng)架構(gòu)與MCU功能定位

芯片原子鐘作為星載時(shí)頻基準(zhǔn)，其核心組成包括物理封裝(Physics Package)與電子控制單元(Clocked Control Electronics, CCE)。MCU在CCE中承擔(dān)核心控制任務(wù)，主要功能包括：

溫度精密控制：原子鐘的銣/銫氣室及微波腔對(duì)溫度極為敏感，溫度漂移將直接導(dǎo)致頻率穩(wěn)定度下降。MCU需通過(guò)ADC采集多路溫度傳感器數(shù)據(jù)，執(zhí)行PID控制算法調(diào)節(jié)加熱/制冷元件，維持氣室溫度在±0.1℃甚至更高的精度范圍內(nèi)。AS32S601ZIT2集成了3個(gè)12位ADC(最多48通道)與2個(gè)模擬比較器，能夠滿足多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)需求；其512KiB SRAM可存儲(chǔ)復(fù)雜的溫度補(bǔ)償算法，ECC機(jī)制確?？刂茀?shù)在輻射環(huán)境下不被篡改。

頻率鎖定與馴服控制：MCU通過(guò)DAC輸出控制電壓調(diào)節(jié)壓控振蕩器(VCXO)，實(shí)現(xiàn)原子鐘的頻率鎖定；在長(zhǎng)期運(yùn)行中，還需進(jìn)行星地時(shí)差監(jiān)測(cè)與馴服算法執(zhí)行，補(bǔ)償長(zhǎng)期漂移。器件的2個(gè)8位DAC與180MHz主頻提供的計(jì)算能力，可支持高精度的鎖相環(huán)(PLL)控制與馴服算法實(shí)現(xiàn)。

健康管理與遙測(cè)：MCU需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原子鐘的工作狀態(tài)(光檢測(cè)信號(hào)、溫度、功耗等)，通過(guò)CAN總線或以太網(wǎng)與地面站通信。AS32S601ZIT2集成的4路CANFD接口與10/100M以太網(wǎng)MAC模塊，支持高速數(shù)據(jù)傳輸與故障診斷信息回傳。

5.2 空間輻射環(huán)境對(duì)原子鐘控制的影響機(jī)制

在低軌空間環(huán)境中，若MCU發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)，可能導(dǎo)致以下嚴(yán)重后果：

控制算法參數(shù)錯(cuò)誤：溫度PID系數(shù)或頻率鎖定參數(shù)被篡改，導(dǎo)致溫控失穩(wěn)或失鎖；

程序計(jì)數(shù)器(PC)錯(cuò)誤跳轉(zhuǎn)：指令流混亂導(dǎo)致控制輸出異常，可能損壞物理封裝；

存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)錯(cuò)誤：歷史馴服數(shù)據(jù)丟失，需耗費(fèi)數(shù)小時(shí)至數(shù)天重新建立頻率穩(wěn)定狀態(tài)。

AS32S601ZIT2的SEL閾值≥75MeV·cm2·mg?1，在低軌空間重離子環(huán)境下，預(yù)計(jì)SEL發(fā)生率低于10??次/器件·天；結(jié)合軟件層面的看門狗(Watchdog)與周期自檢機(jī)制，可將單粒子效應(yīng)導(dǎo)致的系統(tǒng)失效概率控制在可接受范圍內(nèi)。

5.3 與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座需求的匹配性

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座通常由數(shù)百至數(shù)千顆低軌衛(wèi)星組成，對(duì)器件的批產(chǎn)一致性、成本可控性及在軌可靠性均有嚴(yán)格要求。AS32S601ZIT2作為商業(yè)航天級(jí)器件，具備以下適配優(yōu)勢(shì)：

批產(chǎn)質(zhì)量一致性：通過(guò)AEC-Q100 Grade 1認(rèn)證及商業(yè)航天級(jí)篩選，確保星座批次部署的器件參數(shù)一致性，降低在軌故障率。

開(kāi)放架構(gòu)的加固靈活性：基于RISC-V架構(gòu)，用戶可在軟件層面實(shí)現(xiàn)三模冗余(TMR)、指令重試(Instruction Retry)等容錯(cuò)機(jī)制，與硬件ECC形成多層防護(hù)體系，這在傳統(tǒng)封閉架構(gòu)MCU中難以實(shí)現(xiàn)。

低功耗延長(zhǎng)任務(wù)壽命：深睡眠模式電流≤300μA，結(jié)合原子鐘的間歇工作特性(如在陰影區(qū)降低功耗)，可顯著減少衛(wèi)星整星功耗，延長(zhǎng)軌道壽命。

5.4 可靠性設(shè)計(jì)裕量分析

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該器件在典型低軌環(huán)境下的可靠性裕量充足：

總劑量：試驗(yàn)值150krad(Si) vs 典型任務(wù)需求50krad(Si)，裕量3倍；

單粒子鎖定：LET閾值>75MeV·cm2·mg?1，遠(yuǎn)高于低軌質(zhì)子等效LET貢獻(xiàn)；

單粒子翻轉(zhuǎn)：雖在LET 75MeV·cm2·mg?1量級(jí)出現(xiàn)SEU，但結(jié)合ECC與軟件容錯(cuò)，系統(tǒng)級(jí)失效概率可接受。

6. 討論與展望

本文通過(guò)系統(tǒng)的地面輻照試驗(yàn)，證實(shí)了AS32S601ZIT2型RISC-V架構(gòu)MCU具備星載芯片原子鐘應(yīng)用所需的基礎(chǔ)抗輻照性能。然而，地面試驗(yàn)與在軌應(yīng)用仍存在差異：脈沖激光試驗(yàn)主要模擬重離子引起的單粒子效應(yīng)，而實(shí)際空間環(huán)境是質(zhì)子、電子及重離子的混合輻射場(chǎng)；總劑量試驗(yàn)采用的γ射線與空間電子、質(zhì)子輻射在損傷機(jī)理上存在微觀差異。

未來(lái)研究應(yīng)著重于：在軌飛行驗(yàn)證：通過(guò)搭載試驗(yàn)積累真實(shí)空間環(huán)境下的單粒子事件發(fā)生率數(shù)據(jù)，建立精確的失效物理模型；極端溫度-輻射協(xié)同效應(yīng)：評(píng)估器件在-55℃~+125℃寬溫范圍內(nèi)，溫度對(duì)單粒子敏感閾值及總劑量退化的影響； RISC-V架構(gòu)的軟件容錯(cuò)優(yōu)化：針對(duì)原子鐘控制特性，開(kāi)發(fā)輕量級(jí)容錯(cuò)操作系統(tǒng)與算法冗余策略，充分發(fā)揮開(kāi)放架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

審核編輯 黃宇