圖：1972年搭載首顆CPU的先鋒10號

如果說探尋外太空是屬于人類的終極浪漫，那么為各類航天器、空間站和探測器設計器件無疑就是IC工程師的終極浪漫，而CPU作為最重要的宇航級器件承擔了重要使命。

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

由于美蘇爭霸時代的太空競賽，一次發(fā)射任務具有極高的沉沒成本（相對于21世紀），要求攜帶的宇航器件必須高度可靠和耐用（在任務設計時間內），這決定了宇航器件設計的三個特點。

圖：制造于2001年的RAD750

第一，相對“保守”的性能。在人類探索宇宙初期，即使有加熱/散熱器，太空中的溫度也會有很大差異，同時，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、大氣密度和材料導致的電氣性能變化問題。

因此，在設計其中一個系統(tǒng)時，性能指標的優(yōu)先級要低很多（類似于新能源時代以前的汽車），設計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)側重發(fā)展“大力出奇跡”的火箭）。

圖：韋伯搭載的RAD750性能指標

例如，剛剛在圣誕節(jié)發(fā)射的詹姆斯韋伯太空望遠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1千萬倍，也是單顆售價約29萬美元的核心賣點。

而韋伯的大表哥——哈勃望遠鏡，至今仍然運行在英特爾的80486上。

同時，RAD750還運行在毅力號火星車和100多顆衛(wèi)星上，接受宇宙“考驗”近二十年目前無一故障。

從上表也可以看出，這些奇奇怪怪的宇航級CPU性能和消費級產品完全不在一個時代，同時指標根據任務需求高度定制化。

圖：采用RAD6000 的機遇號火星探測器

第二，只相信測試和實驗。這就涉及到器件的認證標準和工藝，比如NASA規(guī)定，用于太空的CPU必須首先符合美國國防部的MIL-STD-883標準——一套為確保可靠運行而專門開發(fā)的100多項測試。

這些測試包括：熱、機械、交流電氣和直流電氣測試以及單個晶圓檢查的采樣要求。而前期測試結果顯示，大多數通過的CPU都來自晶圓的中心。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，使設備更加耐輻射。

某種程度上，宇航級芯片都是高度定制化基礎上，再逐一測試、挑選的結果以確保最優(yōu)解，與消費市場芯片量產的良率和測試有本質區(qū)別，同時帶來的就是成本和價格暴漲。

這一個案例是機遇號火星探測器上的BAE RAD6000處理器，價格約20萬美元，NASA采購且最終發(fā)射上天的只有200顆左右（依然是爆款型號），也就是RAD750的前任，任務的設計壽命只有3個月，但實際這套系統(tǒng)在火星上工作了15年之久。

圖：搭載英特爾8086的航天飛機

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

在復雜的航天系統(tǒng)中，能夠單獨控制航天器的每個組件/子系統(tǒng)非常重要，每個子系統(tǒng)都由獨立的CPU管理，可以更好地控制子系統(tǒng)以實現(xiàn)電源管理和容錯。例如，如果一個CPU掛掉，它只會禁用一個儀器，而不是整個航天器宕機。

NASA早期的航天飛機采用Intel 8086處理器和RCA 1802顯示控制器（后續(xù)升級為80386），預留5臺計算機用于冗余，為了規(guī)避輻射使用鐵氧體磁芯內存，而航天飛機的整個控制軟件不到1M。

而伽利略號木星探測器使用6個RCA 1802——2個用于高級模塊、4個用于低級模塊，采用藍寶石上硅（SOSIC）技術制造增加穩(wěn)定性，加起來內存只有176K，不得不感嘆人類科技的偉大。