航空航天集成电路对安全和可靠性的设计要求

芝能智芯出品

航空航天集成电路的安全性要求因其应用场景的特殊性而尤为严格。无论是载人航天器还是无人卫星，故障安全操作和可靠的引导加载内存对于确保任务成功和资源保护至关重要。

基于航空航天集成电路的特殊需求，分析其在设计、冗余机制、内存保护及标准规范等方面的安全措施，探讨其与汽车行业的异 相通之处以及独特挑战。

通过对三重模块冗余、纠错码（ECC）、数字孪生技术及严格测试流程的深入剖析，讨论航空航天领域如何通过多层次安全机制应对真空、辐射和极端温度等环境挑战，航空航天集成电路设计中对可靠性和功能安全的最为核心的。

Part 1

航空航天集成电路

的特殊安全需求与设计策略

航空航天集成电路的安全需求源于其工作环境的极端性和任务的不可逆性。

与地面应用不同，航天器一旦发射，维修几乎不可能，因此系统必须具备故障安全（fail-safe）或故障运行（fail-operational）的能力，系统在发生故障时应能生成正确值并报告错误，要求设计人员在硬件和软件层面采取多重冗余和分布式安全机制，以确保系统在单点故障下仍能正常运行。

三重模块冗余（TMR）是航空航天领域常用的技术，特别是在超关键电路功能中。

与汽车行业偶尔采用 TMR 不同，航空航天系统对可靠性的要求更高，常常需要三到四个冗余模块以确保数据传输的连续性，TMR 不仅能检测故障，还能通过多数投票机制隔离故障模块，从而维持系统功能，虽然增加了功耗和成本，但在任务关键型应用中不可或缺。

采用模块化设计，将故障隔离在子模块内，并为每个模块配备独立的安全机制。这种分布式安全策略比全面冗余更高效，因为它避免了不必要的资源浪费。

例如，关键硬件（如电源开关或唤醒计数器）会被特别保护，以防止系统因单点故障而进入不可恢复的睡眠状态。这种设计理念在低轨道网状网络（如 Starlink）中尤为重要，因为这些系统需要更高的灵活性和成本效益。

为应对真空、辐射和极端温度等环境挑战，设计师越来越多地依赖数字孪生技术，数字孪生可以模拟系统老化、辐射引起的低剂量长期效应或高脉冲瞬态效应。

这种虚拟原型允许设计人员在不破坏硬件的情况下进行故障注入测试。例如，模拟单粒子翻转（SEU）或热耗散问题有助于优化系统在极端环境下的表现。

数字孪生的另一个优势是其跨行业适用性。在汽车领域，类似技术被用于模拟自动驾驶系统在堵塞或恶劣天气下的反应。航空航天领域的数字孪生则更注重真空环境下的热管理、材料老化以及辐射对芯片的影响。

通过与硬件精确匹配的虚拟模型，设计人员可以提前识别潜在风险并优化安全机制。

太空中的真空环境和极端温度对集成电路的设计提出了独特要求。与汽车芯片不同，航天芯片必须在较低温度下进行测试，并考虑热耗散问题。

导电材料的选择和热管理设计成为关键，航天器在真空环境中无法通过对流散热，因此需要依赖导热材料和辐射散热机制。

辐射是另一个重大挑战。单粒子翻转（SEU）可能导致数据错误，而长期辐射暴露可能引发器件老化。

设计人员通过抗辐射加固（rad-hard）技术和冗余机制来缓解这些问题，NAND 闪存在航天应用中被广泛使用，本身并非抗辐射存储器，通过损耗均衡和扇区备份等技术，系统可以在辐射环境下维持内存的可用性。

Part 2

内存保护与标准规范的严谨性

内存是航空航天集成电路中最关键的组件之一，因为它直接关系到系统的引导加载和数据完整性。

无论是电源开关的可靠性还是引导代码的完整性，内存的故障都可能导致任务失败。因此，航空航天设计中对内存的保护措施尤为复杂，涉及纠错码（ECC）、冗余机制以及严格的标准规范。

在航空航天应用中，DDR DRAM 是最常见的内存类型，因其成本效益和 JEDEC 标准的统一性而受到青睐，三大 DRAM 制造商的产品在规格上几乎无差异，这降低了供应链风险。DDR DRAM 容易受到辐射引起的单粒子翻转（SEU），因此需要额外的保护措施。

纠错码（ECC）和奇偶校验是内存保护的基础，但仅靠这些技术不足以应对航天环境中的多重故障。

Veeravalli 提出，通过结合 ECC 和冗余机制，可以显著提高系统的鲁棒性。例如，在 TMR 框架下，即使两个内存模块同时发生故障，第三个模块仍能提供正确数据。

此外，系统可以通过软重置修复受损的内存部分，从而避免性能下降。

与汽车应用不同，航空航天系统需要更高的容错能力。在汽车设计中，检测到故障后可以简单地隔离损坏的内存行并降低性能。

而在航天应用中，系统必须保持完整的功能，因为任何性能下降都可能危及任务。例如，Puchner 提到，如果引导加载内存损坏，卫星可能需要通过射频上行链路进行复杂恢复，这在设计中增加了额外的复杂性。

对于需要高密度存储的应用，NAND 闪存是常见选择，尽管其抗辐射能力有限。NAND 闪存通过损耗均衡和扇区循环技术来应对辐射引起的磨损。这种“用后即弃”的策略虽然增加了维护成本，但在高密度存储需求下是不可避免的。

例如，地球同步卫星可能需要 TB 级的存储容量来记录长期观测数据，而 NAND 闪存的成本和可用性使其成为唯一可行的选择。

为了进一步保护内存，设计人员开发了端到端协议以检测数据路径中的错误。这些协议通过冗余数据部分和错误检测机制，确保系统能够识别并纠正瞬态故障。对于永久性故障，系统可以通过软重置或地址隔离来维持功能，从而避免任务中断。

航空航天集成电路的设计受到多重标准规范的约束，包括 FAA 的 DO-254、国防后勤局的 QML、SAE 的 ARP4754 以及 ESA 的标准等。这些标准因应用场景和地区而异，但都强调需求的双向追踪和验证的严谨性。

标准的多样性源于各机构对系统安全性的不同解读。例如，NASA 倾向于使用 QML 认证的组件，而 SpaceX 则打破常规，将汽车级组件引入载人航天器。

汽车行业标准的引入为航空航天设计带来了新的可能性。例如，ISO 26262 标准中的 ASIL 风险分类方案被一些航天公司用于功能安全评估。

然而，与汽车标准允许不同级别的测试不同，航空航天领域对所有组件（包括低级子模块）都要求全面测试。这种严格性确保了系统在极端环境下的可靠性，但也增加了设计和验证的复杂性。

航空航天和汽车行业都依赖 V 模型进行验证，该模型将开发生命周期的每个阶段与其对应的测试阶段关联起来。

从需求定义到系统集成，每个阶段都需要严格的验证和双向追踪。如果需求识别不准确，最终产品可能偏离预期。例如，波音公司通过分包商网络实现复杂系统的集成，每个分包商都需要遵循严格的协议以确保整体系统的可靠性。

在测试阶段，航天芯片需要经历温度循环、腐蚀测试和辐射屏蔽等极端条件下的验证。与汽车芯片相比，航天芯片的测试标准更高，尤其是在低温和真空环境下的性能评估。数字孪生技术在测试阶段的广泛应用进一步提高了验证的效率和安全性。

小结

航空航天集成电路的安全措施是功能安全与任务成功的基石。从三重模块冗余到纠错码、从数字孪生到严格的标准规范，这些技术共同构成了一个多层次的保护体系，以应对太空环境的极端挑战。

与汽车行业相比，航空航天设计在冗余机制、内存保护和测试严谨性方面提出了更高的要求，成本和功耗是设计中的重要考量，但可靠性始终是第一优先级。