极端环境正将芯片推向性能极限

要点摘要：

轨道数据中心、军事航空航天设备、高性能计算实验、量子计算以及先进制造设备，都在给芯片带来承受极端环境的压力。

这些条件包括热冲击、机械冲击、辐射、高速运动、噪声、振动、压力和湿度等因素的任意组合。

要确保复杂芯片和系统能够在这些条件下存活，需要先进的四维建模、仿真、基于AI/大语言模型的设计探索，以及物理实验室工具的协同配合。

过去，芯片只需针对有限的工作条件进行认证，而现在，芯片正被设计用于多种压力同时作用的环境。辐射、热冲击、振动、压力、噪声和低温等因素，正同时出现在轨道数据中心、国防系统、粒子物理、量子计算和先进制造等应用场景中。

这种变化正在改变芯片的设计和认证方式。AI赋能的设计工具、机器学习和语言模型可以让工程师更早地探索更多设计方案，但虚拟模型仍需与物理行为进行对照验证。对于极端环境电子器件而言,挑战不仅在于预测故障模式,还在于要足够真实地复现实际运行环境,才能让这种预测可信。

太空正在成为最明显的压力点之一。卫星星座、轨道数据中心、太空探测器、地表探测车和军事太空系统的增长，正在推动对抗辐射设计的需求，包括在更新的制程节点上，性能和功耗优势必须与生存能力进行权衡。这种需求已经在设计生态系统中有所体现。

“我们看到抗辐射晶圆制造工艺的活动大幅增加，特别是在支持轨道数据中心的新制程节点方面，”Synopsys产品管理高级总监Dana Neustadter说。“很大程度上这是由于'金色穹顶'（美国多层导弹防御计划）的推动。下一个战场前沿就是太空，所以你会看到投资正在加速，我们将会看到更多的抗辐射设计出现。”

除了国家安全考虑，各国政府也在新兴技术领域争夺全球领导地位。

举例来说，太平洋西北国家实验室（PNNL）正与摩根州立大学、诺斯罗普·格鲁曼公司以及Project Omega合作，开展由DARPA资助的"从辐射到瓦特"（Rads to Watts）项目，旨在将冷战时期的放射性衰变转化为高密度核微型放射伏打电源系统，用于太空、远程传感、海底基础设施和国防应用等极端环境。

锶-90等放射性同位素将直接转化为电能，无需加油或更换电池即可运行数十年。研究人员通过将超薄半导体层与高能量的β射线放射同位素相结合来实现这一目标。仿真、特性分析和生存能力分析对于确保这些系统能在恶劣环境中运行至关重要。

与此同时，美国能源部费米国家加速器实验室正与西门子合作开展一个名为"加速极端环境规格到硅片转化"（AXESS）的项目，该项目利用大语言模型和较小的代理模型来加速设计探索，然后整合并协同优化芯片开发的所有阶段，应用于量子计算、聚变能源和粒子物理领域。

每种极端环境应用都呈现出一组独特的物理压力因素，硬件设备必须加以应对。

“粒子加速器和研究用加速器是一个尤其具有挑战性的环境，因为辐射剂量高得离谱，而你需要设备在遭受辐射损伤的同时继续正常工作，”亚利桑那州立大学美国国防部ME Commons SWAP中心极端环境可靠性负责人Hugh Barnaby说。“这一点延伸到用于癌症质子治疗的医疗设备，这类设备使用高能电子。在半导体制造中，光刻也会造成辐射损伤。现在他们在一些非常先进的技术中使用X射线，比如背面供电。他们把电源分配放在芯片背面。过去他们使用一种叫LADA（激光辅助器件改变）的晶圆分析技术，但现在不能用了，因为电源在背面，没办法用光。所以他们正在考虑使用X射线辅助器件改变激光（ZADA）。问题是，他们担心X射线会对材料造成损伤。”

Barnaby和他的一名学生Jereme Neuendank发现，半导体在极低温度下会出现奇怪的现象。“如果把这个和辐射结合起来，情况会变得更加怪异，”Barnaby说。“我们有一些很好的理论，并有模型支撑，而且我们还在这个领域做大量工作。”

实验室工具正在不断发展，以研究多重压力因素同时作用的影响。亚利桑那州立大学的研究人员开发了Rigel DSTAT设备，它有三根合计含有9000居里（Ci）放射性物质的棒材，用于模拟太空和核应用中出现的辐射环境。该设备还包含一个微型低温恒温器，通过抽空腔体然后填充液氮或液氩（两者温度大致相同），使器件能够暴露在极度饱和、极度寒冷的温度下。“然后我们就可以在液氮温度下进行辐射测试，也就是77开尔文，”Barnaby说。

该工具非常适合一家正在为卫星设计读出集成电路的公司，这些芯片需要承受低温、辐射、电离剂量威胁和低频噪声。特别是，随机电报噪声已成为当今最大的可靠性问题之一，尤其是在模拟/混合信号电子器件中。而这种噪声问题在低温下会变得更加严重。

“你希望低温能降低从二极管（即产生电流的光探测器）发出的噪声，”Barnaby指出。“它们喜欢低温环境。但当你用CMOS来读出这些信号时，随机电报噪声信号在低温下至多也不会改善。我们仍在研究这方面的物理原理。”

这类实验室工具的应用领域正在扩大。“我们已经和一些人探讨过在热能探索方面开展研究，”他解释道。“我们还涉足了先进封装领域，这意味着要拓展到相当广泛的可靠性问题，比如压力、湿度、高温（不只是低温），以及辐射、热冲击、机械冲击和振动。目前我们和恩智浦在他们位于凤凰城的工厂有相当多的合作。”

太空电子设备仿真

像太空这样的极端环境，可以从包含热和辐射数据的四维地理空间模型和数字孪生体中受益。

“如果某个物体变热，我们可以告诉你这个部件会拉伸、收缩或承受多大的应力，”Synopsys 5G/6G和太空项目总监Shawn Carpenter说，他最近与NASA合作研究月球网络传播。“你可以看到材料是否对齐，是否正常工作。热问题对我们来说非常重要，因为设备要经历从直接照射到太阳阴影的各种极端温度变化。”

另一个压力因素是，在外太空，同一天内的热循环范围可能从零下40华氏度到120华氏度。“你的首次故障平均时间会大大缩短，”Synopsys产品管理总监Lang Lin说。“我们希望把温度控制在较低水平，因为我们希望电子设备拥有很长的使用寿命。但在外太空，当热循环变化如此之快时，它会缩短使用寿命。”然后再加上辐射因素。“我们在地球上的所有晶体管对辐射都有一定的有限耐受度。但当你进入外太空，来自太阳的所有中子、质子和电子都会进入晶体管的氧化层，这会破坏它们的性能。”

设计人员需要构建支持特定任务的芯片。“我们试图通过为客户提供适用于各种目标的IP，来缩短他们构建功能强大芯片组所需的时间，”Carpenter说。“例如，更小的制程节点因为能节省功耗而备受青睐。我们需要对芯片运行时的物理特性进行建模。它会变得多热？能否保持信号完整性？它如何老化？能用多长时间？信号会不会渗入封装的其他部分？然后还有集成问题。如果我把这个芯片放进封装里，它表现如何？如果我把这个封装放在载板上，表现如何？如果把它放进模块里，我该如何散热？我怎样才能有效地传导这些热量？我的功耗要求是什么？”

仿真工具可以快速回答所有这些问题。“如果台积电突然推出1.5纳米工艺，你说，'好的，我要用这个新节点节省30%的功耗，让我们去拿模块，让我们重新设计芯片，让我们在下一次任务之前把这些东西重建好'，那么我们就会把这些内容构建到系统评估中，”他说。“芯片的工作方式会受到运行地点、使用方式以及加热循环等环境因素的影响，这些都需要纳入考虑？”

对于太空应用，物理问题需要在一个受引力影响、物体以惊人速度旋转的巨大环境背景下得到解答。

仿真、数字孪生和AI赋能的工具可以结合起来，对轨道上或月球表面的物体、人员和系统进行建模。“你不希望那些数据被伪造，导致实际位置与你认为的位置不同，”Neustadter警告说。

智能体AI也将成为这一方程式的一部分。“尤其是当你开始谈论军事功能时——那些更像无人机的航天器，用于轨道通信枢纽或轨道实验室的场景，这些航天器需要具备移动能力，需要能够做出反应，它们身上会装备武器系统，”Neustadter说。“我们知道太空中已经有核弹头了，这就是我们摧毁或规避它们的部分方式。”

AI并不总能增强安全性，但它能提高适应性。Neustadter指出，如果你失去对一辆航天器的控制，它应该在大多数时候保持自主，并能够学习和传输数据。由于在所需数据速率下的通信成本很高，在本地处理部分数据、只把关键信息传回地面是更有利的做法。

抗辐射应对措施

许多军用部件已经为太空中的核事件做好了准备，这类事件会扰乱所有电子设备的电磁脉冲（EMP）。

“军方必须具备防范电磁脉冲和高空电磁脉冲（HEMP）的能力，”Lin说。“军用飞机需要极其昂贵的屏蔽和接地技术，而这些是商用航空和我们今天使用的一些电子设备所不需要的。但对于太空应用来说，这是必须的，而且成本更高。DO-160电磁兼容认证要求更多针对航空航天领域。无论何时发生电磁脉冲，无论是由核反应还是太阳风暴引起的，你的电子设备都可能出现问题。如果电子设备不够坚固，电磁脉冲会产生涌入电流，你就得重启电脑。”

重启之后，电磁脉冲引发的过电流可能损坏半导体。“那你就得更换它了，”Lin说。“这取决于电磁脉冲的强度和所需的防护等级。目前，地球上没有任何数据中心具备电磁脉冲防护能力，但基于太空的数据中心可能需要专门的屏蔽措施，这会增加轨道数据中心的开发成本。”

在地球上，AI数据中心和汽车系统所需的大气辐射防护比太空中要少，但由异常太阳活动和宇宙射线引起的单粒子翻转仍是一个值得关注的问题。

“宇宙射线会导致比特翻转和其他随机事件，这对AI训练过程来说可能是灾难性的，对运行AI工作负载的推理过程也是如此，”Imagination Technologies产品管理总监Matthew Bubis说。“你可能会用到投票系统，比方说，你可能有不止一个GPU，以及一个用于比较它们输出结果的系统。然后，在每个GPU内部，会进行一些检查——这在汽车领域我们也会做——以判断是否发生了类似翻转或比特翻转的事件。然后我们就可以检测并纠正这些瞬态事件。这和汽车领域有很多共通之处。只是在太空中，这类事件发生得更频繁，而且后果不同。这不是安全问题，而是可靠性问题。如果持续发生这些比特翻转，你能不能得到你想要的输出结果？”

许多汽车级安全特性可以帮助部件承受太空条件。“我们的IP具备内置的可靠性特性，”Bubis指出。“芯片制造商负责辐射加固方面的工作，再往外，还会有其他方负责系统层面的辐射防护，环绕在芯片周围。太空需要这种多层次的设计方法。”

虽然轨道数据中心目前依靠太阳同步轨道的太阳能供电，但像DARPA“从辐射到瓦特”项目正在开发的核动力微型反应堆，未来可能有助于深空推进、月球和火星表面基地建设，以及轨道制造等高强度活动。

“核反应堆基本上就是一些核材料，核燃料棒里含有核粒子，通常是钚或类似的物质，”英飞凌科技航空航天与国防部门研究员兼副总裁Helmut Puchner说。“那就是燃料。那种材料具有高放射性，如果你的反应堆发生爆炸，它基本上就会在地球周围漂浮，在某个时间点——这取决于轨道——会靠近大气层，然后随着时间推移逐渐坠落并停留在那里。但好消息是，放射性会随距离的平方根减弱。如果你离得够远，其实没什么影响。但一旦它进入大气层，就可能产生各种辐射沉降物。这只是物理规律。任何围绕地球运行的质量、任何粒子，都会被我们的引力捕获，并随着时间推移越来越靠近，直至烧毁。这个过程可能持续数年，也可能持续数十年，所以加上我们已经看到的那些由卫星爆炸产生的其他碎片，我们使用的对人类有害的关键材料越多，风险就越大。”

结论

随着芯片进入越来越严苛的环境，可靠性不能再被当作设计流程中最后一道认证环节来对待。AI驱动的设计探索和先进仿真技术可以帮助工程师更早地发现潜在隐患，但物理测试对于理解真实硬件在多重压力同时作用下的反应仍然不可或缺。对于极端环境电子器件而言，挑战已不再仅仅是设计出能正常工作的芯片，而是要证明它们在最恶劣的条件下也能持续正常工作。

Q&A

Q1：轨道数据中心面临哪些极端环境挑战？

A：轨道数据中心面临热冲击、辐射、振动、压力、噪声等多重压力同时作用的挑战，同一天内温度变化可能从零下40华氏度到120华氏度，还需应对宇宙射线导致的单粒子翻转等可靠性问题。

Q2：什么是"从辐射到瓦特"项目？

A：这是由DARPA资助、太平洋西北国家实验室与摩根州立大学、诺斯罗普·格鲁曼等机构合作的项目，旨在将冷战时期的放射性衰变材料转化为高密度核微型电源系统，用于太空、远程传感、海底基础设施等极端环境。

Q3：为什么芯片在低温和辐射共同作用下会出现异常？

A：亚利桑那州立大学的研究发现，半导体在极低温度下会出现异常行为，若再叠加辐射因素，情况会更加复杂，目前研究人员仍在深入研究背后的物理机制，尤其是随机电报噪声问题在低温下会加剧。