太空算力抗辐照② | COTS芯片在轨表现：基于在轨实测数据的空间辐射效应分析
前言
太空算力，正在成为全球科技竞争的下一个战略制高点。一个核心问题随之浮现：算力芯片真的能在太空中可靠运行吗？
基于多年在轨实践，星测未来已形成一套系统性方法——采用高性能COTS器件，结合多层级系统级容错与防护设计，实现先进制程算力芯片的在轨稳定应用。
本系列文章由清华大学工程物理系与星测未来联合呈现，系统介绍双方在太空算力抗辐照领域的合作成果与在轨实践。
系列第一篇太空算力抗辐照① | 空间辐射环境的在轨实测：基于天格计划的数据积累，以下为系列第二篇。
COTS芯片在轨表现：基于在轨实测数据的空间辐射效应分析
高性能商用现货芯片进入太空后，面临的并不是某一种单一辐射源的威胁，而是银河宇宙线、太阳高能粒子、地球辐射带粒子等共同构成的复杂辐射环境。对于先进制程GPU、FPGA、存储器和高性能处理器而言，这些粒子可能通过电离、位移损伤和瞬态能量沉积等方式，影响器件参数、逻辑状态和系统稳定性，进而成为COTS芯片在轨可靠运行的关键约束之一。
天格计划长期在轨积累的海量实测数据，为空间辐射效应量化分析提供了可靠支撑。天格计划14颗科学载荷在轨运行期间，完整保留了全部遥测数据与运行状态记录，涵盖电流、电压、温度等关键工程参数，以及科学观测数据与环境本底数据。这些数据经系统化整理后，已形成累计超过3万小时的在轨数据库，覆盖多种轨道高度与倾角，记录了从正常工况到单粒子翻转、电源异常、温度漂移等多种运行状态。这一高保真、长时间序列的在轨数据集，也为后续基于AI的在轨故障诊断与异常检测提供了宝贵的训练样本与验证依据。
图1 天格计划载荷在轨实测数据库
作为系列文章的第二篇，本文将基于天格计划在轨辐射探测数据，结合低轨道空间辐射环境的实际分布特征，系统分析总剂量效应、单粒子效应和位移损伤在真实LEO轨道环境中的触发条件、风险差异及其对高性能COTS芯片工程应用的启示。
1. 总剂量效应：电离累积与参数漂移
总剂量效应（Total Ionizing Dose, TID）主要由空间高能带电粒子在半导体器件中产生的电离能量沉积引起。在MOS器件中，质子、电子等粒子穿过栅氧化层或场氧化层时，会通过电离作用产生电子-空穴对。其中电子迁移速度较快，较容易被电场扫出；而部分空穴迁移较慢，可能被氧化层或界面缺陷俘获，形成固定正电荷和界面态，进而导致阈值电压漂移、跨导下降、漏电流增大等问题。与单粒子效应不同，总剂量效应通常表现为一种随任务时间累积的渐进性损伤，其严重程度与轨道高度、轨道倾角、太阳活动水平、屏蔽厚度以及任务寿命密切相关。
从工程评估角度看，总剂量效应是COTS芯片在空间应用中最先需要量化的辐射风险之一。以SPENVIS对典型太阳同步轨道开展的仿真结果为例，在未屏蔽条件下，500 km轨道的年总剂量约为41 krad/year，而1200 km轨道可升至约645 krad/year，轨道高度变化会显著改变器件所处的辐射剂量环境。加入铝屏蔽后，总剂量水平会快速下降。例如在500 km轨道下，经过3 mm铝屏蔽后，年总剂量可降至约0.16 krad/year，相比未屏蔽条件降低约250倍。这说明，对于低轨任务而言，合理的结构屏蔽设计可以显著降低COTS芯片面临的总剂量风险。
图2 各典型低轨轨道下、不同铝屏蔽厚度下的年总剂量情况
图中给出了典型太阳同步轨道下，不同铝屏蔽厚度对应的年总剂量仿真结果。从图中可以看出，电子剂量随屏蔽厚度增加下降最快，是薄屏蔽条件下总剂量的重要贡献项；质子剂量衰减相对缓慢，在一定屏蔽厚度后会成为主要贡献来源；韧致辐射剂量则随屏蔽厚度变化较缓，尤其在较高轨道和较厚屏蔽条件下不应忽略。因此，总剂量屏蔽设计并不是简单地“越厚越好”，而是需要结合轨道环境、器件耐受能力和整机质量约束进行综合优化。
典型COTS器件的总剂量耐受能力通常需要通过器件手册、公开辐照试验结果或自开展总剂量试验进行确认。部分高性能COTS器件的总剂量耐受能力如下表所示。
结合图2可以看出，在典型低轨任务中，若通过结构屏蔽将器件处的年总剂量控制在较低水平，上述COTS器件经过合理筛选和设计裕度评估后，有机会满足多年在轨运行需求。例如，对于500–600 km太阳同步轨道，在数毫米级铝等效屏蔽条件下，年总剂量可降至亚krad/year量级，此时总剂量效应通常可以通过器件筛选、屏蔽设计和寿命裕度控制进行工程管理。
因此，相比单粒子效应，总剂量效应具有更强的可预测性和可设计性。它的风险评估路径相对明确：先基于轨道和屏蔽条件获得剂量环境，再结合器件总剂量耐受值和任务寿命计算设计裕度。对于COTS芯片在轨应用而言，总剂量效应并非可以忽略，但通常是三类主要辐射效应中最容易通过工程手段进行量化和控制的一类。
2. 单粒子效应：瞬时扰动与功能故障
在三类典型空间辐射效应中，单粒子效应（Single Event Effects, SEE）通常是COTS芯片在轨应用中最难预测、也最需要重点防范的一类。与总剂量效应不同，SEE并不依赖长期剂量累积，而是由单个高能粒子在器件敏感区域内沉积能量引发。当重离子、质子或其次级粒子穿过半导体器件时，可能在局部区域产生大量电子-空穴对；若收集到的电荷超过器件临界电荷，就可能导致存储状态翻转、逻辑脉冲扰动、电路闭锁。按照影响程度，可大致分为可恢复的软错误、短时功能异常，以及可能造成永久损伤的破坏性效应，常见单粒子效应包括：
单粒子翻转（Single Event Upset, SEU）
单粒子瞬态（Single Event Transient, SET）
单粒子闩锁（Single Event Latchup, SEL）、微闩锁（μ-SEL）
单粒子烧毁（Single Event Burnout, SEB）和单粒子栅穿（Single Event Gate Rupture, SEGR）
对于先进制程COTS器件而言，SEE风险尤为突出。随着工艺节点不断缩小，器件工作电压降低、节点电容减小、临界电荷下降，单个粒子沉积较少的能量也可能触发状态异常。同时，高密度集成使单个粒子轨迹可能同时影响多个存储单元或逻辑节点，导致多位翻转、瞬态错误传播或系统级异常。因此，在高性能GPU、FPGA、SoC、存储器和高速接口芯片中，SEE往往是影响在轨稳定运行的关键风险之一。
2.1 在轨实测数据：天格载荷的统计与分析
天格计划载荷长期运行于500–630 km低地球轨道，具备24小时连续开机、飞越SAA区和极区的工作特征，为分析低轨辐射环境对电子系统的影响提供了在轨样本。根据天格10B至13B载荷的在轨运行统计，部分载荷在轨期间观测到由空间辐射诱发的异常重启事件。
在轨异常重启统计显示：
表2 COTS器件在轨异常重启统计
图3 天格10B~13B载荷在轨重启频次及位置
从统计结果看，异常重启频率与轨道高度、轨道倾角以及载荷飞越高辐射区域的情况具有明显相关性。其中，天格10B运行在约630 km、29°轨道，其异常重启频率显著高于500–530 km轨道载荷。结合SiPM暗电流增长、SAA区域飞越情况及在轨重启位置分布判断，该轨道下器件经历的等效质子辐射环境更强，系统发生辐射诱发异常的概率也相应增加。
与此形成对照的是，星测未来星溪系列天基计算平台采用短时开机策略，并主动规避SAA区和极区，在累计超过680小时的在轨运行期间，未观测到明确的单粒子事件。这一结果说明，SEE虽然具有随机性和瞬时性，但并非完全不可管理。通过任务规划、开机时序控制、敏感区域规避、看门狗复位、错误检测和快速恢复机制，可以显著降低SEE对载荷任务的实际影响。
2.2 单粒子锁定导致功能故障的典型案例
相比SEU和SET，单粒子锁定的工程风险更高。某轨道载荷在轨运行约1.5年后，出现疑似单粒子锁定事件：系统总电流相比正常工作状态增加约一倍，各支路电流状态监测异常，系统连续多次自动重启；遇到疑似闩锁现象。
图4 卫星平台监测的设备异常电流
图5 设备实时遥测数据
该案例体现了单粒子锁定与普通单粒子翻转之间的关键区别。SEU通常是可恢复的软错误，表现为数据位翻转、程序异常或系统重启；而SEL会造成电源通路异常导通，使器件进入大电流状态。如果系统不能及时识别异常支路并执行断电保护，锁定电流可能持续存在，最终导致器件不可逆损伤。
该全局 SEL 故障可通过整机总电流遥测提前识别，但先进制程 COTS 芯片存在的微闩锁仅体现支路微弱电流波动，依靠传统整机监测手段无法有效预警，必须依托器件级就地辐射与支路电流联合感知才能提前甄别。
因此，针对SEL风险，工程设计中不能仅依赖软件复位，而应引入独立的硬件保护机制，包括支路电流监测、过流阈值判断、限流设计、可控断电重启、电源分区隔离以及异常事件记录。对于高价值COTS芯片和关键电源支路，还应在地面试验阶段开展SEL敏感性评估，并在系统层面设计“发现—隔离—断电—恢复”的闭环保护策略。
3. 位移损伤：晶格缺陷与性能退化
位移损伤（Displacement Damage, DD）是高能粒子与半导体晶格原子发生非弹性碰撞或弹性碰撞后，使晶格原子偏离原有位置并形成缺陷的过程。与总剂量效应主要由电离能量沉积引起不同，位移损伤对应的是非电离能量损失。当质子、中子等粒子在材料中传输时，可能将部分能量传递给晶格原子，使其脱离晶格位置，形成空位、间隙原子、缺陷簇等结构损伤。
这些缺陷会在半导体禁带中引入深能级，成为载流子的产生—复合中心，进而降低少数载流子寿命、增加暗电流、降低电荷收集效率，并最终表现为器件性能退化。位移损伤对光电探测器件尤为敏感，例如CCD、CMOS图像传感器、SiPM、光电二极管等，典型表现包括暗电流增加、噪声升高、信噪比下降和能量分辨率退化。
3.1 SiPM在轨暗电流增长的定量测量
天格载荷采用SiPM作为GAGG闪烁体的光探测器件。SiPM对位移损伤较为敏感，其暗电流会随辐射损伤累积而逐渐增加，因此可作为低轨质子辐射环境和位移损伤效应的在轨表征指标之一。
通过对14台载荷在轨运行数据的持续监测，并将SiPM暗电流统一换算至5 ℃参考温度后，可以观察到暗电流随累计在轨时间增长的变化规律。在固定偏压28.5 V条件下，结果显示：
在630 km、30°倾角轨道上，SiPM漏电流随在轨时间呈快速上升趋势，反映位移损伤的持续累积；
在550 km太阳同步轨道上，相同时间尺度内漏电流增长幅度明显较小，说明不同轨道下的质子辐射环境差异会直接影响位移损伤累积速率。
进一步对比分析表明，630 km、30°倾角轨道的质子平均通量约为550 km太阳同步轨道的5-10倍，证明位移损伤的严重程度与轨道高度、倾角以及穿越高通量质子区域的频次密切相关。在低轨任务中，尤其对于光电探测器件而言，轨道选择不仅影响观测覆盖和任务效率，也会直接影响器件的长期性能退化速度。
图6 GRID-03B与GRID-10B载荷SiPM漏电流随时间的变化曲线对比
3.2 位移损伤的工程意义
与总剂量效应类似，位移损伤也是一种随时间累积的辐射效应；但与TID不同，位移损伤主要由高能质子、中子等粒子造成，通常采用非电离能量损失（NIEL）或位移损伤剂量（Displacement Damage Dose, DDD）进行评估。由于高能质子的穿透能力较强，常规薄层结构屏蔽对位移损伤的缓解效果有限，尤其在纳卫星等质量约束严格的平台上，单纯依靠增加屏蔽厚度并不能彻底解决问题。
对于COTS芯片和器件而言，位移损伤的影响主要体现在以下几类对象中：
表3 位移损伤的主要影响
因此，在器件选型阶段，应根据目标轨道的质子通量谱和任务寿命，评估关键器件的位移损伤裕度。对于长寿命任务，尤其是依赖光电探测器件的载荷，应优先选择抗位移损伤能力更强的器件工艺，并结合温控设计、工作点优化、在轨标定和性能退化补偿策略进行系统级设计。
与总剂量效应相比，位移损伤的工程控制难度更高。总剂量效应通常可以通过屏蔽设计显著降低，而位移损伤对高能质子更敏感，屏蔽收益有限。因此，位移损伤的防护重点不应只放在“挡住粒子”，还应包括器件筛选、寿命裕度评估、性能退化监测和在轨数据修正。
4. 总结与讨论
综合上述分析，空间辐射效应对COTS芯片的影响并不是单一机制作用的结果，而是总剂量效应、单粒子效应和位移损伤三类效应共同构成的可靠性约束。三类效应在物理起源、时间特征、影响对象和工程应对方式上存在明显差异。
图7 一图读懂空间辐射效应及策略
从工程角度看，三类效应对应着不同的风险层级。
总剂量效应具有较强的可预测性和可设计性。通过轨道剂量分析、屏蔽优化和器件总剂量耐受能力评估，可以在任务早期建立较明确的设计裕度。对于典型低轨任务而言，总剂量风险通常可以通过结构屏蔽和器件筛选进行有效控制。
位移损伤同样具有累积特征，但其工程控制难度高于总剂量效应。尤其对于SiPM、CCD、CMOS图像传感器等光电探测器件，高能质子造成的晶格缺陷会直接导致暗电流增加、噪声升高和探测性能退化。由于高能质子穿透能力较强，单纯依靠薄层屏蔽难以完全缓解，因此更需要在器件选型、轨道环境评估、温控设计和在轨标定补偿等方面进行综合设计。
单粒子效应则是三类效应中随机性最强、系统后果最复杂的一类。它不依赖长期剂量累积，而可能由单个粒子瞬时触发，表现为数据翻转、接口异常、系统重启，甚至单粒子锁定等破坏性损伤。对于先进制程COTS芯片，由于工作电压低、节点电容小、临界电荷低，单粒子效应往往成为在轨应用中最需要重点防范的风险。因此，SEE的工程控制重点不是单纯“屏蔽掉粒子”，而是建立可检测、可隔离、可恢复的系统级容错机制。
需要强调的是，三类效应并非彼此完全独立。总剂量效应导致的氧化层陷阱电荷和界面态累积，可能改变器件内部电场分布和参数裕度，从而影响器件对单粒子效应的敏感性；位移损伤造成的缺陷也可能改变器件漏电、噪声和增益特性，进一步影响系统工作状态。因此，在COTS芯片空间应用中，辐射效应评估不能只看单一指标，而应从轨道环境、器件特性、系统架构和任务剖面出发进行综合判断。
基于天格计划和MASS-Cube等载荷的在轨实测结果可以看到，真实LEO环境中的辐射效应具有明显的轨道相关性和系统相关性：不同高度、倾角和高辐射区域飞越情况，会显著改变器件所承受的剂量水平、质子通量和单粒子事件风险；而不同系统的开机策略、任务规划、复位机制和电源保护设计，也会直接影响辐射事件最终是否演化为任务异常或器件损伤。
因此，对高性能COTS芯片而言，空间应用的关键并不是假设器件“不会出错”，而是承认其在轨必然面临辐射扰动，并通过系统设计将风险控制在可接受范围内。
作为系列文章的第二篇，本文从物理机制出发，结合在轨实测数据和工程分析，梳理了空间辐射效应从“环境输入”到“器件损伤”再到“系统异常”的作用链条。这一认识也为后续开展高性能COTS芯片的抗辐照设计提供了基础：第三篇将进一步讨论如何围绕芯片选型、屏蔽设计、电源保护、软件容错、任务规划和在轨运维，构建面向工程应用的系统级抗辐照设计体系。
