新思科技科普類(lèi)短視頻欄目《了不起的芯片》全新上線！新思科技一直致力于打造“人人都能懂”的行業(yè)科普視頻，傳播更多芯片相關(guān)小知識(shí)，解答各類(lèi)科技小問(wèn)題。每周3分鐘，多一些“芯”知識(shí)。

這一期，我們聊一聊航天芯片的那些事兒。

▲點(diǎn)擊觀看視頻：芯片是如何上天的（下）

航天是芯片最早最重要的應(yīng)用領(lǐng)域（沒(méi)有之一），或者說(shuō)，早年時(shí)代的芯片，就是為了航天事業(yè)服務(wù)的。

對(duì)于民用航天來(lái)說(shuō)，特別是在載人航天、空間站、深空探索以及跨星球遠(yuǎn)征等復(fù)雜的航天項(xiàng)目中，不僅要進(jìn)行實(shí)時(shí)的軌道計(jì)算、姿態(tài)控制，而且還要在高溫差高輻射環(huán)境下，使用有限的電力，完成遙感、通信、數(shù)據(jù)加工等復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。

在集成電路出現(xiàn)以前，航天器的控制原件多為機(jī)械或是分立的電子原件組合而成。這些由鐵和鋼等制作而成的零件往往體積龐大，重量也不容小覷，在寸土寸金的航天器中占據(jù)了大量的發(fā)射載荷。

▲二戰(zhàn)時(shí)期德國(guó)建造的V2火箭所使用的陀螺儀

但隨著技術(shù)的進(jìn)步，它們?cè)隗w積、耗能和穩(wěn)定性方面已經(jīng)遠(yuǎn)不能達(dá)到航天發(fā)展的需要，航天的研發(fā)逐漸進(jìn)入了瓶頸。雖然它們支持了人類(lèi)早期的航天事業(yè)發(fā)展，可在之后，卻成為了航天技術(shù)繼續(xù)前進(jìn)的障礙。

1958年，杰克·基爾比（Jack Kilby）實(shí)現(xiàn)了在同一塊半導(dǎo)體材料上制造電阻器、電容器和晶體管等元器件，再通過(guò)連接形成完整電路的構(gòu)想。這就是世界上第一塊集成電路。這一發(fā)明，使微處理器和微存儲(chǔ)器等器件的出現(xiàn)成為可能，這種加量不加價(jià)的好東西，也給了此時(shí)的航天界一個(gè)新思路。

此后的1961年，從美國(guó)提出阿波羅計(jì)劃開(kāi)始，舉全國(guó)之力集中了一批精英工程師。參與計(jì)劃的工程師將大量的資源都投入到集成電路的研發(fā)當(dāng)中，單NASA一家就幾乎承包了那個(gè)年代的60%以上的芯片訂單。之后的幾年，航天界可以說(shuō)是碩果累累，捷報(bào)頻發(fā)。

早期上天的集成電路注重對(duì)分立元件電路板的取代，其功能都比較簡(jiǎn)單，一般就是計(jì)數(shù)器和數(shù)字邏輯。例如第一顆環(huán)繞地球運(yùn)行的集成電路SN514，其功能就是將原先的十多個(gè)分立電子原件封裝進(jìn)一塊不足原體積1/100的芯片中以實(shí)現(xiàn)縮減體積。

▲SN514

隨著阿波羅登月計(jì)劃的推進(jìn)，對(duì)航天系統(tǒng)的計(jì)算能力和模塊重量提出了遠(yuǎn)超時(shí)代的要求。工程師基于集成電路的飛控系統(tǒng)在增加功能的同時(shí)并不增加體積和重量。在登月計(jì)劃的研發(fā)過(guò)程中，飛控系統(tǒng)完成了從固定邏輯到可編程計(jì)算機(jī)的華麗轉(zhuǎn)變，從而誕生了最早期的“軟件”。

以第一臺(tái)基于硅集成電路的計(jì)算機(jī)阿波羅制導(dǎo)計(jì)算機(jī)為例，它能夠自行處理復(fù)雜的軌跡方程，并在飛行過(guò)程中實(shí)時(shí)發(fā)出制導(dǎo)指令。在該裝置的整個(gè)研發(fā)過(guò)程中MIT消耗了當(dāng)時(shí)全世界60%的可用集成電路。

這種計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)為16位，有15個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)奇偶校驗(yàn)位。上面的大多數(shù)軟件都存儲(chǔ)在一種特殊的只讀存儲(chǔ)器中，這種存儲(chǔ)器被稱(chēng)為核心繩存儲(chǔ)器，是通過(guò)在磁芯上和周?chē)幙棇?dǎo)線而形成的，不過(guò)也有少量的讀/寫(xiě)核心存儲(chǔ)器可用。按我們今天的標(biāo)準(zhǔn)，該系列芯片基本采用的是幾十到一百微米左右的工藝制成，主頻為512kHz.早期型號(hào)中包含了4100個(gè)邏輯單元，稱(chēng)之為block I，之后的block II 變?yōu)?800個(gè)邏輯單元，也是載人飛船上所使用的型號(hào)。

下圖為block I與block II，我們可以看出早期的這種計(jì)算機(jī)還是由簡(jiǎn)單IC疊加后組成的，和今天的集成在一顆芯片內(nèi)的CPU還是有很大不同的。

▲Block I

▲Block II

航天飛控軟件的出現(xiàn)更是直接促使了“電子式存儲(chǔ)器”的誕生，因?yàn)樵陲w船上采用陸地上常用的紙帶或者磁帶存儲(chǔ)數(shù)據(jù)是非常不靠譜的。不過(guò)，那個(gè)時(shí)候還沒(méi)有發(fā)明固態(tài)存儲(chǔ)器，甚至固態(tài)存儲(chǔ)器的理論還沒(méi)有完善。已經(jīng)深刻掌握二進(jìn)制精髓的NASA采用了磁芯加線圈的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，于是一批精干的紡織女工成為了最早的“程序員”。

▲紙帶

▲磁帶

▲磁芯加線圈

當(dāng)然，航空航天發(fā)展至今，程序員也早已成為“全職”職業(yè)，半導(dǎo)體也慢慢獨(dú)立出來(lái)，成為一個(gè)新興行業(yè)。也正是一代又一代人的持續(xù)努力，半導(dǎo)體行業(yè)逐漸成為超強(qiáng)“大腦”，為各行各業(yè)注入新鮮“血液”，提供無(wú)限動(dòng)力。

我們可以說(shuō)，1969年的阿波羅計(jì)劃是半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的源頭。沒(méi)有當(dāng)時(shí)登月的野望，也就沒(méi)有了后面的這一切故事。征服星辰大海是我們?nèi)祟?lèi)的夢(mèng)想，但芯片的征途一定不止于星辰大海，未來(lái)，就讓我們拭目以待！