在遊戲、手機、穿戴式裝置和物聯網(IoT)等消費電子產品蓬勃發展之前,曾經有一段時間由政府/軍事電子領域消耗大部份的半導體產業產出。這使得軍事和太空機構對於半導體產業所開發的新產品類型與製造製程存在著重大影響力。

然而,今非昔比,由於軍事/航空航太市場的規模已不再大到足以吸引半導體供應商持續對其進行投資。這導致相關產業繼續沿用多年前開發的傳統元件,以及用於太空的商用現貨(COTS)晶片。對於太空電子系統設計人員來說,這可不是什麼好消息。

軍事和主要的航太供應商仍然採取保守的方法來使用COTS,因為他們的任務保證模式非常嚴格,而且其一向嚴苛的元件認證措施經多年來證實非常有效。然而,「新太空」(new space)開發人員社群對於風險具有更高的容忍度,預計將大幅降低元件成本。

由於故障成本降低,加上小型衛星(SmallSats)星群可用於提供系統級冗餘,以覆蓋單個SmallSat單元的故障,小型衛星正日益普及,並進一步刺激了這一途徑的進展。(SmallSat通常定義為重量低於300公斤,但多半更輕得多;另請參閱“What are SmallSats and CubeSats?”)

當今的情況可簡單分成兩大基本陣營。「傳統」陣營對於故障或失效的容忍度較低,更願意花大錢投資在一些超越先進技術水準的輻射強化(抗輻射)、專用半導體上。「新太空」陣營則擁有更輕鬆的任務保障方法,並願意使用搭載最新技術的低成本COTS元件。有鑑於絕大多數新型太空衛星用於較少極端輻射環境的低地球軌道(LEO),引發災難性輻射故障的風險也較低(LEO被認為介於離地球約300公里至1,000公里之間,並存在於在Van Allen內部輻射帶下方)。

根據一些跡象顯示,傳統陣營的成員們開始鬆綁對於半導體產品認證的嚴格要求,以便利用最新技術。這表現在他們願意在太空任務中使用塑料封裝,而不再僅限於傳統的陶瓷封裝。此外,也有跡象顯示,新的太空陣營開始體認到COTS產品明顯存在風險,因而一直審慎地在太空電子系統中部署抗輻射元件以提高可靠性。這一切的結果是,傳統和新的太空工程師之間正逐步融合於一種新的途徑——採用更具成本效益但仍具抗輻射功能的電子元件,以打造太空系統。

為了降低傳統抗輻射元件的高成本,近年來已經推出了許多舉措,包括利用大量商用晶圓代工廠的創新強化技術、可用於抗輻射IC的商用IP (如Arm處理器)應用,以及目前為了打造適用於太空的塑料封裝規格而採取的步驟。這些措施都大幅降低了抗輻射元件的成本,進一步促進傳統和新太空開發人員需求的融合。

convergence of traditional and new space electronics

傳統和新型太空電子技術的融合
(來源:VORAGO Technologies)

一種日益受關注的途徑是明智且審慎地使用抗輻射元件來建置關鍵系統功能,並作為安全監控器或監視器,以監督系統中使用的COTS元件是否正確運作(例如CubeSat)。這種融合的途徑讓設計團隊得以結合最新且最先進的COTS技術,以實施抗輻射的功能基礎。例如,在其機載攝影機需要進行高速影像處理的小型衛星中使用COTS繪圖處理單元(GPU)。COTS GPU本身無法減輕輻射效應,但可以透過抗輻射元件進行控制,以確保其正常運作,並在其操作受到輻射效應干擾時進行重置。

使用多個COTS元件版本來實現冗餘仍然是一種普遍的作法,但考慮到元件尺寸,這將會變得越來越具挑戰性。將許多功能壓縮到CubeSat封裝中,有助於降低發射成本並啟動更多的運載火箭選項。但是,如果將高度冗餘設計到系統中以補償COTS元件使用,那麼要將更多功能壓縮到有限空間中並不容易。

影響太空電子系統總成本和可靠性的主要因素是軟體。無疑地,使用最新的商業軟體開發工具是創建強大程式碼的主要優點。當創建並驗證可靠的軟體模組時,能夠重覆使用它們也是一大好處。特別是,新的太空社群已經表現出使用軟體可編程架構的趨勢,這種架構可以非常快速地開發、調整和重用。透過重覆使用已知良好的模組,可以縮短產品開發時間以及提高可靠性。

不同的小型衛星成本可能會有很大的差異,具體取決於由誰開發、誰來發射、將在哪裡運行,以及預計存在多長的時間等等。當進一步分析整個開發、測試、發射和營運相關成本,僅使用COTS元件當然可節省數千美元,但增加一些抗輻射元件也只佔到整個預算中相對較小的一部份。許多小型衛星開發人員已經意識到這一點,並已採取一些措施以升級其任務保證,為其關鍵任務功能選擇性地實施抗輻射元件。隨著下一代抗輻射元件的可用性和成本持續進展,這一趨勢將加速。

編譯:Susan Hong

(參考原文:The Convergence of Traditional and New Space Electronics Solutions,by Ross Bannatyne, VORAGO Technologies)