戍天九思：太空芯片竞赛:中国三大优势遥遥领先

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　　1月24日，据香港《南华早报》报道，中国正利用自己的“天宫”空间站测试各种芯片处理器并取得技术优势。该报指出，如此大规模的在轨芯片测试，对于中国的太空雄心可谓是至关重要。

　　▲2023年11月28日，中国载人航天工程首次对外发布由神舟十六号乘组返回地面前手持高清相机，通过飞船绕飞拍摄的空间站组合体全景照片。放大照片能看到专用的太空暴露测试平台。

　　笔者认为，当前，芯片正处在第一代硅基半导体材料向第三代、第四代半导体材料转型的关键时刻。太空特殊环境对太空芯片有着极为苛刻的要求，决定着太空芯片竞赛有三大门槛：新材料、新工艺和空间站，中国是全球唯一一个拥有这三大优势的国家。

　　中国太空芯片的新材料优势

　　太空极端恶劣环境对芯片工作的影响主要有三个方面：

　　一是强辐射干扰。这是影响最大的因素之一。太阳风暴、银河宇宙射线、地球辐射带等产生的高能粒子和射线，可能会对芯片内部的电路造成干扰或损坏，导致芯片无法正常工作。

　　二是真空散热难。在地球上，空气中的气体分子可以帮助散热；但在太空中，气体分子极少，这会导致芯片无法有效散热，影响其性能和寿命。普通电脑在海拔4000米以上的高原，都会因空气稀薄散热难而发生故障。

　　三是极端温度。在高度300~400公里轨道上，物体受光面温度约为150℃，背光面温度约为-127℃，温差近300℃。不采取特殊措施，能够耐受这种极端温度的半导体材料很少。

　　因此，太空芯片设计，需要采用抗辐射材料、增加热设计、加固电路板、进行太空测试等特殊措施，因而太空芯片往往价格昂贵，都是有价无市、专用垄断。Xilinx太空芯片XQR5VFX130-1CF1752V封装BGA,每片超过120万元人民币；太空芯片XQR4VSX55-10CF1140V封装CLCC,每片超过50万元人民币，ATMEL太空芯片AT697F-KG-E封装MQFP256，每片超过60万。

　　目前，主流的太空芯片虽然还是硅基芯片，但必须采取特殊保护措施以应对太空极端环境。中国北斗卫星采用的是第三代半导体材料——氮化镓芯片。理想的太空芯片材料既要带隙宽，又要能承受极端温度，只能是第三代、第四代半导体材料。

　　因此，未来最理想的太空芯片材料是金刚石、石墨烯、氮化铝，金刚石和氮化铝属于第四代半导体，石墨烯属于第三代半导体。这些都是新型半导体材料，而且材料价格昂贵，还需要全新工艺才能制作成芯片，而新工艺还不太成熟。

　　这些未来最理想的太空芯片材料金刚石、石墨烯、氮化铝，中国总体上有明显的产业链优势。中国人造金刚石产量全球占比90%。石墨烯产量全球占比62%。中国氮化铝行业起步晚，以中低端产品为主，高端产能不足靠进口。

　　太空芯片的新材料工艺优势

　　从太空芯片制程上看，目前使用的太空芯片制程普遍较低。美国宇航局表示，目前在太空中使用的芯片基于 30 年前的技术。例如，2021 年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜中使用的 RAD750 处理器是使用过时的 250 纳米技术制造的，时钟频率仅为 118 MHz，只有目前智能手机芯片的一小部分。

　　据直接参与中国太空芯片计划的科学家介绍，中国的天宫空间站现在可以同时测试100多个计算机处理器。跨越 28 至16 纳米工艺范围的 20 多种新型高性能芯片已通过测试。它们比欧美国家的太空芯片先进得多。尤其是中国拥有大量的深紫外光刻机，使其能够以低成本生产大量的芯片。

　　从新材料工艺看，目前中国在第三代、第四代半导体芯片上均有一系列重大突破。

　　★2020年9月，全球最大氮化镓芯片工厂在苏州建成投产，满产后将实现月产8英寸硅基氮化镓晶圆65000片。北斗卫星上芯片采用的是氮化镓芯片。

　　★2023年2月，中科46 所成功制备出我国首颗 6 英寸氧化镓芯片，达到国际最高水平。

　　★2023年 3月23日，我国首条“氮化镓激光器芯片”生产线在广西柳州市北部生态新区正式投产，实现了该类芯片的进口替代和自主可控。

　　★2023年10月27日，华为和哈工大联合申请公布了“一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法”专利。也就是说，华为掌握了通过掺杂让金刚石从绝缘体变成半导体的专利技术。

　　★2024年1月，中国和美国科研人员联合研制出世界上第一个由石墨烯材料制成的功能性半导体。

　　独有的“天宫”空间站优势

　　太空芯片必须在太空暴露环境下进行实验测试，这是太空芯片研制最大的坎。为什么美国太空芯片还是采用30年前的技术？也是卡在太空暴露环境测试上。

　　虽然美国参与了国际空间站，能够进行太空暴露环境测试实验，但国际空间站章程规定：参与的15个国家有权了解发送到国际空间站的所有有效载荷的详细信息，这会导致测试的太空芯片涉及国家安全和技术秘密的泄露，特别是在俄乌冲突、俄美对立的情况下，美国更不便在国际空间站上测试太空芯片。

　　同时，国际空间站章程还明确禁止与军事技术相关的实验。2017年，一艘俄罗斯货运飞船因携带用途不明的设备而受到美国宇航局和美国媒体的质疑。

　　因此，美国宇航局不得不于去年终于决定让SpaceX等两家私营航天公司为其未来的载人登月和火星探索等重要太空任务设计和制造新芯片。这款新芯片基于开源RISC-V架构，速度将比之前的处理器快100倍，预计明年进入太空。但是，美国私营航天公司只有飞船，要对太空芯片进行太空暴露环境测试，将非常麻烦，成本也非常高。

　　中国独立自主建设的“天宫”空间站好处多多，可以不受限制地进行各种各样的太空实验，中国“天宫”空间站还有专用的太空暴露测试平台。

　　▲于 2023 年 6 月 10 日安装在我国空间站梦天舱暴露平台上开始进行实验。

　　太空芯片不仅可用于太空探索，而且可以用于极地科考、高原、高温高寒、核辐射等极端环境，还可以广泛用于军事上对抗电磁脉冲炸弹和微波炸弹。

　　中国有独立自主研发太空芯片的基础，又有三大太空芯片研制优势，中国太空芯片必将遥遥领先，不仅会带来中国太空探索的大繁荣大发展，而且会加速中国第三代、第四代半导体芯片技术的成熟！这种遥遥领先，让美国人羡慕嫉妒恨！

　　更令人兴奋的是中国还有53个领域遥遥领先。1月26日，韩国媒体《Edaily》发表文章称，澳大利亚战略政策研究所（ASPI）明确透露，在全球尖端技术竞争中，中国占据了主导地位，而韩国远远落后。该研究所制定并公布的“核心技术跟踪指标”显示，在64项尖端技术的竞争力排名中，韩国没有一个领域排名第一。而中国在人工智能、航天航空、电池等53个领域排名第一，美国在基因工程、量子计算机等11个领域排名第一。