在“十五五”規(guī)劃戰(zhàn)略引領(lǐng)下，商業(yè)航天已成為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的核心增長極，正加速邁入規(guī)模化爆發(fā)、市場化深耕的全新階段。星載數(shù)據(jù)存儲作為貫通航天器“感知、傳輸、決策”全鏈路的關(guān)鍵節(jié)點，其技術(shù)能級直接定義了“太空新基建”的承載上限。

天碩（TOPSSD）是一家長期專注于高可靠、高性能存儲技術(shù)創(chuàng)新的國家高新技術(shù)企業(yè)。在航空航天領(lǐng)域，天碩聚焦星載固態(tài)存儲系統(tǒng)自主研發(fā)。針對空間環(huán)境中單粒子效應、總劑量效應等核心難題，公司構(gòu)建了覆蓋芯片、固件到模組的全鏈條抗輻射加固設(shè)計體系，保障設(shè)備在軌長期穩(wěn)定運行。目前，天碩航天級系列產(chǎn)品已成功應用于多型多顆低軌衛(wèi)星，為新一代衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)提供高穩(wěn)定、高安全的數(shù)據(jù)支撐。

本系列專題將全面解讀星載存儲器的相關(guān)定義與核心技術(shù)難點，闡述天碩（TOPSSD）如何依托自主創(chuàng)新的產(chǎn)品與解決方案，為各類航天任務筑牢堅實的數(shù)據(jù)存儲保障。

空間環(huán)境對電子元器件施加的考驗，遠超出地球上任何工業(yè)應用場景。沒有大氣層的屏蔽，宇宙射線、太陽高能粒子、極端溫度交替、高真空以及發(fā)射階段的力學過載，都要求星載存儲必須能經(jīng)受更嚴苛的挑戰(zhàn)。深入理解這些環(huán)境因素對存儲器件的影響機制，是了解高可靠航天存儲設(shè)計要點的前提。

一、空間輻射

空間輻射是航天電子設(shè)備面臨的最主要威脅。根據(jù)輻射源的不同，主要可分為三類：銀河宇宙射線、太陽高能粒子和地球輻射帶俘獲粒子。這三類輻射源與半導體材料相互作用，會產(chǎn)生三種主要的破壞性效應：

1. 總電離劑量效應（TID）

總電離劑量效應是指輻射能量在材料中長期累積所造成的漸進式損傷。當高能粒子穿過半導體器件的氧化層時，會激發(fā)電子-空穴對，部分空穴被陷阱捕獲，導致器件參數(shù)漂移。

對于存儲器件，TID效應的典型表現(xiàn)包括：閾值電壓漂移、漏電流增加、時序參數(shù)變化，最終導致功能失效。

根據(jù)歐洲空間標準化合作組織（ECSS）發(fā)布的數(shù)據(jù)，在典型3mm鋁屏蔽條件下，低地球軌道（LEO）的年累積總劑量約為3~10 krad(Si)；中地球軌道（MEO）可達50~200 krad(Si)；地球同步軌道（GEO）為80~150 krad(Si)；而深空探測任務所經(jīng)歷的累積劑量則可能超過1 Mrad(Si)。

TID效應具有累積性和不可逆性。對于設(shè)計壽命5~15年的航天任務，TID是決定電子系統(tǒng)壽命的核心因素之一。

2. 單粒子效應（SEE）

與TID的累積特性不同，單粒子效應是由單個高能粒子轟擊器件敏感區(qū)域，瞬間釋放大量電荷所引發(fā)的瞬時或永久性故障。

根據(jù)表現(xiàn)形式，SEE可分為若干子類，其中對存儲系統(tǒng)影響最顯著的是以下三種：

單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）：當粒子擊中存儲單元時，可能導致存儲的邏輯狀態(tài)發(fā)生改變：從0變?yōu)?，或從1變?yōu)?。這是一種“軟錯誤”，器件本身并未損壞，數(shù)據(jù)可被重寫恢復。但在不采取糾錯措施的情況下，SEU將直接導致數(shù)據(jù)污染。

單粒子閂鎖（SEL）：在CMOS電路中，寄生的PNPN結(jié)構(gòu)可能被粒子激發(fā)導通，形成低阻抗通路，導致電流劇增。若不及時切斷電源，SEL將造成器件過熱甚至永久燒毀。這是一種“硬錯誤”，需要電路級別的防護設(shè)計。

單粒子功能中斷 (SEFI)： 當高能粒子擊中存儲控制器的狀態(tài)機、指令寄存器或控制邏輯時，可能導致器件進入一種不正常的測試模式、復位狀態(tài)或未定義的邏輯死鎖。存儲器會突然無法響應讀寫指令，雖然硬件未損壞，但通常需要通過掉電重啟（Power-on Reset）才能恢復正常。在自動化程度極高的航天任務中，頻繁的 SEFI 會嚴重影響任務連續(xù)性。

3. 位移損傷

位移損傷是高能粒子與半導體晶格原子發(fā)生碰撞，將原子撞離平衡位置所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性缺陷。這種損傷同樣具有累積性和不可逆性，會導致少數(shù)載流子壽命降低、器件增益下降，最終影響功能。位移損傷在光電器件和功率器件中尤為顯著，在存儲器件中相對次要，但在高能粒子通量較大的任務中仍需考慮。

二、熱循環(huán)

空間環(huán)境中的熱狀況與地面截然不同。在低地球軌道，衛(wèi)星會周期性地進出地球陰影區(qū)，一個軌道周期（約90分鐘）內(nèi)，航天器外表面的物理平衡溫度會急劇變化。

盡管通過航天器的熱控系統(tǒng)（TCS）調(diào)節(jié)，內(nèi)部元器件的工作環(huán)境通常被維持在更溫和的范圍，但頻繁的軌道交替仍會對存儲器件產(chǎn)生兩方面影響：

物理結(jié)構(gòu)層面：不同材料的熱膨脹系數(shù)差異導致熱應力反復加載，可能引發(fā)焊點疲勞、封裝開裂、鍵合線斷裂等可靠性問題。

電氣性能層面：溫度變化影響半導體載流子遷移率和閾值電壓，導致時序參數(shù)漂移。對于Flash存儲器，高溫會加速電荷泄漏，縮短數(shù)據(jù)保持時間；低溫則可能降低寫入效率。

根據(jù)NASA戈達德航天中心發(fā)布的數(shù)據(jù)，典型的低軌衛(wèi)星在5年壽命期內(nèi)，可能經(jīng)歷超過3萬次熱循環(huán)。這對元器件的材料和工藝提出了極高要求。

三、真空與力學環(huán)境

1. 真空環(huán)境

進入軌道后，航天器處于高真空狀態(tài)（壓力低于10^-6 Pa）。真空環(huán)境帶來兩個突出問題：

熱控困難：地面依靠對流散熱的機制失效，熱量只能通過輻射和傳導傳遞。這要求存儲系統(tǒng)必須具備高效的熱傳導路徑和輻射表面設(shè)計。

放氣效應：部分聚合物材料和封裝材料在真空中會釋放揮發(fā)性氣體，這些氣體可能凝結(jié)在光學鏡頭或低溫表面，造成污染；同時，放氣會導致材料收縮、性能劣化。

2. 力學環(huán)境

航天器在發(fā)射階段需承受劇烈的振動、沖擊和過載。運載火箭點火、級間分離、整流罩拋離等事件產(chǎn)生的力學載荷，可能達到十幾個重力加速度（g）的量級，且頻譜覆蓋從低頻到高頻的寬范圍。

對于存儲模組，這要求：

結(jié)構(gòu)件具備足夠的強度和剛度，避免共振；

焊點和連接器能夠耐受反復應力；

大質(zhì)量器件（如電感、電容）需額外加固，防止脫落。

結(jié)語

太空環(huán)境對存儲系統(tǒng)的考驗是全方位的。上述每一項都可能成為系統(tǒng)失效的誘因。但同時也應看到，這些環(huán)境因素并非不可預知，通過科學的測試與量化分析，它們可以被納入工程設(shè)計的可控范疇。航天存儲系統(tǒng)設(shè)計的起點，正是對這些參數(shù)的準確獲取與解讀。

多年來，天碩（TOPSSD）與體制內(nèi)研究所深度協(xié)同，圍繞航天級存儲產(chǎn)品展開多項聯(lián)合測試與研發(fā)。通過持續(xù)開展輻照試驗、熱循環(huán)測試與力學驗證，積累了覆蓋數(shù)十種器件的空間環(huán)境特性數(shù)據(jù)庫。

天碩的航天級產(chǎn)品已在多項衛(wèi)星任務中經(jīng)歷實戰(zhàn)檢驗，實現(xiàn)從芯片、固件到模組的全鏈條抗輻照加固設(shè)計，始終在真實軌道環(huán)境中反復驗證、迭代進化。正因如此，天碩所構(gòu)建的是一套經(jīng)任務驗證、與前沿需求同步的高可靠存儲能力體系，為各類航天任務筑牢真實的數(shù)據(jù)基石。

關(guān)于天碩（TOPSSD）

湖南天碩創(chuàng)新科技有限公司（TOPSSD）成立于2016年，是國家認定的高新技術(shù)企業(yè)，長期專注于高可靠、高性能存儲技術(shù)的自主創(chuàng)新。公司立足國家戰(zhàn)略需求，面向航空、航天、國防和高端工業(yè)等關(guān)鍵領(lǐng)域，提供完全自主可控的核心存儲解決方案，切實保障國家關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)安全與運行穩(wěn)定，為實現(xiàn)高水平科技自立自強提供堅實支撐。

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