摘要：2022年，在火星上的一场强风中，几颗小石子被吹到了美国“毅力号”火星车所携带的一个科学仪器里，这个仪器就此瘫痪。这个消息有些奇怪，我们在生活中常常能见到类似火星车这样能走会动的机器——扫地机器人，许多扫地机器人会通过建模规划最优路线，遇到障碍物会自主爬坡或绕

2022年，在火星上的一场强风中，几颗小石子被吹到了美国“毅力号”火星车所携带的一个科学仪器里，这个仪器就此瘫痪。这个消息有些奇怪，我们在生活中常常能见到类似火星车这样能走会动的机器——扫地机器人，许多扫地机器人会通过建模规划最优路线，遇到障碍物会自主爬坡或绕道，很少听说扫地机器人会因为被石子砂砾缠住而丧失功能的新闻。按理来说，比扫地机器人先进得多的火星车也不可能被几颗石子难倒才对。那么，“毅力号”为何还避不开几个小石子，换句话说，火星车为什么看起来“不太聪明”的样子?

杀死航天器的高能粒子

“毅力号”之所以不聪明，原因在于它有一颗过时的“大脑”——20世纪苹果台式电脑所使用的同款芯片。众所周知，芯片是智能机器的中枢，每一个指令的接收和传递都离不开芯片，而随着技术的进步，芯片的更新换代十分迅速，与新款芯片相比，来自上世纪的芯片在计算速度、存储性能等各方面都落后了一大截，其性能甚至比不上我们手中手机的芯片。为什么科学家打造了最先进的航天器躯体，却给它安上这样一颗不太聪明的“大脑”呢?

其中一个重要原因就是为了躲避太空“杀手”——高能粒子。我们知道，太空环境与地球环境很不一样：太空中充满了各种各样的高能粒子，比如高能中子、X射线、伽马射线等。由于有地磁场和大气层的保护，能够到达地球表面的高能粒子很少，而缺少地磁场和大气层的外太空和外星球则没有那么好运，它们每时每刻都要承受高能粒子的轰炸。

这些高能粒子不仅会伤害生物体，对许多电子产品也有致命性伤害。这些粒子可以穿透机器外壳直达芯片，芯片实质是由数不清的电路组成的，粒子的撞击会导致芯片的电路短路或者“比特翻转”。所谓“比特翻转”就是指将电路中的逻辑信号1变成0或者0变成1，在电路中，“1”可以被简单理解为打开电路，“0”则是关闭电路。这样一来，一旦粒子这只“看不见的手”将电路的开关胡乱地打开或关闭，芯片原本想传递的指令就会被篡改得面目全非，严重的时候甚至会死机，这种效应被称作单粒子翻转效应。

事实上，许多航天器都曾因为单粒子翻转效应而瘫痪。中国第一代气象卫星“风云一号”的B星升空后不久就因为遭遇高能粒子流，出现了单粒子翻转效应，以至于姿态控制计算机程序混乱，导致卫星在空间翻转，无法运行。2011年，中国自主研发的火星探测器“萤火一号”在升空数小时后入轨失败，究其原因，很可能就是星载计算机芯片遭宇宙辐射影响发生故障而导致无法正常接收指令。

老芯片更加“靠谱”

痛定思痛，科学家们开始想方设法帮助航天器芯片躲避高能粒子，其中一个方法就是使用更大更重的芯片。

我们知道，早期制造的芯片都比较笨重，由于可被攻击的范围够大，一块芯片被高能粒子影响的区域较小，就像受力面积越大，压强越小一样，我们将这种翻转效应称为单粒子单位效应。随着芯片制作工艺的进步，我们造出的芯片越来越小，单位面积上的电路越来越多，粒子轰击所造成的翻转现象越来越严重，甚至会出现单粒子多位翻转，这对于整个航天器的安全构成了严重的威胁。

所以，出于安全考虑，应用在航天器上的芯片不再一味求新求快，而是求大求稳。航天器中所使用的芯片尺寸不会做得非常小，而是按任务设计，以满足需求为上限。在这个前提下，那些来自上个世纪的芯片就完全能满足要求，因此它们就成了航天器的常客。

除了选用大芯片，许多航天器还会采用冗余容错来实现对芯片的纠错和检测，比如说进行抗辐射加固、配备备用存储单元、使用专门的存储芯片等方式。这样一来，航天器的“大脑”就显得更加笨重了，这也是为什么航天器看起来比普通家用电器还要“笨”的原因。

不久前发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜的CPU搭载的是一款主频为118MHz的RAD750芯片，这款芯片于2001年发布，在计算速度和存储性能等方面，它都没有什么过人之处，但是它能承受2000～10000戈瑞的辐射(相当于做一千万次CT的辐射量)。RAD750芯片还同时运行在“毅力号”火星车和100多颗卫星上，部分航天器上的芯片已经接受宇宙“考验”近20年，目前无一故障。

因此，与其费时费力去开发新芯片，我们何不选择这些更加靠谱的老芯片呢?毕竟新芯片虽好，但在太空严酷的环境里，它们还是显得比较娇嫩、脆弱。

来源：大科技杂志社