【了不起的芯片】芯片的征途不止于星辰大海

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這一期，我們聊一聊航天芯片的那些事兒。

▲點擊觀看視頻：芯片是如何上天的（下）

航天是芯片最早最重要的應用領(lǐng)域（沒有之一），或者說，早年時代的芯片，就是為了航天事業(yè)服務的。

對于民用航天來說，特別是在載人航天、空間站、深空探索以及跨星球遠征等復雜的航天項目中，不僅要進行實時的軌道計算、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)加工等復雜的計算任務。

在集成電路出現(xiàn)以前，航天器的控制原件多為機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)時期德國建造的V2火箭所使用的陀螺儀

但隨著技術(shù)的進步，它們在體積、耗能和穩(wěn)定性方面已經(jīng)遠不能達到航天發(fā)展的需要，航天的研發(fā)逐漸進入了瓶頸。雖然它們支持了人類早期的航天事業(yè)發(fā)展，可在之后，卻成為了航天技術(shù)繼續(xù)前進的障礙。

1958年，杰克·基爾比（Jack Kilby）實現(xiàn)了在同一塊半導體材料上制造電阻器、電容器和晶體管等元器件，再通過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器等器件的出現(xiàn)成為可能，這種加量不加價的好東西，也給了此時的航天界一個新思路。

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

早期上天的集成電路注重對分立元件電路板的取代，其功能都比較簡單，一般就是計數(shù)器和數(shù)字邏輯。例如第一顆環(huán)繞地球運行的集成電路SN514，其功能就是將原先的十多個分立電子原件封裝進一塊不足原體積1/100的芯片中以實現(xiàn)縮減體積。

▲SN514

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

以第一臺基于硅集成電路的計算機阿波羅制導計算機為例，它能夠自行處理復雜的軌跡方程，并在飛行過程中實時發(fā)出制導指令。在該裝置的整個研發(fā)過程中MIT消耗了當時全世界60%的可用集成電路。

這種計算機的字長為16位，有15個數(shù)據(jù)位和1個奇偶校驗位。上面的大多數(shù)軟件都存儲在一種特殊的只讀存儲器中，這種存儲器被稱為核心繩存儲器，是通過在磁芯上和周圍編織導線而形成的，不過也有少量的讀/寫核心存儲器可用。按我們今天的標準，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.早期型號中包含了4100個邏輯單元，稱之為block I，之后的block II 變?yōu)?800個邏輯單元，也是載人飛船上所使用的型號。

下圖為block I與block II，我們可以看出早期的這種計算機還是由簡單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“電子式存儲器”的誕生，因為在飛船上采用陸地上常用的紙帶或者磁帶存儲數(shù)據(jù)是非常不靠譜的。不過，那個時候還沒有發(fā)明固態(tài)存儲器，甚至固態(tài)存儲器的理論還沒有完善。已經(jīng)深刻掌握二進制精髓的NASA采用了磁芯加線圈的方式存儲數(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)，半導體也慢慢獨立出來，成為一個新興行業(yè)。也正是一代又一代人的持續(xù)努力，半導體行業(yè)逐漸成為超強“大腦”，為各行各業(yè)注入新鮮“血液”，提供無限動力。

我們可以說，1969年的阿波羅計劃是半導體行業(yè)發(fā)展的源頭。沒有當時登月的野望，也就沒有了后面的這一切故事。征服星辰大海是我們?nèi)祟惖膲粝?，但芯片的征途一定不止于星辰大海，未來，就讓我們拭目以待?/span>