在新一轮太空计划竞争中，铁电存储技术正在崭露头角

编译自电子设计

全球正在掀起新一轮太空热潮，无论是大公司还是初创公司都推出了不同的卫星发射计划。

SpaceX 和亚马逊等公司正在竞相推出由数百到数千颗小型卫星组成的全球星座，以便使数据传输遍布世界任何角落。其他公司则在近地轨道上部署更小的遥感卫星。新的火箭发射企业正在降低发射成本，为争夺太空主导地位的新竞争打开了大门。

随着新一轮星球大战的形成，英飞凌和其他芯片公司越来越多地押注于能够应对太空辐射的产品——太空是对电子器件最不友好的环境之一。

英飞凌上个月推出了用于卫星和其他航天器的新型抗辐射串行接口铁电 RAM (FRAM) 系列中的第一款，其耐用性可确保持续数年甚至数十年的寿命。

如何保证可靠性

在航天工业中，可靠性最为优先。卫星和其他太空级电子设备中的芯片必须能够承受在发射过程中可能导致损坏甚至短路的剧烈振动和冲击。

这些组件还面临着地球大气层以外的热管理挑战。必须保护它们免受广泛的温度波动影响，这种波动会影响它们在太空中的运行时间。

但就太空中的组件可靠性而言，迄今为止，最大的挑战是持续暴露在辐射下。

在太空中，电子元件会受到各种粒子的轰击，这些粒子会产生电荷，从而对硬件造成严重破坏。长期的大剂量辐射（称为总电离剂量 (TID)）可能会永久损坏硬件并损害设备在其使用寿命期间的性能。辐射造成的损坏可能导致器件发生bug甚至灾难性故障。

太阳耀斑和其他不可预测的事件也可以将粒子直接传递至芯片中，从而改变存储在内存中的数据丢失或导致突然短路（“闩锁”），从而可能导致器件损坏。

在这些情况下，现货商用组件受不了长时间辐射。

空间资格

英飞凌航空航天和国防副总裁 Helmut Puchner 表示，随着公司和政府对于太空计划的支持，对英飞凌 2-MB FRAM 等高可靠性、符合太空要求的存储器的需求正在上升。

“我们正在太空中建立更多的计算基础设施。”Puchner 说。据英飞凌称，客户正在关注更先进的存储器，支持卫星中使用的太空级 FPGA 和其他高性能处理器，以进行实时的机载数据处理。

英飞凌表示，FRAM 具有独特的物理特性，可以保护其免受可能改变内存中存储数据的辐射的影响。 2MB FRAM 非常坚固，抗辐射能力高达 150 千拉德 (krad)。

Puchner 表示，这对于距离超过 20,000 英里的地球同步轨道上的卫星来说已经绰绰有余，因为那里的电子设备暴露在大约 30 到 100 krads 的辐射下。 “一个超过 100 krad 的组件，就可以覆盖大约 98% 的应用。”

他解释说，英飞凌的 FRAM 是非易失性的，在断电后也可支持长达120年的数据保留。当系统恢复供电时，它也可以从关闭前的确切位置重新启动。

根据英飞凌的说法，抗辐射 FRAM 可以替代串行 NOR 闪存和 EEPROM 存储器，这些存储器对辐射的耐受性较低，并且功耗更高。 2 MB FRAM 可用于连续、关键任务数据记录和备份以及遥测、命令和控制的数据存储。这些芯片还可用于存储基于 Arm 的微控制器和太空级 FPGA 的启动代码。

对于抗辐射的忍受力

一波“新太空”公司正花费数十亿美元将数千颗类似冰箱大小的卫星送入太空。

但其中许多公司正在使用汽车级零件来组装卫星，Puchner 说。这些部件旨在承受强烈的振动和广泛的温度变化，因此足够坚固，可用于近地轨道卫星，这些卫星在一定程度上受到地球大气辐射的保护。但是这些类型的卫星设计只能使用大约五年。

虽然距离地球相对较近的卫星只能维持几年，但用于导航、通信和国防等领域的传统卫星必须经过 15 年或更长时间的加固，以抵御辐射和其他空间危害。英飞凌表示，其最新的 FRAM 系列非常适合这些卫星，这些卫星可以像公共汽车一样大，耗资数亿美元，并且通常放置在地球同步轨道上。

“‘新空间’的一些应用已经预留了一定的损耗率。”Puchner 说。“2-MB FRAM 更针对需要可靠性，需要存在数年以上的 A 级和更高级别的政府任务。”

该公司已根据广泛的航空航天工业标准（包括地球轨道电子设备的最高标准 DLAM QML-V）对新的太空 FRAM 系列进行了严格测试或“认证”。

FRAM 的独特优势之一是它有效地具有无限的耐用性。英飞凌的 FRAM 能够处理 10 万亿次读/写周期，允许在卫星的整个使用寿命期间连续记录数据。

英飞凌的 FRAM 还可用于航空电子设备和其他受–55至125°C军用温度等级限制的系统。该存储器采用16引脚、10×8mm SOP陶瓷封装，有助于提高其稳健性。

FRAM使用行业标准的SPI接口来减少引脚数并允许更小的占位面积。串行协议越来越多地用于卫星，其中许多利用支持 SPI 的太空级处理器。

英飞凌表示，2MB FRAM的功耗也更低：FRAM 的最大工作电流为 10 mA，编程电压为 2.0 V，工作电压范围为 2.0 至 3.6 V。

从头开始

几十年来，英飞凌一直是航天级芯片的主要参与者。事实上，它为詹姆斯韦伯太空望远镜提供了许多关键任务、抗辐射功率电子设备，该望远镜将接替哈勃太空望远镜，成为未来十年美国宇航局首屈一指的太空天文台。该公司还为工业、汽车和航空航天应用提供范围广泛的高可靠性 SRAM、FRAM 和 NOR 闪存。

为了服务于航天工业，英飞凌通常采用其汽车级或工业级存储器，并增加工艺和封装改进，以增强它们抵御太空辐射和其他危险的能力。

但随着太空业务的增长，它正在加紧计划推出专门用于太空的芯片。 Puchner 表示，英飞凌拥有抗辐射的 NOR 闪存，它是从头开始为卫星设计的，目前正在开发中。

“我们期待为太空市场带来更多的行业第一。”Puchner说。