摘要： 随着卫星互联网星座建设的加速推进，星载芯片原子钟作为高精度时频基准源，其控制微控制器(MCU)的抗辐照性能成为影响系统长期可靠性的关键因素。本文针对国科安芯AS32S601ZIT2型32位RISC-V架构MCU，基于脉冲激光单粒子效应辐照、100MeV质子单粒子效应辐照及钴-60γ射线总剂量辐照试验，系统评估了该器件在商业航天环境下的抗辐射性能，深入探讨了该型MCU在星载原子钟温控、频率锁定及驯服控制等关键功能模块中的适用性，分析其在低轨卫星互联网星座长期运行中的可靠性表现，为星载时频基准系统的器件选型与加固设计提供试验依据。
1. 引言
卫星互联网技术的快速演进对星载电子系统的可靠性提出了前所未有的挑战。作为卫星导航定位、精密时间同步及低轨通信网络的核心时频基准，芯片原子钟(Chip Scale Atomic Clock, CSAC)控制系统的稳定性直接决定了整星的定位精度、通信同步质量及任务寿命。随着低轨卫星星座部署规模的扩大，星载电子设备需在复杂的近地空间辐射环境中持续稳定运行数年乃至十年以上，高集成度微控制器在空间辐射粒子作用下的单粒子效应(Single Event Effects, SEE)及总剂量效应(Total Ionizing Dose, TID)已成为制约星载原子钟长期可靠性的关键瓶颈。
传统的宇航级MCU多采用封闭架构的专用处理器，存在生态系统局限、采购成本高、技术可控性差等问题。近年来，基于开放指令集RISC-V架构的MCU因其指令集开放性、模块化可扩展性及抗辐照加固设计的灵活性，逐渐在航天领域获得广泛关注。AS32S601ZIT2型MCU作为面向商业航天应用的高性能32位控制器，采用自主设计的E7内核，集成硬件ECC(Error Checking and Correction)机制与多模式电源管理单元，在理论上具备适用于空间辐射环境的潜力。
2. 空间辐射效应机理与试验方法论
2.1 低轨空间辐射环境特征
低轨卫星(Low Earth Orbit, LEO)运行高度通常在300-2000km范围内，主要面临地球辐射带中的高能质子、电子及少量重离子的威胁。其中，能量范围在10-100MeV的高能质子是引发单粒子效应的主要辐射源，其通量随太阳活动周期及轨道高度显著变化。当高能粒子穿透半导体器件的敏感区域时，通过电离作用产生电子-空穴对，若在敏感节点(如SRAM存储单元、触发器或功率器件的寄生结构)收集的电荷超过临界电荷(Qcrit)，将引发逻辑状态翻转(SEU)或寄生可控硅结构导通(SEL)。
总剂量效应则是由长期累积的电离辐射(主要包括电子、质子及二次粒子)导致SiO₂栅氧层中电荷陷阱密度增加及界面态生成，引起MOS器件阈值电压漂移、亚阈摆幅增大、漏电流增加及跨导退化。对于星载原子钟的控制系统而言，MCU的时钟稳定性、存储器数据完整性、ADC转换精度及I/O接口可靠性必须经受长期空间辐射考验，任何功能性失效都可能导致原子钟失锁，进而影响整星的时间基准。
2.2 单粒子效应地面模拟试验方法
单粒子效应的地面模拟主要采用重离子加速器、质子加速器及脉冲激光三种手段。本研究采用脉冲激光与质子试验相结合的方法：脉冲激光试验利用皮秒脉冲激光器产生高度局域化的电离效应，通过调节激光能量等效不同的线性能量传输(Linear Energy Transfer, LET)值，实现器件灵敏区的快速扫描与阈值确定；质子试验则在中国原子能科学研究院100MeV质子回旋加速器上进行，质子能量100MeV，注量率1×10⁷ p·cm⁻²·s⁻¹，累积注量达1×10¹⁰ p·cm⁻²，更接近真实空间质子能谱环境，用于验证器件在实际粒子环境下的综合表现。
单粒子翻转(SEU)的判定依据为器件功能异常或数据错误；单粒子锁定(SEL)的判定标准为工作电流超过正常值的1.5倍，此时需立即断电以防止器件烧毁。
2.3 总剂量效应试验方法
总剂量试验依据QJ10004A-2018《宇航用半导体器件总剂量辐照试验方法》进行，采用钴-60(⁶⁰Co)γ射线源。试验剂量率设定为25rad(Si)/s，累积剂量达150krad(Si)，其中包含50%的过辐照裕量以评估器件的寿命末期性能。试验中器件施加3.3V静态偏置以模拟实际工作状态，辐照后参数测试在72小时内完成，并经过168小时高温退火处理，以评估辐射损伤的可恢复性及长期稳定性。
3. AS32S601ZIT2器件架构与抗辐照加固设计
3.1 RISC-V内核与系统架构
AS32S601ZIT2基于32位RISC-V开放指令集架构，集成自主设计的E7内核，工作频率可达180MHz。该内核配备硬件浮点运算单元(FPU)及16KiB数据缓存、16KiB指令缓存(L1 Cache)，支持零等待访问嵌入式Flash与外部存储器。相较于传统封闭架构，RISC-V的模块化设计允许针对航天应用进行指令集裁剪与扩展，便于实现软件层面的容错机制。
器件采用Umc55工艺制造，芯片尺寸3959μm×3959μm，封装形式为LQFP144，工作温度范围-55℃至+125℃，符合商业航天级质量等级要求。
3.2 存储器ECC机制与数据完整性保障
针对空间辐射导致的存储器软错误，AS32S601ZIT2在关键存储单元集成了硬件ECC机制：512KiB内部SRAM、512KiB D-Flash及2MiB P-Flash均配备ECC保护，可自动纠正单比特错误并检测双比特错误。这一特性对于星载原子钟至关重要------原子钟的控制算法参数、频率锁定状态及温度补偿系数存储在Flash中，若发生单粒子翻转而未被发现，将导致频率控制失准。ECC机制可将存储器的软错误率降低数个数量级，显著提升控制系统的数据完整性。
3.3 电源管理与可靠性设计
器件集成电源管理单元(PMU)，支持四种电源管理模式：运行模式(RUN)、低速运行模式(SRUN)、睡眠模式(SLEEP)及深度睡眠模式(DEEPSLEEP)。在深度睡眠模式下，电流消耗不超过300μA，有利于降低卫星在阴影期的功耗并减少总剂量累积损伤。此外，集成的低电压检测(LVD)与高压检测(HVD)模块可实时监控供电状态，4个时钟监测模块(CMU)可检测时钟缺失与频率异常，为原子钟控制系统提供多层次的故障监测能力。
4. 抗辐照性能试验结果与分析
4.1 脉冲激光单粒子效应试验结果
在北京中科芯试验空间科技有限公司的脉冲激光实验室进行的试验表明，在5V工作电压、激光注量1×10⁷cm⁻²条件下：
当激光能量为120pJ(对应LET值(5±1.25)MeV·cm²·mg⁻¹)时，进行全芯片扫描未观察到单粒子效应，器件功能保持正常，工作电流稳定在100mA。
当激光能量提升至1585pJ(对应LET值(75±16.25)MeV·cm²·mg⁻¹)时，监测到单粒子翻转(SEU)现象，具体表现为CPU复位及特定坐标位置(Y:500-520, Y:495, Y:505, X:3840等)的逻辑状态翻转。这一结果表明器件的SEU敏感阈值在75MeV·cm²·mg⁻¹量级。
值得注意的是，在更高能量1830pJ(对应LET值(75±18.75) MeV·cm²·mg⁻¹)的测试中，未观察到单粒子锁定(SEL)现象。根据试验判定标准，当工作电流超过正常值(100mA)的1.5倍(即150mA)时判定为SEL失效。整个试验过程中，所有测试点的工作电流均保持在100mA左右，未出现异常电流增大，表明该器件的SEL阈值高于75MeV·cm²·mg⁻¹，具备较好的抗闩锁能力。
4.2 质子单粒子效应试验结果
在中国原子能科学研究院100MeV质子回旋加速器上进行的试验中，器件经受注量率1×10⁷ p·cm⁻²·s⁻¹、累积注量1×10¹⁰ p·cm⁻²的质子辐照后，功能测试显示：
电参数保持稳定：供电5V条件下，工作电流从辐照前的135mA微降至132mA，变化率小于3%，在测量误差范围内。CAN接口通信功能正常，FLASH与RAM读写功能正常，未出现数据错误或功能失效。
这一结果与脉冲激光试验相互印证，表明在典型的低轨卫星质子环境下，该器件具备足够的抗单粒子效应裕度，SEU发生率极低，SEL现象未出现。
4.3 总剂量效应试验结果
在北京大学技术物理系钴源平台进行的试验表明，器件经受剂量率25rad(Si)/s、累积剂量150krad(Si)的γ射线辐照后：
电参数稳定性良好：工作电流保持稳定(132mA)，关键功能模块未出现性能退化。经过168小时高温退火处理(退火条件符合相关国军标要求)，器件外观无异常，性能参数恢复至初始状态，满足"退火后外观、性能均合格"的失效判定标准。
试验结论认定：AS32S601ZIT2型MCU抗总剂量辐照指标大于150krad(Si)，满足典型低轨卫星5-10年寿命期的总剂量累积要求(通常低轨任务总剂量需求为30-100krad(Si))，具备充足的辐射设计裕量(Radiation Design Margin, RDM)。
5. 星载芯片原子钟应用适配性深入分析
5.1 芯片原子钟系统架构与MCU功能定位
芯片原子钟作为星载时频基准，其核心组成包括物理封装(Physics Package)与电子控制单元(Clocked Control Electronics, CCE)。MCU在CCE中承担核心控制任务，主要功能包括：
温度精密控制：原子钟的铷/铯气室及微波腔对温度极为敏感，温度漂移将直接导致频率稳定度下降。MCU需通过ADC采集多路温度传感器数据，执行PID控制算法调节加热/制冷元件，维持气室温度在±0.1℃甚至更高的精度范围内。AS32S601ZIT2集成了3个12位ADC(最多48通道)与2个模拟比较器，能够满足多点温度监测需求；其512KiB SRAM可存储复杂的温度补偿算法，ECC机制确保控制参数在辐射环境下不被篡改。
频率锁定与驯服控制：MCU通过DAC输出控制电压调节压控振荡器(VCXO)，实现原子钟的频率锁定；在长期运行中，还需进行星地时差监测与驯服算法执行，补偿长期漂移。器件的2个8位DAC与180MHz主频提供的计算能力，可支持高精度的锁相环(PLL)控制与驯服算法实现。
健康管理与遥测：MCU需实时监测原子钟的工作状态(光检测信号、温度、功耗等)，通过CAN总线或以太网与地面站通信。AS32S601ZIT2集成的4路CANFD接口与10/100M以太网MAC模块，支持高速数据传输与故障诊断信息回传。
5.2 空间辐射环境对原子钟控制的影响机制
在低轨空间环境中，若MCU发生单粒子翻转，可能导致以下严重后果：
控制算法参数错误：温度PID系数或频率锁定参数被篡改，导致温控失稳或失锁；
程序计数器(PC)错误跳转：指令流混乱导致控制输出异常，可能损坏物理封装；
存储器数据错误：历史驯服数据丢失，需耗费数小时至数天重新建立频率稳定状态。
AS32S601ZIT2的SEL阈值≥75MeV·cm²·mg⁻¹，在低轨空间重离子环境下，预计SEL发生率低于10⁻⁵次/器件·天；结合软件层面的看门狗(Watchdog)与周期自检机制，可将单粒子效应导致的系统失效概率控制在可接受范围内。
5.3 与卫星互联网星座需求的匹配性
卫星互联网星座通常由数百至数千颗低轨卫星组成，对器件的批产一致性、成本可控性及在轨可靠性均有严格要求。AS32S601ZIT2作为商业航天级器件，具备以下适配优势：
批产质量一致性：通过AEC-Q100 Grade 1认证及商业航天级筛选，确保星座批次部署的器件参数一致性，降低在轨故障率。
开放架构的加固灵活性：基于RISC-V架构，用户可在软件层面实现三模冗余(TMR)、指令重试(Instruction Retry)等容错机制，与硬件ECC形成多层防护体系，这在传统封闭架构MCU中难以实现。
低功耗延长任务寿命：深睡眠模式电流≤300μA，结合原子钟的间歇工作特性(如在阴影区降低功耗)，可显著减少卫星整星功耗，延长轨道寿命。
5.4 可靠性设计裕量分析
基于试验数据，该器件在典型低轨环境下的可靠性裕量充足：
总剂量：试验值150krad(Si) vs 典型任务需求50krad(Si)，裕量3倍；
单粒子锁定：LET阈值>75MeV·cm²·mg⁻¹，远高于低轨质子等效LET贡献；
单粒子翻转：虽在LET 75MeV·cm²·mg⁻¹量级出现SEU，但结合ECC与软件容错，系统级失效概率可接受。
6. 讨论与展望
本文通过系统的地面辐照试验，证实了AS32S601ZIT2型RISC-V架构MCU具备星载芯片原子钟应用所需的基础抗辐照性能。然而，地面试验与在轨应用仍存在差异：脉冲激光试验主要模拟重离子引起的单粒子效应，而实际空间环境是质子、电子及重离子的混合辐射场；总剂量试验采用的γ射线与空间电子、质子辐射在损伤机理上存在微观差异。
未来研究应着重于： 在轨飞行验证：通过搭载试验积累真实空间环境下的单粒子事件发生率数据，建立精确的失效物理模型； 极端温度-辐射协同效应：评估器件在-55℃~+125℃宽温范围内，温度对单粒子敏感阈值及总剂量退化的影响； RISC-V架构的软件容错优化：针对原子钟控制特性，开发轻量级容错操作系统与算法冗余策略，充分发挥开放架构的优势。