天碩（TOPSSD）X55系列航天級(jí)固態(tài)硬盤采用國(guó)產(chǎn)化方案，搭載自研宇航級(jí)主控、通過(guò)抗輻照復(fù)合屏蔽層與多重容錯(cuò)架構(gòu)，在 -55℃~85℃ 超寬溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。系列產(chǎn)品遵循GJB及航天任務(wù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，可選TLC與pSLC模式，通過(guò)權(quán)威機(jī)構(gòu)的輻照測(cè)試及單粒子效應(yīng)測(cè)試，確保在宇宙射線與高能粒子環(huán)境中的高可靠性。已成功搭載于低軌衛(wèi)星并完成在軌驗(yàn)證，入軌后讀寫性能符合預(yù)期，長(zhǎng)期服務(wù)于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、遙感觀測(cè)、火箭測(cè)控、低軌星座中繼交換等關(guān)鍵航天應(yīng)用。

引言

固態(tài)硬盤（SSD）的性能邊界與可靠性上限，很大程度上由控制器決定。控制器是固態(tài)硬盤的“大腦”，負(fù)責(zé)執(zhí)行固件指令、調(diào)度主機(jī)接口與閃存介質(zhì)之間的數(shù)據(jù)傳輸，并承擔(dān)地址映射、磨損均衡、垃圾回收、錯(cuò)誤校正等關(guān)鍵算法。在航天應(yīng)用中，控制器的抗輻照能力、計(jì)算性能、功耗控制及閃存適配能力，直接決定了整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)在空間環(huán)境下的可用性與數(shù)據(jù)完整性。

與地面商用控制器不同，航天級(jí)控制器必須在總電離劑量、單粒子效應(yīng)等嚴(yán)苛條件下保持功能連續(xù)。天碩（TOPSSD） 自主研發(fā)的抗輻照SSD控制器，正是面向上述痛點(diǎn)而設(shè)計(jì)的專用芯片。本文將從抗輻照能力、性能指標(biāo)、工作溫度范圍、閃存支持及封裝尺寸等維度，解析該控制器的核心技術(shù)特性。

一、抗輻照能力：從總劑量到單粒子閂鎖的系統(tǒng)性加固

航天電子元器件在空間環(huán)境中面臨兩種最主要的輻射損傷機(jī)制：總電離劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)。

總電離劑量效應(yīng)是指器件在長(zhǎng)期累積輻射照射下，氧化層陷阱電荷增加、閾值電壓漂移、漏電流上升，最終導(dǎo)致性能退化或功能失效。該效應(yīng)的耐受能力以總劑量（單位：krad，千拉德）衡量。

單粒子效應(yīng)則是由單個(gè)高能粒子穿過(guò)器件敏感區(qū)引發(fā)的瞬時(shí)或永久性故障。其中，單粒子閂鎖是一種高破壞性效應(yīng)：粒子轟擊觸發(fā)CMOS結(jié)構(gòu)中寄生的可控硅結(jié)構(gòu)導(dǎo)通，形成低阻抗通路，導(dǎo)致器件電流驟增，若不及時(shí)斷電可能永久燒毀。抗閂鎖能力通常用線性能量傳輸閾值（單位：MeV·cm2/mg）表示，閾值越高，器件對(duì)單粒子閂鎖的免疫性越強(qiáng)。

天碩抗輻照控制器在上述兩個(gè)維度上均達(dá)到了宇航級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：

l總劑量耐受：TID ≥ 100 krad(Si)。該指標(biāo)覆蓋了低地球軌道（LEO）5-10年任務(wù)周期的累積劑量需求，并可適應(yīng)中地球軌道（MEO）及部分地球同步軌道（GEO）任務(wù)。這意味著控制器在典型空間輻射環(huán)境中無(wú)需額外屏蔽即可保持全壽命期功能完整。
l單粒子閂鎖閾值：SEL LET ≥ 37 MeV·cm2/mg。這一閾值顯著高于低地球軌道環(huán)境中常見(jiàn)重離子的LET分布上限（通常為20-30 MeV·cm2/mg），表明控制器在絕大多數(shù)單粒子事件下不會(huì)發(fā)生閂鎖。即便在銀河宇宙射線中能量極高的重離子轟擊下，閂鎖概率也被控制在極低水平。

這一層級(jí)抗輻照能力的實(shí)現(xiàn)，得益于天碩在控制器芯片制造階段就采用抗輻照加固工藝，并結(jié)合了底層電路的容錯(cuò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

二、性能與接口：PCIe Gen3 x4與3.7GB/s高吞吐

星載存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)吞吐能力的需求，正隨著載荷分辨率和數(shù)據(jù)率的提升而快速增長(zhǎng)。傳統(tǒng)基于SATA或SpaceWire接口的存儲(chǔ)方案，其帶寬已難以支撐高分辨率光學(xué)相機(jī)、合成孔徑雷達(dá)等載荷的峰值數(shù)據(jù)率。

天碩抗輻照控制器采用PCIe Gen3 x4主機(jī)接口，支持NVMe 1.4協(xié)議，最高順序讀寫速度可達(dá)3.7GB/s。這一性能水平具有以下工程意義：
l匹配先進(jìn)載荷：3.7GB/s的帶寬可覆蓋當(dāng)前主流遙感衛(wèi)星的峰值數(shù)據(jù)率，避免寫入積壓導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。
l降低軟件協(xié)議開(kāi)銷：NVMe協(xié)議專為固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，多隊(duì)列并行機(jī)制使隨機(jī)讀寫延遲遠(yuǎn)低于SATA或定制接口方案。
l為星上處理預(yù)留裕量：除數(shù)據(jù)記錄外，剩余帶寬可支撐星上AI推理、實(shí)時(shí)壓縮等在軌處理任務(wù)。

在容量支持方面，該控制器最大可管理16TB閃存容量。這一上限可滿足絕大多數(shù)LEO遙感任務(wù)及中大型深空探測(cè)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，同時(shí)為未來(lái)容量擴(kuò)展保留了架構(gòu)裕度。

三、寬溫工作：-55℃至85℃的全任務(wù)剖面覆蓋

航天器在軌經(jīng)歷劇烈的溫度循環(huán)。控制器作為固態(tài)硬盤的主要熱源之一，其自身的工作溫度范圍直接決定了存儲(chǔ)系統(tǒng)是否需要在艙內(nèi)占用恒溫資源。

天碩抗輻照控制器支持-55℃至85℃的寬工作溫度范圍，無(wú)需外部加熱或輔助散熱即可在全溫度區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。這一能力基于以下設(shè)計(jì)：

l寬溫選型：芯片封裝及內(nèi)部電路采用工業(yè)級(jí)寬溫元件，確保低溫下啟動(dòng)正常、高溫下電氣參數(shù)漂移可控。

l熱節(jié)流機(jī)制：當(dāng)溫度接近上限時(shí)，控制器可主動(dòng)降低工作頻率或調(diào)度寫入負(fù)載，防止熱失控。

l低溫冷啟動(dòng)：在-55℃條件下，片上振蕩器和鎖相環(huán)仍能穩(wěn)定輸出時(shí)鐘，保證PCIe鏈路建立成功。

這一層級(jí)的寬溫能力使天碩控制器可直接部署于衛(wèi)星艙外或非恒溫艙段，降低整星熱控負(fù)擔(dān)。

四、閃存適配：支持TLC與pSLC模式的雙模架構(gòu)

航天存儲(chǔ)系統(tǒng)長(zhǎng)期面臨一個(gè)兩難選擇：使用SLC閃存雖具備高壽命和高數(shù)據(jù)保持能力，但容量低、成本高；使用TLC閃存雖可提供高密度，但擦寫壽命和數(shù)據(jù)保持時(shí)間在空間輻射環(huán)境下可能不足。

天碩抗輻照控制器通過(guò)支持pSLC模式，提供了第三種路徑。在pSLC模式下，控制器將TLC閃存的每3個(gè)存儲(chǔ)單元僅用作1比特，讀寫裕量顯著增大，等效擦寫壽命可提升至TLC模式的數(shù)倍至數(shù)十倍，數(shù)據(jù)保持時(shí)間亦大幅延長(zhǎng)。

控制器支持以下兩種運(yùn)行模式：

lTLC原生模式：適用于對(duì)容量要求高、寫入頻率較低的任務(wù)。

lpSLC模式：適用于對(duì)可靠性和壽命要求極高的關(guān)鍵任務(wù)。

兩種模式實(shí)現(xiàn)了容量與可靠性的按需平衡。

五、封裝尺寸：15mm×15mm的小型化集成

航天載荷對(duì)體積和重量極為敏感。控制器作為固態(tài)硬盤的核心芯片，其封裝尺寸直接影響存儲(chǔ)模組的集成密度。

天碩抗輻照控制器采用15mm×15mm封裝，在航天級(jí)控制器中屬于緊湊尺寸。該封裝在滿足抗輻照加固和寬溫可靠性的前提下，保持了較小的占板面積，使模組設(shè)計(jì)可在有限PCB空間內(nèi)集成更多閃存顆粒或縮減整體尺寸。

此外，相比基于FPGA的軟核控制器方案，專用ASIC在同等抗輻照指標(biāo)下具備更低的功耗和更高的邏輯密度。

六、結(jié)語(yǔ)：自主可控的航天存儲(chǔ)“中國(guó)芯”

控制器是固態(tài)硬盤的技術(shù)制高點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，航天級(jí)SSD控制器市場(chǎng)由境外廠商主導(dǎo)，國(guó)內(nèi)用戶不僅面臨采購(gòu)限制風(fēng)險(xiǎn)，更難以在固件層面進(jìn)行深度定制以滿足特定任務(wù)的算法優(yōu)化需求。

天碩抗輻照控制器的研制，填補(bǔ)了這一空白。基于TID ≥ 100 krad(Si)、SEL LET ≥ 37 MeV·cm2/mg的抗輻照能力，PCIe Gen3 x4接口與3.7GB/s的高吞吐性能，-55℃至85℃的寬溫工作范圍，以及對(duì)TLC原生與pSLC雙模閃存的支持，該控制器為航天存儲(chǔ)系統(tǒng)提供了一個(gè)自主可控、高性能、高可靠的底層平臺(tái)。

以該控制器為核心，天碩構(gòu)建了覆蓋M.2、U.2、XMC、BGA等多種形態(tài)的X55系列航天級(jí)固態(tài)硬盤，并已成功應(yīng)用于多型在軌衛(wèi)星。從芯片到模組，從固件到系統(tǒng)，天碩正在以自主創(chuàng)新推動(dòng)中國(guó)航天存儲(chǔ)技術(shù)邁向“好用、可靠、領(lǐng)先”的新階段。

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(guó)家認(rèn)定的高新技術(shù)企業(yè)，長(zhǎng)期專注于高可靠、高性能存儲(chǔ)技術(shù)的自主創(chuàng)新。公司立足國(guó)家戰(zhàn)略需求，面向航空、航天、國(guó)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(chǔ)解決方案，切實(shí)保障國(guó)家關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)安全與運(yùn)行穩(wěn)定，為實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)提供堅(jiān)實(shí)支撐。

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