从流浪地球2看高可靠性半导体 HiRel半导体

前言

在近期热映的《流浪地球2》中，虽然其中的计算机已经迭代到从550a到550w（MOSS）的量子计算机时代，但是与百年前发明的硅基半导体一样（1947到204x），太阳风也对其造成重大影响，并成为剧情转折的关键。

剧情分析

在逐月卫星发动机建设过程中，一场几乎没有预警的Kp 9级太阳风暴袭击了月球。

带电粒子流组成的极强太阳风不断从太阳发射，侵蚀着地月轨道。月球表面被激烈的等离子体波动和强烈的电磁辐射所冲击，搅动了月球表面的灰尘和土壤，掀起壮观的月尘沙暴。

此时，相较于平时经年累月的缓慢积累，太阳风暴吹来的带电粒子在很短时间内就在月壤中积累了超过某个阈值，产生的静电荷以爆发性电火花的形式释放出来，穿透风化层，引起表层月壤融化以及物质蒸发。

在月球工程师的逃难过程中，这种物理变化以月面的岩石和土壤发生爆裂，形成小火山爆发般的火花所展现。

不仅如此，太阳风引发的强电磁辐射在各类电子电气设备中产生感应电势和感应电流，造成临时性的故障或者永久性的损坏。

电影中太阳风暴产生的强烈感应电势引起了电子器件的闩锁，或者静电放电（ESD）击穿电绝缘，引发电流浪涌甚至电路短路，导致四散的电火花在卫星发动机施工队的设备、载具和太空服上此起彼伏的出现。

更关键的是，太阳风暴也使得人类唯三的量子计算机550c中的一台报废，不得不转而使用图恒宇的550a完成逐月卫星发动机的建设。因此，电影关键情节得以推动，让马兆和图恒宇达成继续550量子计算机开发计划、并在其中上传图丫丫意识的交易。

太阳风的破坏力

当然，一般级别的太阳风并不会在地球上造成如电影里毁灭般的情景，而是更多的带来临时性的问题，少数情况下导致永久性的故障。

首先，太阳风会对电子系统造成电磁干扰（EMI），扰乱通信和导航，亦或影响系统内部的各类控制和逻辑信号，导致电子设备失效。

其次在设备中的电子元器件层面，质子和电子等太阳风粒子可能在芯片中引发单粒子翻转（SEU）或者单粒子闩锁（SEL）等单粒子效应（SEE），对芯片带来从软失误（运行中的瞬态扰动）到硬错误（芯片永久性损坏）的影响。

单粒子效应不可预测，例如在存储芯片或处理器中，单粒子翻转可以在这类CMOS器件里引起电位状态的翻转，从状态“0”变成状态“1“，或者反之，导致运行出错。

此外，长时间暴露于太阳风下，其中质子和电子的累积效应也不可忽视。

相较于随时可能出现的单粒子效应，累积效应的伤害需要时间积累。当电离总剂量（TID）达到一定的范围后，积累的电荷会影响芯片中晶体管的电流电压特性，导致其耐压、漏电流和阈值电压等参数逐渐退化。随着性能的劣化，直到一段时间后芯片和电子设备终于完全无法使用。

为了减轻太阳风对电子产品的影响，工程师使用高可靠性半导体来应对此类恶劣环境的挑战。

高可靠性半导体

高可靠性半导体在业内又称为HiRel （High Reliability）半导体（下简称HiRel半导体），是一种针对在恶劣和苛刻的环境中使用的电子元件。

为了实现高度的可靠性，HiRel 半导体不但在设计和制造过程中有特别的考量，还经过严格的品质、可靠性和耐久性测试，以确保这些芯片能够在高温、高辐射和高振动等极端环境下运行。

首先在设计层面，HiRel半导体通常有冗余电路和纠错技术，以检测和纠正由太阳风粒子或其他恶劣环境条件引发的错误操作。

其次在制造过程中，通过重掺杂、厚氧化膜和屏蔽等特别工艺和技术，实现不同等级的辐射硬化（Radiation Hardenning，又称RadHard）。辐射硬化可以帮助HiRel芯片承受大剂量的电离辐射，显著减少单粒子效应导致的器件失效或损坏。

此外，添加硅树脂或聚酰亚胺等保护涂层也是生产HiRel半导体过程中的常用手段之一，可以防止芯片物理损坏并减少电离辐射的影响（题外话，电路板PCB上也可通过喷涂三防漆提高一定的可靠性和安全性，相关内容可见《电动汽车中一个容易忽略的设计要点》）。

电动汽车中一个容易忽略的设计要点1 赞同 · 2 评论文章

之后在测试阶段，HiRel半导体经过严格的可靠性测试和筛选，确保能够承受恶劣和苛刻的应用环境。测试条件按照实际应用环境设计，或者是模拟情况下的加速测试，其中就包括太阳风影响的场景。

最后，HiRel半导体还提供更专业的产品可追溯性，包括提供所有出厂器件的日期编码和批次跟踪，直至前道、后道工艺以及封测涉及的产线和设备等信息。并且，只有在通知客户或者获得批准的情况下，芯片原厂才会对HiRel半导体的某一道工序或者产品本身作任何的改变。

市场与前景

HiRel半导体应用领域广泛，包括航空航天和国防领域，以及一些特殊的应用场景如植入式医疗设备和深潜装备等。

最近几年发达国家和发展中国家因为种种原因增加军事和国防开支，以及SpaceX、蓝色起源和Starlink、OneWeb等私人航天企业和卫星互联网提供商的兴起，使得HiRel半导体受到越来越多的重视。

因为统计口径的区别，各家市场调研机构对HiRel半导体的市场前景看法稍有不同。

咨询公司Transparency Market Research预测十年内全球HiRel半导体市场将以 4.6% 的复合年增长率成长，从2021年的61亿美元，增加到2031年的101亿美元。

咨询机构Global Insight Services认为其中航空航天应用增长较快，市场容量将从2021 年的 22 亿美元，增加到2031年的72 亿美元，期内复合年增长率为12.3%。

其中，北美市场预计占据最大的份额，超过1/3。亚太地区和欧洲将分别排名第二和第三。

在HiRel半导体领域，目前主要供应商是德州仪器、英飞凌、意法半导体、Microchip等半导体原厂，也包括霍尼韦尔和英国宇航系统公司（BAE Systems）等系统公司。

当然，受限于地缘政治和国际外交，高可靠性半导体市场将是一个总体稳定成长、部分领域突破，但是较消费、工业和车规半导体等更为割裂的半导体细分领域。目前，国内高可靠性半导体供应链还处于发展阶段，预计未来会有更多的国产厂商出现。