芯片价值仅 2.6 万！看马斯克的 SpaceX 如何用工业级器件搞翻航天圈

本文经九天微星（ID：commsat）授权转载

作者：九天波粒（九天微星通信航天人）

引言：北京时间 5 月 31 日凌晨 3：23 ，SpaceX 最新的载人龙飞船在美国肯尼迪航天中心 39A 发射台成功发发射。在经过将近一整天的飞行后，6 月 1 日凌晨 1 点 22 分，搭乘美国 SpaceX 载人龙飞船的两位 NASA 宇航员终于进入国际空间站，与等在那里的宇航员正式会面，这预示着全球商业载人航天时代的到来。

除了创造历史之外，SpaceX 的龙飞船5384倍的主芯片降本成效也足以让半导体业者振奋。

01

宇航级，用不起

在航天圈里，有一种器件如贵族般存在：

宇航级器件

一个二极管只要上天验证成功，

就可以从一个工业级十八线小明星跃升为

宇航级一线大明星，

身价可以倍增上百倍甚至上万倍。

以现有载人飞船搭载的星载计算机和控制器举例，

单个控制器价格为500 万人民币左右，

一共 14 个系统，

为了追求高可靠性，

每个系统 1+1 备份，

一共 28 个控制器，

成本总计约 1.4 亿人民币！

而 SpaceX 的龙飞船主控系统的芯片组，

仅用了 2.6 万人民币，

成本相差 5384 倍！

Elon Musk 到底是如何做到的？

我们看以下几条重要的知识点。

知识点

1、 SpaceX 猎鹰九号和龙飞船用的都是Intel 双核的 x86 处理器；

2、 操作系统用的是Linux，还有LabView 和 Matlab；

3、 软件工程用的是C++，有些时候也用Python；

4、 整个主控程序只有几十万行代码。

工业级器件小屌丝的困境：粒子翻转

航天器所有的器件要经历很苛刻很苛刻的环境。

首先发射时要禁得住剧烈的抖动和很高的温度，

才能走出地球。

而真正的炼狱在入轨后才刚刚开始，

面对太阳面的时候，温度迅速提升，最高到 120 ° C

背离太阳面的时候，温度骤减，最低到 -150 ° C

就这样90 分钟一圈又一圈，周而复始，

每圈都是270 ° C 的温差。

而对于电子器件来说，温度不是最难熬的，

最难熬的是太空中的辐射，

这些辐射有来自地球的召唤：地球磁场

也有来自太阳的问候：高能粒子

还可能有来自三体文明的问候：

其他太阳系以外的粒子。

而这些粒子，将引发电子器件的神经紊乱，

专业名词是：粒子翻转

它将很 Surprise 地告诉星载计算机和星载存储器

下面将是见证奇迹发生的一刻！

我要把 1 变成 0，然后再把 0 变成 1。

有些人问了，多大点事啊，不就差个 1 吗？！

但是在比特界，差一位就可差之千里。

举个栗子：

如果指令 20 是向上爬升，指令 24 是停止推进，

后果是难以想象的。

所以如果发生了 1 和 0 不分的情况，

整个飞行器的运算结果曾导致非常大的灾难。

在 1996 年，阿里安 501 火箭，

虽然没有粒子翻转，

但是系统试图将一个64 位的数字，

放到一个16 位的地址里面去，

随即发生了 1/0 错乱的现象。

结果在点火 37 秒后，

火箭开始侧翻，

随之爆炸，

因为这个 小 问题，

那次发射损失高达 3.7 亿美金！

回到主题，既然粒子翻转这么恐怖，

那 SpaceX 如何做到发现问题和解决问题的呢？

很简单：民主决策

技术名词叫：parity bits

同位位元

既然判断不了一个是否翻转，

那就多放几个一样的设备，

通过比较，把不一样的结果给踢出去。

攒火箭硬件选择

上文提到，SpaceX 没有选择用贵族宇航级器件，

而是选择了经典厂牌Intel 的 X86 双核处理器，

京东售价仅478 元人民币

（参考价为奔腾系列，赛扬更便宜）：

而 SpaceX 也没有用双核做一件事，

而是把双核拆成了两个单核，

分别计算同样的数据。

每个系统配置 3 块芯片做冗余，

也就是 6 个核做计算。

如果其中 1 个核的数据和其他 5 个核不同，

那么主控系统会告诉这个核重新启动，

再把其他 5 个核的数据拷贝给重启的核，

从而达到数据一直同步。

周而复始，不让一个核掉队。

据 SpaceX 前火箭总师 John Muratore 透露，

龙飞船一共有 18 个系统，

每个系统配置了 3 块 X86 芯片，

龙飞船一共有 54 块。

所以龙飞船主控芯片的总价约：

2.6 万人民币，3600 美元！

而猎鹰九号一共有 9 个分立式发动机，

每个发动机配置了 3 块 X86 芯片，

加上主控系统配置了 3 块，

猎鹰九号一共有 30 块这样的芯片。

猎鹰九号主控芯片的总价约：

1.4 万人民币，2000 美元！

我差点砸了手里的 X1，

是它阻拦了我攒火箭的大计！

更让 SpaceX 开心的事情，

是 Intel X86 的程序员一抓一大把啊，

而专业宇航级器件的程序用的基本都是特定语言，

程序员比元器件还难找。

而且硬件工程师压力也小，

X86 芯片随便造，

烧坏了？再来 1 个。不不，再买一打！

可是宇航级器件仅仅是测试费，

就都够再买一车 X86 芯片的。

攒火箭软件选择

SpaceX 就用的开源Linux 写的操作系统，

而 Linux 用随便一台电脑就可以编写。

同样的，SpaceX 程序员最爱的还是C++，

用开源的GCC 或者 GDB做火箭的主控程序。

SpaceX 还用LabView，

一款图形化编辑语言，

对于火箭程序来讲，

它更容易实现可视化和流程化，

更容易做复杂的算法设计和数据分析。

SpaceX 也用Matlab，

在仿真和矩阵计算上，真的很好用。

而且，龙飞船，猎鹰九号，猎鹰重型，

分享着同一款代码，

分享着同一类迭代，

分享着同一种喜悦，

多么的模块，

多么的互联网…

大数据监控和测试

2018 年，SpaceX 一共发射 21 次，

一个公司占全球发射数量约 20%，

而 SpaceX 的工程师和分析师，

手里有大量的测试数据和实际数据，

而且他们也被鼓励用不同的维度，

去检验飞行器的安全性，

形成最新的也最实用的测试程序，

从而降低实测成本。

同时，Continuous Integration

持续集成也被应用在了程序测试上。

持续集成

为了配合敏捷开发（相对于瀑布开发）的速度和效率而产生的一个用于编译、测试、发布、部署的工具。

通过这种办法，

可以让团队每时每刻在持续的基础上，

收到反馈并进行改进，

不必等到开发周期后期才寻找和修复缺陷。

而且火箭程序不同于其他，

会进行 断弦式 测试，

突然关闭一台电脑，

来看看发动机到底有什么反应。

总结

航天已经经历了60 年的历史，

每一次阶跃其实都伴随着各类器件技术革新，

比如：

1950 年代的晶体管技术，

1970 年代的微控制器技术，

1980 年代的数字信号处理技术，

1990 年代的高性能存储技术，

现在，芯片工艺从 28nm，16nm，10nm 到 7nm，

工艺的提升也增加了芯片在太空中的抗辐射性能，

让商业器件在太空中应用可行性大大提升！

伴随航天成长的是经典的：摩尔定律。

但是摩尔定律到现在在地面侧都快失效了，

而在航天侧还没有开始。

比如 Greg Wyler 在 2019 年 1 月 6 号，

Twitter 的Oneweb 的新型相控阵天线，

目标定价 15 美金。

比如 AWS 与 Lockheed Martin 在 2018 年 11 月

发布的超小型地面站，

可降低地面站 80% 的成本

北京九天微星正在研制

200mW 卫星物联网终端模组，

目标定价 5 美金。

因此，

航天缺少的仅仅是大胆的商业器件验证，

缺少的仅仅是采用 MVP 快速迭代的环境，

而逐年降低的发射成本正在迅速降低试验成本，

因此，

属于航天的摩尔定律才刚刚开始！

属于航天的互联网思维才刚刚开始！

属于航天的大时代才刚刚开始！

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