天碩（TOPSSD）X55系列航天級固態硬盤采用國產化方案，搭載自研宇航級主控、通過抗輻照復合屏蔽層與多重容錯架構，在 -55℃~85℃ 超寬溫范圍內實現全穩態運行。系列產品遵循GJB及航天任務要求進行設計驗證，可選TLC與pSLC模式，通過權威機構的輻照測試及單粒子效應測試，確保在宇宙射線與高能粒子環境中的高可靠性。已成功搭載于低軌衛星并完成在軌驗證，入軌后讀寫性能符合預期，長期服務于衛星互聯網、遙感觀測、火箭測控、低軌星座中繼交換等關鍵航天應用。

引言

固態硬盤（SSD）的性能邊界與可靠性上限，很大程度上由控制器決定。控制器是固態硬盤的“大腦”，負責執行固件指令、調度主機接口與閃存介質之間的數據傳輸，并承擔地址映射、磨損均衡、垃圾回收、錯誤校正等關鍵算法。在航天應用中，控制器的抗輻照能力、計算性能、功耗控制及閃存適配能力，直接決定了整個存儲系統在空間環境下的可用性與數據完整性。

與地面商用控制器不同，航天級控制器必須在總電離劑量、單粒子效應等嚴苛條件下保持功能連續。天碩（TOPSSD） 自主研發的抗輻照SSD控制器，正是面向上述痛點而設計的專用芯片。本文將從抗輻照能力、性能指標、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特性。

一、抗輻照能力：從總劑量到單粒子閂鎖的系統性加固

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

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

單粒子效應則是由單個高能粒子穿過器件敏感區引發的瞬時或永久性故障。其中，單粒子閂鎖是一種高破壞性效應：粒子轟擊觸發CMOS結構中寄生的可控硅結構導通，形成低阻抗通路，導致器件電流驟增，若不及時斷電可能永久燒毀。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，器件對單粒子閂鎖的免疫性越強。

天碩抗輻照控制器在上述兩個維度上均達到了宇航級標準：

l總劑量耐受：TID ≥ 100 krad(Si)。該指標覆蓋了低地球軌道（LEO）5-10年任務周期的累積劑量需求，并可適應中地球軌道（MEO）及部分地球同步軌道（GEO）任務。這意味著控制器在典型空間輻射環境中無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境中常見重離子的LET分布上限（通常為20-30 MeV·cm2/mg），表明控制器在絕大多數單粒子事件下不會發生閂鎖。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。

這一層級抗輻照能力的實現，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，并結合了底層電路的容錯結構設計。

二、性能與接口：PCIe Gen3 x4與3.7GB/s高吞吐

星載存儲系統對數據吞吐能力的需求，正隨著載荷分辨率和數據率的提升而快速增長。傳統基于SATA或SpaceWire接口的存儲方案，其帶寬已難以支撐高分辨率光學相機、合成孔徑雷達等載荷的峰值數據率。

天碩抗輻照控制器采用PCIe Gen3 x4主機接口，支持NVMe 1.4協議，最高順序讀寫速度可達3.7GB/s。這一性能水平具有以下工程意義：
l匹配先進載荷：3.7GB/s的帶寬可覆蓋當前主流遙感衛星的峰值數據率，避免寫入積壓導致數據丟失。
l降低軟件協議開銷：NVMe協議專為固態存儲設計，多隊列并行機制使隨機讀寫延遲遠低于SATA或定制接口方案。
l為星上處理預留裕量：除數據記錄外，剩余帶寬可支撐星上AI推理、實時壓縮等在軌處理任務。

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LEO遙感任務及中大型深空探測器的數據存儲需求，同時為未來容量擴展保留了架構裕度。

三、寬溫工作：-55℃至85℃的全任務剖面覆蓋

航天器在軌經歷劇烈的溫度循環。控制器作為固態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系統是否需要在艙內占用恒溫資源。

天碩抗輻照控制器支持-55℃至85℃的寬工作溫度范圍，無需外部加熱或輔助散熱即可在全溫度區間內穩定運行。這一能力基于以下設計：

l寬溫選型：芯片封裝及內部電路采用工業級寬溫元件，確保低溫下啟動正常、高溫下電氣參數漂移可控。

l熱節流機制：當溫度接近上限時，控制器可主動降低工作頻率或調度寫入負載，防止熱失控。

l低溫冷啟動：在-55℃條件下，片上振蕩器和鎖相環仍能穩定輸出時鐘，保證PCIe鏈路建立成功。

這一層級的寬溫能力使天碩控制器可直接部署于衛星艙外或非恒溫艙段，降低整星熱控負擔。

四、閃存適配：支持TLC與pSLC模式的雙模架構

航天存儲系統長期面臨一個兩難選擇：使用SLC閃存雖具備高壽命和高數據保持能力，但容量低、成本高；使用TLC閃存雖可提供高密度，但擦寫壽命和數據保持時間在空間輻射環境下可能不足。

天碩抗輻照控制器通過支持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個存儲單元僅用作1比特，讀寫裕量顯著增大，等效擦寫壽命可提升至TLC模式的數倍至數十倍，數據保持時間亦大幅延長。

控制器支持以下兩種運行模式：

lTLC原生模式：適用于對容量要求高、寫入頻率較低的任務。

lpSLC模式：適用于對可靠性和壽命要求極高的關鍵任務。

兩種模式實現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

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

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，使模組設計可在有限PCB空間內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在同等抗輻照指標下具備更低的功耗和更高的邏輯密度。

六、結語：自主可控的航天存儲“中國芯”

控制器是固態硬盤的技術制高點。長期以來，航天級SSD控制器市場由境外廠商主導，國內用戶不僅面臨采購限制風險，更難以在固件層面進行深度定制以滿足特定任務的算法優化需求。

天碩抗輻照控制器的研制，填補了這一空白。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TLC原生與pSLC雙模閃存的支持，該控制器為航天存儲系統提供了一個自主可控、高性能、高可靠的底層平臺。

以該控制器為核心，天碩構建了覆蓋M.2、U.2、XMC、BGA等多種形態的X55系列航天級固態硬盤，并已成功應用于多型在軌衛星。從芯片到模組，從固件到系統，天碩正在以自主創新推動中國航天存儲技術邁向“好用、可靠、領先”的新階段。

關于天碩（TOPSSD）

湖南天碩創新科技有限公司（TOPSSD）成立于2016年，是國家認定的高新技術企業，長期專注于高可靠、高性能存儲技術的自主創新。公司立足國家戰略需求，面向航空、航天、國防和高端工業等關鍵領域，提供完全自主可控的核心存儲解決方案，切實保障國家關鍵信息基礎設施的數據安全與運行穩定，為實現高水平科技自立自強提供堅實支撐。

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