在航天系統(tǒng)架構中，航天存儲系統(tǒng)作為承載載荷數據的核心基礎設施，是保障任務完整性的關鍵環(huán)節(jié)。圍繞商業(yè)航天存儲、星載固態(tài)存儲器以及抗輻照固態(tài)硬盤的技術路徑，行業(yè)長期聚焦于器件層面的抗輻射能力，例如單粒子效應（SEE）、總劑量效應（TID）等關鍵指標。

然而，一個關鍵問題逐漸顯現：

僅依賴器件加固，是否能夠支撐商業(yè)航天對規(guī)模化、低成本與高性能的綜合需求？

本文將從航天存儲技術演進出發(fā)，系統(tǒng)分析“器件加固”范式的邊界，并探討以天碩（TOPSSD）為代表的系統(tǒng)級抗輻照固態(tài)硬盤方案，如何推動商業(yè)航天存儲架構的轉型。

第一章：歷史回溯——航天存儲的“器件加固”時代

航天存儲的發(fā)展史，本質上是材料與器件技術的迭代史，其核心邏輯始終圍繞著“讓存儲介質本身變得更堅固”。

第一階段：磁帶與磁盤時代
早期航天存儲以機械式磁帶、磁盤為主，通過精密機械結構、減震材料及嚴苛工藝抵抗振動與機械應力。工程師們用物理冗余對抗發(fā)射階段的振動與沖擊。典型特征是“高重量、高成本、低容量”，其設計邏輯明確：但它的邏輯是自洽的——用機械的確定性對抗環(huán)境的隨機性。

第二階段：NAND閃存的興起
隨著半導體技術的飛躍，NAND閃存憑借其無機械部件、高存儲密度、低功耗及優(yōu)異的抗沖擊振動性能，這些特性讓閃存迅速取代磁帶，成為航天存儲的主流選擇。

但閃存帶來了新的挑戰(zhàn)：空間輻射環(huán)境中的高能粒子會引發(fā)單粒子效應與總劑量效應，這對半導體存儲是致命的。

為應對空間輻射引發(fā)的單粒子效應（SEE）和總劑量效應（TID），行業(yè)走向了“宇航級”閃存的路徑，通過SOI工藝、冗余設計（如SLC模式）及嚴格的器件篩選，打造“抗輻射”的閃存顆粒。這一階段將“物理加固”的邏輯從機械結構延伸到了半導體材料層面。

這套邏輯在很長一段時間內被證明有效，但它也構筑了極高的技術壁壘和成本天花板。當商業(yè)航天興起，當衛(wèi)星從單星走向星座，當部署規(guī)模從幾顆變成幾百顆時，其局限性開始顯現。該階段的航天存儲本質是“器件可靠性決定系統(tǒng)可靠性”的典型范式。

第二章：商業(yè)航天時代的兩大結構性矛盾

隨著商業(yè)航天興起，“器件加固”范式暴露出兩大矛盾，難以適應新需求。

矛盾之一，是成本與規(guī)模的沖突

宇航級器件的研發(fā)制造成本高昂，供應鏈高度集中。當一顆衛(wèi)星需要幾十甚至上百顆閃存顆粒時，單純堆砌宇航級器件的成本模型是難以為繼的。這與商業(yè)航天追求的“低成本、快速迭代、大規(guī)模部署”形成了尖銳對立。

矛盾之二，是可靠性與性能的博弈

為追求可靠性，宇航級閃存常犧牲性能（如低速SLC）和容量，這使得航天存儲系統(tǒng)成為整個衛(wèi)星平臺的性能瓶頸，載荷數據量在指數級增長，存儲系統(tǒng)的吞吐能力卻難以同步提升。

這兩個矛盾指向同一個問題：在傳統(tǒng)范式下，可靠性與高性能、低成本難以兼得。

本質上，商業(yè)航天存儲面臨的是一個結構性問題：在器件主導的架構下，抗輻照固態(tài)硬盤難以同時實現成本、性能與可靠性的統(tǒng)一。

第三章：范式革命：用系統(tǒng)智能彌補器件不足

破解上述兩個矛盾的鑰匙，不是造出一顆更“完美”的閃存，而是構建一個更“智慧”的系統(tǒng)。這一思路的核心邏輯是：將原本由硬件承擔的可靠性壓力，通過算法與架構進行化解，從而在整體系統(tǒng)層面實現“高可靠”與“低成本、高性能”的兼得。

3.1 主控角色重構：從“數據通道”到“風險指揮官”

傳統(tǒng)架構中，主控更多扮演通道角色負責數據的搬移與分發(fā)。當出現單粒子翻轉或閂鎖時，主控幾乎沒有干預能力，只能依賴器件本身的抗輻照能力。

在新范式下，主控被賦予“風險指揮官”的職能：

以天碩（TOPSSD）為例，通過推出全自研的P5500 PCIe主控芯片，為行業(yè)帶來了國產化航天級存儲模組。這顆主控芯片支持PCIe Gen3 x4接口和NVMe 1.4協議，在抗輻照設計上達到航天級標準，配合全鏈路國產化閃存和“主動健康管理”固件，其航天級抗輻照存儲方案已在多個國家重點航天型號任務中得到在軌驗證。

動態(tài)糾錯與自適應編碼：傳統(tǒng)ECC糾錯碼是靜態(tài)的——出廠時設定好糾錯能力，在整個生命周期中保持不變。但NAND閃存的錯誤率會隨著寫入次數和輻射累積而上升。靜態(tài)糾錯要么在初期過度設計（浪費性能），要么在后期力不從心。新范式下的主控能夠實時監(jiān)測閃存的錯誤率變化，應對單粒子效應帶來的數據擾動，，將數據丟失的概率降至無限接近于零。

IO智能重定向與隔離：單粒子閂鎖是航天存儲最棘手的故障之一，高能粒子擊中芯片后可能引發(fā)短路，導致整顆芯片燒毀。傳統(tǒng)方案依賴器件本身的抗閂鎖能力，一旦發(fā)生閂鎖，損失幾乎是必然的。新范式下的主控能夠實時監(jiān)測每條IO通道的電流異常，在閂鎖發(fā)生的微秒級時間內檢測到潛在短路風險，并立即將受影響的IO通道重定向至冗余路徑，通過冗余路徑切換避免物理失效。

主動健康管理：傳統(tǒng)“壞塊管理”是被動的——只有當某個塊已經損壞、數據已經丟失時，系統(tǒng)才將其標記并隔離。新范式下的主控持續(xù)對閃存介質進行全方位“體檢”，通過監(jiān)測錯誤率分布、編程時間偏移、數據保持力衰減等多項指標，預測其壽命衰減趨勢，動態(tài)調整讀寫策略，實現從被動修復到預測性維護的升級。

3.2 ：從“宇航級壟斷”到“系統(tǒng)級保障”

傳統(tǒng)航天存儲的介質選擇，長期遵循一條清晰路徑：必須使用宇航級SLC NAND。這一邏輯自洽——SLC每單元只存1比特，抗輻射能力最強、壽命最長，是極端環(huán)境下最穩(wěn)妥的選擇。

國際主流方案代表了這一范式的典型。美國水星公司2021年發(fā)布的存儲系統(tǒng)：3U VPX單板，一顆FPGA管理440GB的SLC閃存陣列?？煽浚混`活，代價是每GB成本極高、性能受限于SLC介質的物理特性。

國內早期發(fā)展沿襲此道。西安微電子技術研究所歷經五代產品迭代，第五代采用Xilinx Virtex5 FPGA與2D SLC NAND，容量達8Tb。這不僅是技術極限，更是介質瓶頸的體現。當時國內抗輻射閃存多依賴法國3D Plus的SIP模組——通過篩選工業(yè)級SLC顆粒并陶瓷封裝加固。此方案雖可靠，卻因工藝限制導致單Die容量小、性能低、集成度不足，性能被SLC物理特性鎖死。

轉折發(fā)生在2020年。吉林一號寬幅01A衛(wèi)星裝機容量達5TB（40Tb），采用的介質是工業(yè)級2D MLC閃存——并非傳統(tǒng)宇航級SLC。這一選擇并非簡單“降級”，而是通過系統(tǒng)級設計彌補器件不足：借鑒RAID架構，將多源數據采集、緩沖、存儲、處理、文件化管理集成于可擴展框架內，最終在軌表現穩(wěn)定。

這一轉折打破了“高可靠必須高成本、高性能必須犧牲可靠性”的二元對立。工業(yè)級MLC成本遠低于宇航級SLC，容量密度更高、接口速度更快；當置于具備系統(tǒng)級糾錯與冗余能力的架構中，整體可靠性可滿足航天任務需求。

從國際方案的“SLC+FPGA”到國內早期跟進，再到吉林一號的“工業(yè)級MLC+系統(tǒng)級RAID”，這條演進脈絡揭示了一個趨勢：航天存儲的介質選擇，正在從“器件決定論”走向“系統(tǒng)決定論”。

當主控具備足夠強的系統(tǒng)級糾錯與管理能力時，介質選擇就不再被局限于。這正是破解“成本與規(guī)模沖突”的關鍵。

第四章：國產化路徑中的實踐樣本

上述技術路線的演進，在國內一批具備全棧自研能力的企業(yè)中得到了實踐驗證。

以天碩（TOPSSD）為代表的國產化路徑，驗證了系統(tǒng)級設計在商業(yè)航天存儲中的工程可行性。通過自研主控、全鏈路國產化閃存及主動健康管理機制，其抗輻照固態(tài)硬盤方案已在多項星載任務中完成在軌驗證。

這一實踐驗證了一個關鍵命題：系統(tǒng)的整體可靠性，可以超越單一器件的物理極限。

小結：

從磁帶到閃存，從單機到星座，航天存儲的每一次技術躍遷，都在回應同一個命題：如何在最嚴酷的環(huán)境中，守護最珍貴的數據。器件加固路徑解決的是“能否存活”的問題，而系統(tǒng)智能路徑回答的是“如何更高效、更經濟地存活”的問題。前者是生存的底線，后者是進化的方向。

在商業(yè)航天規(guī)?；渴鸨尘跋?，航天存儲系統(tǒng)的競爭，本質上已從器件能力競爭轉向系統(tǒng)架構能力競爭?？馆椪展虘B(tài)硬盤的發(fā)展方向，也由“更強器件”轉向“更強系統(tǒng)”。

審核編輯 黃宇