天硕存储自研主控SSD在商业航天中的应用：宇航级控制器与可靠性体系解析

天硕（TOPSSD）X55系列航天级固态硬盘采用国产化方案，搭载自研宇航级主控、通过抗辐照复合屏蔽层与多重容错架构，在 -55℃~85℃ 超宽温范围内实现全稳态运行。系列产品遵循GJB及航天任务要求进行设计验证，可选TLC与pSLC模式，通过权威机构的辐照测试及单粒子效应测试，确保在宇宙射线与高能粒子环境中的高可靠性。已成功搭载于低轨卫星并完成在轨验证，入轨后读写性能符合预期，长期服务于卫星互联网、遥感观测、火箭测控、低轨星座中继交换等关键航天应用。

引言

固态硬盘（SSD）的性能边界与可靠性上限，很大程度上由控制器决定。控制器是固态硬盘的“大脑”，负责执行固件指令、调度主机接口与闪存介质之间的数据传输，并承担地址映射、磨损均衡、垃圾回收、错误校正等关键算法。在航天应用中，控制器的抗辐照能力、计算性能、功耗控制及闪存适配能力，直接决定了整个存储系统在空间环境下的可用性与数据完整性。

与地面商用控制器不同，航天级控制器必须在总电离剂量、单粒子效应等严苛条件下保持功能连续。天硕（TOPSSD） 自主研发的抗辐照SSD控制器，正是面向上述痛点而设计的专用芯片。本文将从抗辐照能力、性能指标、工作温度范围、闪存支持及封装尺寸等维度，解析该控制器的核心技术特性。

一、抗辐照能力：从总剂量到单粒子闩锁的系统性加固

航天电子元器件在空间环境中面临两种最主要的辐射损伤机制：总电离剂量效应和单粒子效应。

总电离剂量效应是指器件在长期累积辐射照射下，氧化层陷阱电荷增加、阈值电压漂移、漏电流上升，最终导致性能退化或功能失效。该效应的耐受能力以总剂量（单位：krad，千拉德）衡量。

单粒子效应则是由单个高能粒子穿过器件敏感区引发的瞬时或永久性故障。其中，单粒子闩锁是一种高破坏性效应：粒子轰击触发CMOS结构中寄生的可控硅结构导通，形成低阻抗通路，导致器件电流骤增，若不及时断电可能永久烧毁。抗闩锁能力通常用线性能量传输阈值（单位：MeV·cm²/mg）表示，阈值越高，器件对单粒子闩锁的免疫性越强。

天硕抗辐照控制器在上述两个维度上均达到了宇航级标准：

l总剂量耐受：TID ≥ 100 krad(Si)。该指标覆盖了低地球轨道（LEO）5-10年任务周期的累积剂量需求，并可适应中地球轨道（MEO）及部分地球同步轨道（GEO）任务。这意味着控制器在典型空间辐射环境中无需额外屏蔽即可保持全寿命期功能完整。l单粒子闩锁阈值：SEL LET ≥ 37 MeV·cm²/mg。这一阈值显著高于低地球轨道环境中常见重离子的LET分布上限（通常为20-30 MeV·cm²/mg），表明控制器在绝大多数单粒子事件下不会发生闩锁。即便在银河宇宙射线中能量极高的重离子轰击下，闩锁概率也被控制在极低水平。

这一层级抗辐照能力的实现，得益于天硕在控制器芯片制造阶段就采用抗辐照加固工艺，并结合了底层电路的容错结构设计。

二、性能与接口：PCIe Gen3 x4与3.7GB/s高吞吐

星载存储系统对数据吞吐能力的需求，正随着载荷分辨率和数据率的提升而快速增长。传统基于SATA或SpaceWire接口的存储方案，其带宽已难以支撑高分辨率光学相机、合成孔径雷达等载荷的峰值数据率。

天硕抗辐照控制器采用PCIe Gen3 x4主机接口，支持NVMe 1.4协议，最高顺序读写速度可达3.7GB/s。这一性能水平具有以下工程意义：l匹配先进载荷：3.7GB/s的带宽可覆盖当前主流遥感卫星的峰值数据率，避免写入积压导致数据丢失。l降低软件协议开销：NVMe协议专为固态存储设计，多队列并行机制使随机读写延迟远低于SATA或定制接口方案。l为星上处理预留裕量：除数据记录外，剩余带宽可支撑星上AI推理、实时压缩等在轨处理任务。

在容量支持方面，该控制器最大可管理16TB闪存容量。这一上限可满足绝大多数LEO遥感任务及中大型深空探测器的数据存储需求，同时为未来容量扩展保留了架构裕度。

三、宽温工作：-55℃至85℃的全任务剖面覆盖

航天器在轨经历剧烈的温度循环。控制器作为固态硬盘的主要热源之一，其自身的工作温度范围直接决定了存储系统是否需要在舱内占用恒温资源。

天硕抗辐照控制器支持-55℃至85℃的宽工作温度范围，无需外部加热或辅助散热即可在全温度区间内稳定运行。这一能力基于以下设计：

l宽温选型：芯片封装及内部电路采用工业级宽温元件，确保低温下启动正常、高温下电气参数漂移可控。

l热节流机制：当温度接近上限时，控制器可主动降低工作频率或调度写入负载，防止热失控。

l低温冷启动：在-55℃条件下，片上振荡器和锁相环仍能稳定输出时钟，保证PCIe链路建立成功。

这一层级的宽温能力使天硕控制器可直接部署于卫星舱外或非恒温舱段，降低整星热控负担。

四、闪存适配：支持TLC与pSLC模式的双模架构

航天存储系统长期面临一个两难选择：使用SLC闪存虽具备高寿命和高数据保持能力，但容量低、成本高；使用TLC闪存虽可提供高密度，但擦写寿命和数据保持时间在空间辐射环境下可能不足。

天硕抗辐照控制器通过支持pSLC模式，提供了第三种路径。在pSLC模式下，控制器将TLC闪存的每3个存储单元仅用作1比特，读写裕量显著增大，等效擦写寿命可提升至TLC模式的数倍至数十倍，数据保持时间亦大幅延长。

控制器支持以下两种运行模式：

lTLC原生模式：适用于对容量要求高、写入频率较低的任务。

lpSLC模式：适用于对可靠性和寿命要求极高的关键任务。

两种模式实现了容量与可靠性的按需平衡。

五、封装尺寸：15mm×15mm的小型化集成

航天载荷对体积和重量极为敏感。控制器作为固态硬盘的核心芯片，其封装尺寸直接影响存储模组的集成密度。

天硕抗辐照控制器采用15mm×15mm封装，在航天级控制器中属于紧凑尺寸。该封装在满足抗辐照加固和宽温可靠性的前提下，保持了较小的占板面积，使模组设计可在有限PCB空间内集成更多闪存颗粒或缩减整体尺寸。

此外，相比基于FPGA的软核控制器方案，专用ASIC在同等抗辐照指标下具备更低的功耗和更高的逻辑密度。

六、结语：自主可控的航天存储“中国芯”

控制器是固态硬盘的技术制高点。长期以来，航天级SSD控制器市场由境外厂商主导，国内用户不仅面临采购限制风险，更难以在固件层面进行深度定制以满足特定任务的算法优化需求。

天硕抗辐照控制器的研制，填补了这一空白。基于TID ≥ 100 krad(Si)、SEL LET ≥ 37 MeV·cm²/mg的抗辐照能力，PCIe Gen3 x4接口与3.7GB/s的高吞吐性能，-55℃至85℃的宽温工作范围，以及对TLC原生与pSLC双模闪存的支持，该控制器为航天存储系统提供了一个自主可控、高性能、高可靠的底层平台。

以该控制器为核心，天硕构建了覆盖M.2、U.2、XMC、BGA等多种形态的X55系列航天级固态硬盘，并已成功应用于多型在轨卫星。从芯片到模组，从固件到系统，天硕正在以自主创新推动中国航天存储技术迈向“好用、可靠、领先”的新阶段。

关于天硕（TOPSSD）

湖南天硕创新科技有限公司（TOPSSD）成立于2016年，是国家认定的高新技术企业，长期专注于高可靠、高性能存储技术的自主创新。公司立足国家战略需求，面向航空、航天、国防和高端工业等关键领域，提供完全自主可控的核心存储解决方案，切实保障国家关键信息基础设施的数据安全与运行稳定，为实现高水平科技自立自强提供坚实支撑。

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