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随着经济及科学技术的发展，尤其是航天科学技术的进步和突破，人类的太空活动越来越频繁。航天存储系统的需求与太空活动的发展有较强的关联。更高的数据精度、更长的服务时间、更远的探测目标、更实时的信息获取，这些太空服务能力提升的需求促进了存储容量和性能的爆发式增长。
Karl F Strauss统计了国外主要太空探测行为的存储容量需求及存储介质使用情况。航天存储系统经历了从磁带到SDRAM，以及目前以NAND闪存为主的闪存介质使用发展历程。图3-13描述了航天存储系统容量需求的历史沿革和未来预测。
图3-13 航天存储系统容量发展趋势
基于闪存的存储器因具有高集成度、非机械结构、轻量化和非易失性等特点而被广泛应用于航天系统中。然而闪存存储器对空间辐射并不具有免疫性，由高能质子、电子和重离子组成的空间辐射环境会使闪存存储器发生单粒子效应和总剂量效应，严重威胁器件的工作状态和使用寿命。空间辐射影响主要表现在如下几个方面。
❑ 重离子辐射引起的闪存浮栅单元单粒子翻转。
❑ 重离子辐射后数据保存性能退化。
❑ 总剂量效应对单粒子效应产生影响，使闪存器件的单粒子效应更为敏感。
随着闪存工艺尺寸的减小，单粒子效应对闪存功能及可靠性的影响更为显著，同时随着生产工艺从2D升级为3D，FG（Floating Gate，浮栅极）单元结构演变为更为主流的CT（Charge Trap，电荷捕捉）结构，辐射效应下的闪存将会出现更为复杂的失效模式。
此外，上述空间辐射效应同样会发生在存储系统的其他部件，例如控制器、RAM缓冲区、电源系统等。星载存储系统的技术发展重点在于：跟随闪存介质技术发展的同时，思考如何解决更为敏感的由空间辐射效应引发的问题。需要从空间环境下的闪存特性分析、高可靠宇航用闪存控制器设计及系统级冗余容错机制等多维度进行系统化研究。
以在轨遥感数据存储为例，星载存储系统处于数据传输通路的核心位置，前端一般是成像分系统，后端为数传分系统。图3-14为某光学遥感卫星的成像数据采集、存储及转发工作流程示意图，该图反映了在轨卫星载荷数据通路的基本模型。与商用通用存储系统相比，星载存储系统的功能更为复杂，除了基本存储功能，还需要完成多源星载传感器数据采集、高速数据缓冲、文件系统管理和图像数据处理等工作。
图3-14 光学遥感卫星载荷数据交互示意图
1.国内外现有技术形态
航天存储系统架构多采用一体化设计。图3-15所示为美国水星公司2021年发布的存储系统架构。该系统采用3U VPX单板结构，通过一颗Microsemi公司的FPGA管理总容量为440GB的SLC闪存介质阵列，系统容量及性能不可配置。美国水星公司基于FPGA实现的星载存储系统架构，代表了目前传统航天存储系统的技术形态。
我国近几年在星载存储领域的研究成果丰富，其中西安微电子技术研究所是我国最早探索星载固态存储产品的单位之一，累计形成五代系列星载存储产品，截至2022年3月，在轨飞行产品达到120台套以上。它已经在轨应用的第五代星载存储产品的系统架构（见图3-16）采用Xilinx公司的Virtex5系列FPGA作为主控，存储介质采用2D SLC NAND，总容量为8Tb。
图3-15 美国水星公司2021年发布的存储系统架构
图3-16 西安微电子技术研究所第五代星载存储系统组成框图
目前国内外主流星载存储方案主要采用FPGA主控及SLC NAND介质。以美国水星公司为代表的国外最高水平方案中，基于FPGA主控、MRAM缓存及工业级2D SLC NAND介质是最新的技术形态。FPGA主控及MRAM天然抗辐射特性能够有效避免空间环境下的单粒子效应问题。
国内星载存储技术路线与水星公司产品形态类似，但是在NAND介质选择上，更多为法国3D Plus的抗辐射NAND SIP模组，这样可以降低基于FPGA的控制器设计复杂度。3D Plus的抗辐射NAND模组基于工业级2D SLC NAND颗粒筛选及陶瓷封装加固处理实现，但是在闪存介质工艺方面比较落后，单Die容量小，性能较低，系统集成度偏低。一般情况下，由此组成的存储系统，8Tb的容量是可实现的上限。
表3-1统计了我国自2010年以来的大容量航天存储系统应用情况，数据显示：
❑ 在128Gb（含）以上的应用中，基本上都用SLC NAND作为存储介质。
❑ 2013年前后，存储容量需求迈入了Tb级别。
❑ 近10年，平均1到2年，存储容量及访问性能翻倍，尤其是2018年以来，呈现数量级提升的趋势。
表3-1 近十年我国星载存储系统使用情况
为满足航天存储系统性能与容量高速增长的需求，引入更高集成度的闪存介质类型以及提高主控能力是必然途径。随着商业航天的发展，商用存储技术的引入加快了我国星载存储技术的发展步伐。
2.最新技术形态
2020年，全球最大的商业遥感卫星吉林一号宽幅01A星发射成功。该星的存储系统装机容量40Tb，闪存介质为工业级2D MLC。吉林一号宽幅系列卫星海量存储系统的应用成功，标着我国星载存储技术迈入全球领先的新阶段。该存储系统结构如图3-17所示。它采用类RAID磁盘阵列架构，以可扩展的方式满足多源载荷数据的采集、缓冲、存储、处理及文件化管理的需求。该系统具有良好的扩展性、兼容性及高可靠性。
图3-17 新一代星载存储系统架构框图
我国新一代星载存储系统原理样机是一款基于宇航用高可靠存储模组实现的星载存储系统解决方案。它的存储功能由2颗宇航级SIP存储模组及2块宇航用高可靠mSATA模块组成。其中SIP模组及mSATA模块均基于名为Bifort的SSD控制器搭建。
Bifort控制器由艾可萨科技公司与西安微电子技术研究所共同研制，为全球首颗抗辐射加固SSD控制器。它的参数如表3-2所示。
表3-2 Bifort控制器参数
（续）
图3-18为全球首颗宇航级SSD控制器及衍生的存储模组的实物照片，其中中间模组为高集成度SIP模块，该SIP模块在不到30g的质量及40mm×26mm×10mm的体积上集成了1个Bifort控制器和6片NAND封装片，容量高达6Tb，访问性能为8Gb/s。
图3-18 Bifort控制器及衍生存储模组
3.发展趋势
相比商业存储，星载存储系统属于融合了SSD控制器、RAID控制器、文件系统及数据处理功能的混合型软硬件系统。随着卫星等航天器智能化发展，存储与计算一体的发展趋势越来越明显，如何高效融合存储与计算的需求是星载存储系统发展的重要方向。另外，随着低轨卫星星座技术的发展，卫星呈现网络化的发展趋势，未来星载存储系统同样朝着分布式网络存储架构的方向发展。