太空極端惡劣環(huán)境對(duì)芯片工作的影響主要有三個(gè)方面：

1、強(qiáng)輻射干擾。這是影響最大的因素之一。太陽(yáng)風(fēng)暴、銀河宇宙射線、地球輻射帶等產(chǎn)生的高能粒子和射線，可能會(huì)對(duì)芯片內(nèi)部的電路造成干擾或損壞，導(dǎo)致芯片無(wú)法正常工作。

2、真空散熱難。在地球上，空氣中的氣體分子可以幫助散熱；但在太空中，氣體分子極少，這會(huì)導(dǎo)致芯片無(wú)法有效散熱，影響其性能和壽命。普通電腦在海拔4000米以上的高原，都會(huì)因空氣稀薄散熱難而發(fā)生故障。

3、極端溫度。在高度300~400公里軌道上，物體受光面溫度約為150℃，背光面溫度約為-127℃，溫差近300℃。不采取特殊措施，能夠耐受這種極端溫度的半導(dǎo)體材料很少。

因此太空芯片設(shè)計(jì)，需要采用抗輻射材料、增加熱設(shè)計(jì)、加固電路板、進(jìn)行太空測(cè)試等特殊措施，所以太空芯片往往價(jià)格昂貴。本期我們來(lái)看看全球都有哪些常見(jiàn)的太空芯片。

1、英特爾

英特爾的凌動(dòng)?（“BayTrail”）處理器，被美國(guó)宇航局（NASA）的毅力號(hào)火星探測(cè)器的計(jì)算模塊采用，這款信用卡大小的計(jì)算模塊COMEX-IE38是由以色列公司CompuLab供貨的。毅力號(hào)傳輸回來(lái)的照片和視頻均由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元（DSU）處理，每個(gè)DSU配備一個(gè)基于英特爾凌動(dòng)?處理器的COMEX-IE38模塊。

圖1、COMEX-IE38模塊

英特爾的8086處理器（后續(xù)升級(jí)為80386），被NASA早期的發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)采用，該航天飛機(jī)預(yù)留5臺(tái)計(jì)算機(jī)用于冗余，為了規(guī)避輻射使用鐵氧體磁芯內(nèi)存，而航天飛機(jī)的整個(gè)控制軟件不到1M。

圖2、8086處理器

2、BAE Systems

BAE Systems的RAD750處理器，被NASA造價(jià)27億美元的毅力號(hào)火星探測(cè)器和詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡采用，最高主頻速度僅200MHz，使用0.25或0.15um工藝制造的，管芯面積為130mm2，采用150nm工藝集成了1040萬(wàn)個(gè)晶體管，這顆CPU只有上世紀(jì)的孱弱性能，但能承受2,000-10,000戈瑞（Gy.）的輻射，大約是做一次CT的1千萬(wàn)倍，溫度范圍為?55至125°C。RAD750還運(yùn)行在毅力號(hào)火星車和100多顆衛(wèi)星上，接受宇宙“考驗(yàn)”近二十年目前無(wú)一故障，也是單顆售價(jià)約29萬(wàn)美元的核心賣點(diǎn)。

圖3、RAD750處理器

BAE Systems的RAD6000處理器，被NASA勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)器采用，單價(jià)約20萬(wàn)美元，最終發(fā)射上天的只有200顆左右（依然是爆款型號(hào)），它是RAD750的前任，任務(wù)的設(shè)計(jì)壽命只有3個(gè)月，但實(shí)際這套系統(tǒng)在火星上工作了15年之久。

圖4、RAD6000處理器

3、AMD/賽靈思

AMD的太空級(jí)Versal自行調(diào)適系統(tǒng)單芯片（SoC）完成Class B認(rèn)證，并受AMD采納用以進(jìn)行先進(jìn)有機(jī)封裝XQR Versal太空級(jí)產(chǎn)品。這款XQR Versal AI Core（XQRVC 1902）元件，可為衛(wèi)星與太空應(yīng)用提供完全抗幅射能力、加速AI推論以及高頻寬訊號(hào)處理效能，將推進(jìn)AI應(yīng)用于太空各種精密機(jī)載資料處理。

圖5、AMD的XQRVC 1902

AMD/賽靈思的20nm耐輻射(RT)Kintex UltraScale XQRKU060 FPGA提供了無(wú)限制的在軌重配置功能，數(shù)字信號(hào)處理(DSP)性能提高了10倍，非常適合在有效載荷應(yīng)用中使用，并且在所有軌道上都具有完全的輻射耐受性。XQRKU060還將高性能機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)首次帶入到太空領(lǐng)域。支持TensorFlow和PyTorch等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)框架下的各種機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)工具產(chǎn)品組合，可通過(guò)完整的過(guò)程和分析解決方案加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理，實(shí)現(xiàn)太空中實(shí)時(shí)星載信息處理。這款芯片具有高密度、高能效的計(jì)算能力，具有可擴(kuò)展的精度和大容量的本地存儲(chǔ)器，可為深度學(xué)習(xí)優(yōu)化的INT8峰值性能提供每秒5.7tera字節(jié)的運(yùn)算，與上一代65nm太空級(jí)器件相比增加了近25倍。新型芯片顯著減小了尺寸、重量和功率，并具有強(qiáng)大的耐輻射功能。XQRKU060為客戶提供了一種具有更具太空環(huán)境適應(yīng)性的設(shè)備，可應(yīng)對(duì)惡劣的太空環(huán)境中的短時(shí)任務(wù)和長(zhǎng)時(shí)間任務(wù)。

圖6、XQRKU060 FPGA

4、微芯/愛(ài)特梅爾

微芯的太空級(jí)64位MPU PIC64-HPSC，已被美國(guó)國(guó)家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（NASA-JPL）選用，旨在將計(jì)算性能提高100倍以上，同時(shí)為航空航天和防御應(yīng)用提供前所未有的耐輻射和容錯(cuò)能力。PIC64-HPSC系列代表著NSAS-JPL以及更廣泛的防御和商業(yè)航空航天產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了自主空間計(jì)算的新時(shí)代。

圖7、PIC64-HPSC

微芯的SST38LF6401RT SuperFlash器件，即使在閃存仍處于供電和運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，輻射耐受能力也高達(dá)50千拉德（Krad）TID，該產(chǎn)品能使系統(tǒng)在各種空間應(yīng)用中運(yùn)行。在這些應(yīng)用中，系統(tǒng)無(wú)法承受任何代碼執(zhí)行錯(cuò)誤，否則可能導(dǎo)致嚴(yán)重缺陷和系統(tǒng)崩潰。

圖8、SST38LF6401RT

微芯的RT-RTAX和RTSX-SU兩款FPGA，被NASA的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡采用，RTSX-SU具備230MHz的系統(tǒng)性能（內(nèi)部頻率310MHz），以及非常低的功耗（待機(jī)下的最高電流只有68mW）。該FPGA具備32k至72k個(gè)ASIC門(mén)（48k到108k個(gè)系統(tǒng)門(mén)），以及最多360個(gè)用戶可編程的I/O，足以應(yīng)對(duì)一般的太空應(yīng)用。而RTAX-S/SL的規(guī)模要更大一些，具備30k到500k個(gè)ASIC門(mén)（250k到400萬(wàn)個(gè)系統(tǒng)門(mén)），用戶可編程I/O也增加至840個(gè)。

圖9、RT-RTAX和RTSX-SU

微芯/愛(ài)特梅爾的AT697F，被嫦娥4號(hào)月球探測(cè)器采用，單價(jià)約20萬(wàn)~30萬(wàn)，功耗0.7瓦，在100MHz時(shí)可以達(dá)到90MIPs性能，按照1MIPs等于4Mhz的CPU主頻換算，也就是說(shuō)一塊AT697F的主頻等價(jià)于400MHz。

圖10、AT697F

5、CAES

CAES的LEON系列處理器，已經(jīng)被歐洲航天局（ESA）選用，在太空應(yīng)用中得到了數(shù)十年的驗(yàn)證。該處理器采用了RISC-V架構(gòu)和容錯(cuò)抗輻射的設(shè)計(jì)，集成了16個(gè)核心，用于替代傳統(tǒng)的SPARC V8框架，將被用于太空控制、負(fù)載數(shù)據(jù)管理和處理系統(tǒng)中，廣泛適用于觀測(cè)、通信、導(dǎo)航和科考應(yīng)用。

圖11、LEON系列處理器

6、英飛凌

英飛凌的512 Mbit抗輻射加固設(shè)計(jì)QSPI NOR閃存，用于太空和極端環(huán)境，這款半導(dǎo)體器件采用快速四串行外設(shè)接口（133MHz），具有極高的密度、輻射和單次事件效應(yīng)（SEE）性能，是一款完全通過(guò)QML認(rèn)證的非易失性存儲(chǔ)器，可與太空級(jí)FPGA和微處理器配合使用。

圖12、NOR閃存

7、德州儀器

德州儀器的51系列的SN510和SN514，被NASA的探索者18號(hào)衛(wèi)星采用，是世界上第一個(gè)進(jìn)入太空的集成電路，該系列是一組基于電阻-電容-晶體管技術(shù)的六位數(shù)字邏輯電路，功耗更低，采用較小的扁平封裝。德州儀器的晶體管隨著美國(guó)第一顆衛(wèi)星-探險(xiǎn)者1號(hào)（Explorer 1）采用。德州儀器的充電耦合設(shè)備成像器 (CCD)被太空望遠(yuǎn)鏡和伽利略衛(wèi)星采用。

圖13、德州儀器的產(chǎn)品

8、意法半導(dǎo)體

意法半導(dǎo)體為T(mén)TTech提供的芯片已被歐洲阿麗亞娜6（Ariane 6）運(yùn)載火箭項(xiàng)目和NASA的Gateway空間站中的下一代網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算平臺(tái)選用。后者是NASA Artemis 計(jì)劃中關(guān)于人類重登月球和實(shí)現(xiàn)對(duì)火星外太空探索的重要組成部分。

圖14、意法半導(dǎo)體為T(mén)TTech提供的芯片

9、SatixFy

SatixFy的Sx3099是第二代Modem芯片，已被Telesat低軌星座通信網(wǎng)絡(luò)Lightspeed項(xiàng)目原型機(jī)選用，可同時(shí)支持多達(dá)8個(gè)Modem的接收和高達(dá)1GHz的總傳輸帶寬。Lightspeed的太空部分初步計(jì)劃由298顆衛(wèi)星組成，均為700-750千克級(jí)。該網(wǎng)絡(luò)將在全球范圍內(nèi)提供每秒多太比特的安全、低延遲、高性能寬帶專業(yè)服務(wù)。

圖15、SatixFy的Sx3099評(píng)估板

10、Teledyne e2v

Teledyne e2v的LX2160-Space是一款耐輻射處理器，采用16核ARM?Cortex?-A72，可提供200,000 DMIPs / 280 GFLOPs的驚人計(jì)算能力，以及豐富的高速接口，如PCIe Gen3.0和高達(dá)100 Gb的以太網(wǎng)接口，可與其他子系統(tǒng)連接。這些特點(diǎn)使LX2160-Space成為在飛行中執(zhí)行多項(xiàng)人工智能任務(wù)的理想器件，并成為航天器的“大腦”。

圖16、X2160-Space

Teledyne e2v的高速8GB DDR4存儲(chǔ)器支持2400 MT/s的傳輸速率。它的單粒子鎖定(SEL)免疫指標(biāo)高達(dá)60 MeV.cm2/mg。此外，這款器件提供100 krad的總電離劑量(TID)，它的SEU數(shù)據(jù)高達(dá)60 MeV.cm2/mg。在物理尺寸上，8GB器件的封裝尺寸與之前的4GB版本相匹配(即15mm x 20mm x 1.92mm)，從而使存儲(chǔ)密度加倍，同時(shí)保持引腳兼容性。它成功通過(guò)宇航級(jí)認(rèn)證，可用作其空間邊緣計(jì)算解決方案的一部分。它可與所有當(dāng)代高端空間處理器兼容。這些處理器包括AMD/Xilinx VERSAL?ACAP，宇航級(jí)FPGA, MPSOC, Microchip RT PolarFire?以及許多ASIC。

圖17、8GB DDR4存儲(chǔ)器

11、瑞薩/英特矽爾

瑞薩/英特矽爾的兩款GaN FET分別為ISL7023SEH 100V，60A GaN FET和ISL70024SEH 200V，7.5A GaN FET，GaN FET的性能比硅MOSFET高10個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)將封裝尺寸縮小50％。GaN FET還可以減少電源重量，并以較少的開(kāi)關(guān)功耗實(shí)現(xiàn)更高的功率效率。在5mΩ（RDSON）和14nC（QG）時(shí)，ISL70023SEH實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最佳品質(zhì)因數(shù)（FOM）。由于寄生因素減少，該兩個(gè)氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管都需要較少的散熱元件，在高頻下工作需要的輸出濾波器也更小，從而能夠在緊湊型解決方案中實(shí)現(xiàn)更高效率。ISL70023SEH和ISL70024SEH滿足MIL-PRF-38535 V等級(jí)要求，可在軍用溫度范圍內(nèi)工作，抗電離總劑量水平達(dá)到75-100krad（Si）?？膳cISL70040SEH低端GaN FET驅(qū)動(dòng)器和ISL78845ASEH PWM控制器相結(jié)合，為運(yùn)載火箭和衛(wèi)星提供開(kāi)關(guān)模式電源。

圖18、ISL7023SEH

12、北京微電子技術(shù)研究所（中國(guó)航天科技集團(tuán)九院772所）

北京微電子技術(shù)研究所的SPARC V8處理器BM3803已經(jīng)出現(xiàn)在國(guó)家多個(gè)重大航天工程中，之前也作為“天和”星載計(jì)算機(jī)中最關(guān)鍵的SoC，確保了核心艙的穩(wěn)定控制。這款32位的RISC嵌入式處理器擁有優(yōu)秀的抗輻性能，負(fù)責(zé)艦上的載荷任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)管理和熱控管理等分系統(tǒng)管理和控制。722所的宇航用整體解決方案，主要器件包括宇航用7系列FPGA、動(dòng)態(tài)重構(gòu)刷新電路、配置存儲(chǔ)器、電平轉(zhuǎn)換電路以及外圍接口等。宇航用7系列FPGA產(chǎn)品支持最高工作頻率為800MHz，內(nèi)部包含可編程邏輯模塊、DSP單元、塊存儲(chǔ)單元、高速串行接口、PCIe等豐富的邏輯資源和IP核資源，能夠滿足高、中、低等各種資源數(shù)量的應(yīng)用需求，適用于圖像處理、高帶寬傳輸、復(fù)雜加解密算法等應(yīng)用場(chǎng)景?！疤旌汀焙诵呐撝?，采用了772所提供的等32款7100余只集成電路，其中包括：處理器、FPGA、AD/DA、1553B總線、大容量SRAM存儲(chǔ)器、專用ASIC集成電路等。

圖19、宇航用7系列FPGA

13、龍芯中科

龍芯中科的龍芯處理器，被天舟八號(hào)貨運(yùn)飛船采用。龍芯天基云系統(tǒng)集成了兩個(gè)異構(gòu)云計(jì)算平臺(tái)、管控系統(tǒng)、外設(shè)和熱控支撐結(jié)構(gòu)等多個(gè)模塊。該系統(tǒng)不僅具備數(shù)據(jù)在軌處理、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)的能力，還實(shí)現(xiàn)了電源轉(zhuǎn)換和控制、任務(wù)管理、熱管理等多項(xiàng)功能。系統(tǒng)全部采用商用現(xiàn)貨（COTS）器件，通過(guò)全系統(tǒng)加固、精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)和功耗優(yōu)化，滿足抗惡劣空間環(huán)境和高性價(jià)比的應(yīng)用要求。龍芯1E和龍芯1F抗輻照處理器已被北斗衛(wèi)星采用。

圖20、龍芯3號(hào)

14、航宇微

航宇微的玉龍810A是一款嵌入式人工智能系列處理器芯片，采用了異構(gòu)多核架構(gòu)（CPU+AI加速器）和22nm FD-SOI生產(chǎn)工藝，具有高性能、高可靠、低功耗的特點(diǎn)，Yulong810A-FMS就是該芯片的宇航級(jí)版本。玉龍810A芯片內(nèi)部由主處理器單元、AI協(xié)處理器單元、圖像處理單元、片內(nèi)總線、外設(shè)接口單元、片內(nèi)存儲(chǔ)等組成。其主處理器單元采用了4核ARM A9的設(shè)計(jì)，AI協(xié)處理器包含GPU單元和NNA單元。芯片外設(shè)接口包括：MIPI、BT1120、以太網(wǎng)、USB OTG、Camera Link、Rapid IO、PCIE等，足以滿足航天航空應(yīng)用中與不同設(shè)備之間的連接。玉龍810A浮點(diǎn)處理能力為64GFLOPS，定點(diǎn)處理能力為12TOPS。在這樣的算力下，其典型功耗不到6W。由于支持OPENCLOPENVX等標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，玉龍810A也能夠?qū)崿F(xiàn)與TensorFlow，Caffe等主流深度學(xué)習(xí)軟件框架的無(wú)縫對(duì)接。

圖21、玉龍810A

15、炎黃國(guó)芯

炎黃國(guó)芯的YH5*6*1電源芯片用于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)、微控制器和專用集成電路 (ASIC) 的太空衛(wèi)星負(fù)載點(diǎn)電源、太空衛(wèi)星有效載荷、抗輻射應(yīng)用。YH5*6*1可用于軍用溫度范圍（-55°C 至 125°C）。峰值效率可達(dá)96%以上，相比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，能實(shí)現(xiàn)更低的用戶電路設(shè)計(jì)的靈活性。100-kHz到1-MHz的切換頻率及優(yōu)化的補(bǔ)償方案使得設(shè)計(jì)者能在尺寸與效率之間找到最佳平衡點(diǎn)?？蔀榭蛻粼O(shè)計(jì)減小電路板空間，更高的效率、優(yōu)化的配置和動(dòng)態(tài)偏差減少了輸出電容器的尺寸和數(shù)量、提升了瞬時(shí)反應(yīng)。

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16、電科芯片

電科芯片的高性能多光譜CCD系列產(chǎn)品已經(jīng)在高分多模衛(wèi)星、“吉林一號(hào)”衛(wèi)星星座、資源一號(hào)等65顆衛(wèi)星上批量應(yīng)用，累計(jì)在軌時(shí)間超60萬(wàn)小時(shí)。電科芯片的運(yùn)算放大器、穩(wěn)壓器、基準(zhǔn)源等十余套器件，具有可靠性高，穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被神舟十九號(hào)載人飛船采用。

圖22、鑒相器

17、國(guó)科天迅

國(guó)科天迅的FC1553芯片是一款通信芯片，被用于長(zhǎng)征十二號(hào)運(yùn)載火箭，該芯片將傳統(tǒng)通信芯片傳輸速率從1Mbps提升至4Gbps以上，提升了4000倍，誤碼率從10-7提升至10-12，提升了5個(gè)數(shù)量級(jí)。該通信芯片解決方案不僅提升了信息傳輸速率，而且縮小了通信硬件設(shè)備體積、降低了設(shè)備重量、減小了系統(tǒng)整體功耗，已成功應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域的型號(hào)任務(wù)。

圖23、FC1553

18、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第55研究所

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第55研究所的多款微波芯片、模塊組件等核心器件，分別應(yīng)用于夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的載荷系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、地面測(cè)控系統(tǒng)等，配套了共計(jì)35款數(shù)萬(wàn)余只（套）關(guān)鍵核心元器件，有力保障任務(wù)順利進(jìn)行。

圖24、微波芯片

19、中國(guó)航天科工集團(tuán)二院203所

中國(guó)航天科工集團(tuán)二院203所，共完成萬(wàn)余只宇航級(jí)晶體元器件的生產(chǎn)交付，一次交驗(yàn)合格率達(dá)到了100%。晶體元器件通常被稱為電子設(shè)備的“心臟”，它可以產(chǎn)生電子設(shè)備中的頻率信號(hào)。這些產(chǎn)品具有高可靠、小尺寸、優(yōu)指標(biāo)、低老化、長(zhǎng)壽命等優(yōu)良特性，為通訊、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)等提供時(shí)間頻率基準(zhǔn)。

圖25、宇航級(jí)晶體元器件

20、艾可薩

艾可薩的Bifort芯片是一款宇航用高可靠抗輻照SSD控制器芯片，該芯片采用宇航級(jí)SSD存儲(chǔ)控制器芯片框架結(jié)構(gòu)，包含PCIeGen2x4/SATA3兩種主機(jī)接口，后端配備6路獨(dú)立NAND Flash控制通道，具有多接口、抗輻照、高可靠等優(yōu)勢(shì)，支持陶封B級(jí)、軍用塑封N1級(jí)與通用工業(yè)級(jí)3種規(guī)格，適用于宇航任務(wù)中高可靠、大容量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)應(yīng)用。

圖26、Bifort芯片

21、艾創(chuàng)微

艾創(chuàng)微的宇航級(jí)抗輻照管理芯片ICW2002是一款面向星際衛(wèi)星、航天飛行器、高端武器裝備等領(lǐng)域的DC-DC轉(zhuǎn)換器電源管理芯片，可完全對(duì)標(biāo)美國(guó)TI公司相關(guān)產(chǎn)品，并成功交付中國(guó)航天系統(tǒng)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)宇航級(jí)抗輻照電源管理芯片領(lǐng)域的空白，總劑量：≥75krad (si)；單粒子：LeT≥50Mev. cm2/mg。

22、航天智裝（隸屬于中國(guó)航天科技五院）

航天智裝旗下全資子公司軒宇空間研發(fā)的基于SPARCV8體系結(jié)構(gòu)的面向空間應(yīng)用的高性能、低功耗的32位抗輻射片上系統(tǒng)芯片，對(duì)標(biāo)國(guó)外先進(jìn)宇航處理器芯片，成為國(guó)內(nèi)第一款在軌飛行的SoC芯片，并大量應(yīng)用于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、探月衛(wèi)星、小衛(wèi)星、微小衛(wèi)星平臺(tái)的產(chǎn)品中。

23、中科芯磁

中科芯磁的MgiCubo魔方系列FPGA芯片，具備了高度的可編程性與靈活性，能夠充分滿足航空航天領(lǐng)域?qū)τ诟咝阅苡?jì)算及高可靠性芯片的嚴(yán)格要求。

24、海創(chuàng)電子

海創(chuàng)電子的各類晶體頻率元器件、敏感元器件被應(yīng)用在神舟、天宮、天問(wèn)等各類航天器上。

中國(guó)空間站現(xiàn)在可以同時(shí)測(cè)試100多個(gè)計(jì)算機(jī)處理器，并且有超過(guò)20款全新的高性能芯片已經(jīng)通過(guò)了測(cè)試，工藝制程范圍從28nm到16nm，這些芯片比其他國(guó)家在太空中所使用的芯片要先進(jìn)得多。中國(guó)在太空芯片領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力和快速發(fā)展勢(shì)頭，不僅在技術(shù)上取得了突破，而且在國(guó)際航天領(lǐng)域中的地位也在逐步提升。

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審核編輯 黃宇