我們需要覆蓋率更高的網路！低軌道衛星通訊的好處在哪？臺灣有機會發展自己的「星鏈」嗎？

揭開宇宙的對稱之謎

如果有人問你：「什麼是左邊？」你可能會說：「左手那邊就是左邊。」但如果對方問：「左手是哪一隻？」你可能回答：「心臟那邊的手就是左手。」這樣的回答對人類來說很容易理解，但如果對方是一個從未見過人類的外星人，該怎麼解釋呢？

這個問題看似簡單，實際上涉及了物理學中的深奧話題。1956 年，三位華人科學家楊振寧、李政道和吳健雄，通過實驗揭示了一個驚人的事實：我們的宇宙對「左」與「右」其實並不完全對稱。這一發現推翻了人類長期以來對對稱性的認識。

宇稱對稱性：鏡子中的世界會一樣嗎？

要了解這個發現，我們需要先認識「宇稱」的概念。宇稱（Parity）是物理學中用來描述對稱性的一種方法。它的意思是，如果我們把空間中的座標 (x, y, z) 反轉成 (-x, -y, -z)，自然界的規律應該還是一樣的。例如，當一顆蘋果從樹上掉下來，我們用鏡子看時，蘋果還是會掉向地面，而不是飛向天空。這說明鏡像中的世界和真實世界是對稱的。

很長一段時間裡，科學家認為這種對稱性適用於所有自然現象，無論是在宏觀還是微觀世界。然而，到了 1950 年代，一些基本粒子的行為挑戰了這種觀點。

宇稱不守恆：弱交互作用的例外

在物理學中，有四種基本交互作用：重力、電磁力、強交互作用和弱交互作用。弱交互作用是描述粒子衰變的力量，比如中子會通過弱交互作用衰變成質子、電子和一個反微中子。

1956 年，楊振寧和李政道提出一個大膽的假設：在弱交互作用中，宇稱對稱性可能並不成立。他們指出，雖然大多數物理現象在鏡像中是對稱的，但弱交互作用的某些過程可能偏好「左手性」。

為了驗證這個假設，他們邀請吳健雄設計了一個關鍵實驗，這就是後來著名的「吳氏實驗」。

吳氏實驗：揭示宇宙偏愛左手性

吳健雄選擇使用鈷-60 原子的 β 衰變作為實驗對象。鈷-60 是一種不穩定的同位素，會釋放出電子和反微中子。她將這些原子冷卻到極低溫，並用強磁場讓它們的自旋方向統一。

實驗的關鍵是觀察電子的發射方向。如果宇稱守恆，那麼電子應該會均勻地向各個方向發射。然而，吳健雄的實驗結果卻顯示，電子有明顯的偏向，總是傾向於與原子自旋方向相反的方向發射。

這一結果證明，在弱交互作用中，鏡像世界與真實世界並不對稱，宇稱不守恆。而且，它表明自然界偏好「左手性」，或者說弱交互作用是一個「左撇子」。

為什麼這個發現重要？

宇稱不守恆的發現改變了我們對宇宙基本規律的理解。物理學家過去認為自然界的規律應該是完全對稱的，但這一發現表明，在某些情況下，對稱性會被打破。

這項研究還引發了更多的問題。例如，為什麼宇宙會偏愛「左手性」？是否還有其他交互作用也會破壞對稱性？隨後的研究顯示，如果將宇稱（P 對稱）和電荷共軛（C 對稱）結合在一起，則可以恢復某種對稱性，這被稱為「CP 對稱」。

然而，1964 年的實驗又發現，CP 對稱在某些情況下也會被打破，這進一步推動了對基本物理規律的研究。特別是 CP 對稱破壞可能與宇宙中物質多於反物質的原因有關，這是當代物理學的一個重要課題。

用科學解釋左與右

回到最初的問題：如果我們需要向外星人解釋「左邊」的概念，該怎麼做呢？現在我們知道，可以通過像吳氏實驗這樣的方法，用弱交互作用來區分左與右。簡單地說，只要觀察粒子的衰變方向，就能定義出哪一邊是「左」。

這個發現讓我們更深入地理解了自然界的基本規律。它不僅是一次物理學的重大突破，也讓我們重新認識到宇宙的奇妙與複雜。

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2024 年諾貝爾化學獎，因為 AI 在蛋白質結構預測上的突破而備受矚目。Google DeepMind 的創辦人之一哈薩比斯（Demis Hassabis）與他的團隊，因開發出能預測蛋白質摺疊的 AlphaFold 系列獲得一半獎金。而另一半獎金則頒給了化學家大衛·貝克（David Baker），他開發出另一套令人驚嘆的工具，甚至突破了 AlphaFold 的極限。這些成就不僅為科學界帶來革命性的改變，更可能大幅加速藥物開發與疾病治療的進程。

蛋白質摺疊：生命的拼圖

蛋白質作為生命的基石，其結構對其功能至關重要。當蛋白質在細胞內生成時，它由多個胺基酸分子組成的長鏈，會在極短的時間內像折紙般扭曲成特定的三維形狀。這種形狀決定了蛋白質的功能，比如構成細胞的結構、催化化學反應或傳遞訊息。

然而，預測這些複雜的三維結構曾經是生物化學界的一大挑戰。科學家們雖然能夠測量蛋白質序列（即胺基酸的排列順序），但如何從一維的序列準確推測其三維構造，卻是一個需要龐大運算能力和深刻科學理解的難題。

這個挑戰直到 2021 年 AlphaFold 2 的問世才有了質的突破。這套工具運用深度學習技術，能快速準確地預測蛋白質的摺疊方式，其精度已接近實驗室測試的水平。而今年推出的 AlphaFold 3，更進一步預測生物分子如 DNA 和 RNA 與蛋白質的交互作用，為藥物設計提供了重要基礎。

不止於 AlphaFold：貝克的逆向設計

與 AlphaFold 側重於「順向」預測不同，大衛．貝克帶領的團隊採取了全然相反的路徑。他們開發的工具能夠進行「逆向」工程：不僅能根據已知序列推測結構，還能從需求出發，設計出具有特定功能的蛋白質。這種技術突破意味著，我們可以隨心所欲地設計出抗癌抗體、病毒疫苗，甚至是工業用的環保酵素。

這就像一位技藝超群的主廚，能根據客人的描述，精準還原一道複雜的菜餚，甚至能重新設計出更美味、更符合需求的版本。而貝克團隊的這套技術，則讓這樣的「創造」成為科學事實。

設計蛋白質的技術演進

早在 1997 年，貝克的團隊就已經開發出 Rosetta，這是一款能模擬蛋白質摺疊的電腦工具。當時，他們利用能量假設，評估一個三維結構的穩定性。然而，由於電腦運算能力的限制，他們不得不採取取巧的方法，例如利用多序列比對（MSA）與蒙地卡羅模擬法來提升效率。這些技術雖然簡單，但在當時已經能顯著縮短運算時間。

隨著深度學習的興起，貝克團隊在 2021 年推出 RoseTTAFold，這套工具採用了三軌神經網路，讓 AI 能從多序列比對、分子距離與原子位置三方面同時學習，進一步提升預測的準確性。而今年最新的 RFdiffusion，更將擴散模型融入其中，讓 AI 不僅能預測，還能根據輸入的需求直接設計蛋白質結構。

擴散模型的應用就像圖像生成工具 DALL-E 或 Midjourney，能在短時間內生成大量的可能構造，再經過篩選，留下最可能實現的設計。這讓蛋白質設計變得前所未有的靈活和高效。

AI 與疾病的正面交鋒

RFdiffusion 的問世，為生物醫學界帶來了全新的可能性。例如，研究人員已用它設計出數千個抗體，針對癌症、新冠病毒、流感等多種疾病進行測試。雖然目前成功率僅為 1%，但這已經是一個令人振奮的起點。

更重要的是，這些設計並非停留在理論層面。早在 2003 年，貝克團隊就曾成功創造出自然界不存在的蛋白質 Top7，而在 2008 年，他們更進一步設計出能催化化學反應的人造酵素。這些突破證明，人類不僅能理解生命的基本組成，更能重新定義它。

從賽場到實驗室：設計蛋白質的熱潮

除了 AlphaFold 和 RFdiffusion，近年來還出現了多場蛋白質設計競賽，例如 Align to Innovate 的酵素設計挑戰、加拿大生技公司 Liberum Bio 的病毒酶改良項目，以及 BioML Society 的 CAR-T 細胞抗原設計比賽。這些比賽吸引了來自學術界與產業界的頂尖人才，激發了無數創新應用的靈感。

隨著技術的進步，AI 工具已經不再僅僅是輔助，而是成為創造新型蛋白質的核心力量。從抗體設計到工業酵素，從疫苗開發到癌症治療，AI 正在以前所未有的速度推動著科學的邊界。

未來展望：AI 是否能掌控生命密碼？

2024 年的諾貝爾化學獎不僅表彰了科學家的創新，更為人類未來與 AI 攜手揭開生命秘密描繪了一幅清晰的藍圖。隨著技術的不斷進步，我們正在從被動了解大自然的蛋白質結構，轉向主動創造適應需求的新型蛋白質。

這場革命不僅改變了醫學的面貌，也讓我們對生命本質有了更深層次的理解。未來的某一天，AI 也許真的能成為人類對抗疾病的終極武器，甚至實現哈薩比斯預言的「治癒大部分疾病」。

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低軌衛星引爆全球商機，全球太空經濟在 2040 年預計突破 1 兆美元，許多國家跟科技大廠都加速投入太空市場，台灣也成立太空國家隊。但面對火箭與太空環境嚴苛的考驗，如何在地面模擬測試，使產品能在軌道順利運行？

本文轉載自宜特小學堂〈從地面到太空　商用衛星電子零組件必經的測試〉，如果您對半導體產業新知有興趣，歡迎按下右邊的追蹤，就不會錯過宜特科技的最新文章！

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自從 1957 年第一顆人造衛星發射後，現今已有近萬顆衛星在太空飛行，並且數量持續增加中。衛星已經跟我們的日常生活密不可分，例如地圖導航、實況轉播等，另外．俄烏戰爭中使用「星鏈」衛星通訊連網，台灣也在今年四月的花蓮地震首次使用低軌衛星技術，協助災區通訊。因此，發展衛星科技除了民生用途，也深具國家安全考量。

台灣從 2019 年到 2029 年，於第 3 期「國家太空科技發展長程計畫」投入超過新台幣 400 億元，進行低軌通訊衛星的研製、規劃國家發射場與人才培育。工研院估算，至 2030 年全球每年將發射 1,700 顆衛星升空，屆時將創造至少 4,000 億美元的產值。根據美國衛星產業協（Satellite Industry Association）預計，全球太空經濟在 2040 年更有望突破 1 兆美元，其中衛星產業占比上看 88％，達 9,252 億美元。

衛星按軌道高度可分成低軌（LEO<2,000 Km）、中軌（MEO<10,000 Km）以及地球同步軌道衛星（GEO~35,800 Km），重量從幾公斤到數百公斤不等，其中 SpaceX Starlink 低軌通訊衛星近年轉商業化，開啟了新太空經濟模式。另外立方衛星（CubeSat）造價門檻相對低，成為切入衛星技術研究的熱門標的。衛星產業鏈日趨成熟，以及衛星發射和製造成本的降低，帶來龐大的太空商機，相應的電子零組件需求亦隨之增加，讓不少廠商對邁向太空市場摩拳擦掌。

衛星是由幾個次系統整合而成，包含姿態控制、電力、熱控、通訊、推進和酬載（Payload）…等。例如遙測衛星（Remote Sensing Satellite），它的功能是繞地球軌道拍攝照片，其中姿態控制次系統使鏡頭能維持對著地球方向；影像感測器則是攝取影像的酬載，電力次系統負責電力儲存與電源管理，最後將照片透過通訊次系統傳回地面。

衛星內部有我們熟知的各種電子零組件，正統太空規的電子零組件要價不斐，且某些零件因各國管制政策不易取得，而商用現貨（Commercial Off-the-Shelf，簡稱 COTS），例如電腦、手機和汽車採用的電子零組件，價格親民、性能良好，供貨也較充沛，近年採用 COTS 執行太空任務是相當熱門的趨勢。

那麼，COTS 電子零組件要上太空，必須經過哪些驗證測試？本文將從火箭發射環境、太空環境，逐一說明 COTS 欲跨入太空應用將面臨的挑戰和驗證測試方式。

3.2.1 發射！火箭發射對電子零組件的影響

1. 振動測試

衛星在地面製造組裝，需考量溫度、濕度、粉塵汙染等影響；組裝好的衛星搭乘火箭從地面發射，首先會承受火箭的劇烈振動，振動測試機可以在地面模擬火箭發射，以垂直與水平方向進行振動測試。不同的火箭有不同的振動大小，例如美國 SpaceX 獵鷹重型火箭的振動測試參數，以每秒鐘 10~2,000 次的振動頻率，重力加速度到幾十倍，振動測試可用來確認衛星或電子零組件在經歷發射過程仍能正常運作。

2. 音震測試

火箭發射過程會產生音震（Acoustic Noise），尤其是面積大且薄的零件，特別容易受音震影響，例如太陽能電池板，天線面板等。音震可能會使這些零件破裂、機構損壞、功能異常。音震艙就是用來模擬火箭所產生的音震，測試時將液態氮汽化，此時液態氮體積會瞬間膨脹數百倍產生巨大壓力，再經由喇叭將氣流動能轉為聲波導入音震艙，測試音震艙內的衛星或零件。

音震艙測試。圖／European Space Agency

3. 衝擊測試

當火箭離開地面抵達一定的高度時，各節火箭引擎開始陸續分離，接著整流罩展開釋放衛星入軌，這些過程都會產生衝擊（Shock），對衛星內部零件的焊接點、晶片，或其他脆性材料都是嚴苛的考驗。因此需要在地面先進行衝擊測試，了解衛星與其電子零組件對巨大衝擊的耐受程度。

4. 電磁相容性測試

此外，因為各種電子零組件集中在火箭狹小空間內，衛星跟火箭之間的電磁干擾可能會影響任務，因此衛星在發射前也需經過電磁相容性測試（EMC），確保衛星所使用的電子零組件不會與火箭之間互相干擾。

1. 熱真空循環測試

低軌衛星以每秒七公里的時速飛行，大約九十分鐘繞行地球一圈，衛星繞軌飛行處於真空環境，同時也會面臨溫差挑戰，當衛星被太陽正面照射時，其溫度高達攝氏 120 度，遠離太陽時，溫度可能低到零下 120 度。另外，真空環境可能使電子零組件因散熱不良燒毀，真空低壓也會造成零組件材料分解、腔體洩漏（Leak），或是零組件釋氣（Outgassing）產生汙染。

熱真空循環測試（Thermal Vacuum Cycling Test）可模擬太空環境真空狀態與溫度變化，測試時會將衛星或電子零組件架設於極低壓力的真空艙內，再經設備以輻射、傳導方式對衛星或電子零組件升降溫以模擬太陽照射，此時衛星或電子零組件處於通電運作狀態，須即時監控觀察其功能是否正常。熱真空循環通常測試為期一週甚至更長，也是衛星或電子零組件常見的失效項目。

熱真空艙測試。圖／TriasRnD

2. 輻射測試

少了大氣層的保護，電子零組件在太空環境會直接面對輻射的衝擊。以地球軌道而言，輻射環境包含輻射帶（Van Allen Belts）、銀河宇宙射線（Galactic Cosmic Rays，簡稱GCR）以及太陽高能粒子（Solar Energetic Particles，簡稱SEP），這些輻射環境充斥大量的電子、質子，以及少數的重離子(Heavy Ion)等，若擊中衛星的電子零組件可能造成資料錯亂（Upset）、當機，甚至永久性故障。衛星在軌道運行壽命短則幾個月，長則數十年，衛星在軌道運行時間越長，受輻射衝擊影響就越大。

地球軌道輻射環境。圖／宜特科技

輻射對電子零組件的影響有以下三大類：

太空輻射對電子零組件的三大效應。圖／ESA

1. 總電離劑量效應（Total Ionizing Dose Effect，簡稱TID）

電子零組件在太空環境長期累積大量質子與電子輻射是 TID 效應的主因， TID 會造成 MOS 電晶體 Threshold Voltage 緩慢飄移，零件漏電因此逐漸增加，漏電嚴重時則會導致零件燒毀。衛星可視為大型的無線行動裝置，依賴太陽能蓄電，電力相當珍貴，若衛星內諸多的電子零件都在漏電，將造成衛星電力不足而失聯或失控。

2. 位移損傷效應（Displacement Damage，簡稱DD）

質子對電子零組件會產生另一種非輻射效應，稱為位移損傷效應（DD），屬長期累積大量質子的物理性損傷，質子會將半導體零件內的矽原子打出晶格外，形成半導體的缺陷，零件漏電也會逐漸增加，其中光電零件對 DD 效應較敏感，例如影像感測元件，DD 會造成影像品質降低，另外也會使衛星使用的太陽能電池（Solar Cell）轉換效率下降。

3. 單一事件效應（Single Event Effect，簡稱SEE） 

TID 與 DD 可以看成慢性病，是電子零組件長期在軌累積大量質子與電子作用所造成的漏電效應，SEE 就是屬於急性症狀，隨機發生又難以預測。質子與重離子都會造成電子零組件的 SEE 效應，而重離子比質子更容易引發 SEE，太空環境的重離子數量雖然相對少，但殺傷力強，一顆重離子就可能使電子零組件當機或損壞。

SEE 造成的故障可分成 Soft ERROR 與 Hard Error 兩大類。 Soft Error 的徵狀為資料錯亂、當機、功能異常等，重啟電路可恢復其運作，但若電子零組件對輻射很敏感，當機頻率過高則會影響任務執行，因此需以輻射測試評估其事件率（Event Rate）。Hard Error 則是永久性故障，例如重離子容易引發半導體零件栓鎖（Latch-Up）現象，若沒有對應機制，零件可能因大電流燒毀，因此 SEL （Single Event Latch-Up）是太空電子零件輻射耐受度最重要的指標之一。

單一事件效應的各種現象。圖／宜特科技

太空環境有各種能量的粒子，包含：質子、電子、重離子…，能量越高的粒子可穿透越厚的物質或外殼。低能量的粒子可被衛星外殼（鋁）阻擋，但衛星發射成本主要以重量計價，外殼厚度相當有限（通常為幾毫米厚的鋁材）；而高能量的粒子則會穿透衛星外殼，影響電子零組件運作，因故使用於太空環境的電子零組件必定會被輻射影響，在上太空前必須經過輻射測試評估其特性。COTS 電子零組件，都有一定的抗輻射能力，但是必須經測試了解輻射耐受度是否適用於太空任務需求。

COTS 電子零組件上太空前必須經過「發射環境測試」，包括模擬火箭發射時所產生的振動、音震、衝擊、電磁相容性測試，以及太空環境熱真空循環和輻射測試等，更多的測試項目就不一一細數，通過這些測試後，更重要的是取得「飛行履歷」（Flight Heritage），將產品發射上太空，若能成功執行各種任務，取得越多飛行履歷，產品的身價就越高，太空產業非常重視飛行履歷，飛行履歷也是產品的最佳保證書！

宜特是亞洲最完整的太空環境測試第三方實驗室， 2019 年與國研院太空中心合作推動台灣太空產業發展。自 2021 年加入台灣太空輻射環境驗測聯盟以來，我們已完成多種電子零組件的輻射測試，涵蓋了類比、數位、記憶體、射頻等。我們將持續建構更完整的太空環境驗證測試能量，提供一站式服務。協助廠商可專注於產品的設計與製造。

本文出自 www.istgroup.com。