實(shí)踐9號(hào)B衛(wèi)星SoC接軌國際先進(jìn)技術(shù) 完全自主研發(fā)

10月14日發(fā)射的實(shí)踐九號(hào)B衛(wèi)星上芯片的變化讓北京控制工程研究所星載計(jì)算機(jī)及電子產(chǎn)品總工程師華更新喜不自禁，在該衛(wèi)星上，控制管理單元的核心處理器及其外圍電路被一個(gè)名為“SoC2008”的片上系統(tǒng)芯片替代了，這好比衛(wèi)星自動(dòng)駕駛儀由一臺(tái)整機(jī)設(shè)備變成了設(shè)備里一個(gè)指甲片大小的芯片。更重要的是，這個(gè)芯片是由北京控制工程研究所年輕的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的。

“這意味著之前功能相對(duì)單一的芯片升級(jí)為大腦系統(tǒng)，航天型號(hào)不再處于一種持續(xù)跟仿國外各種芯片的局面，而是可以通過系統(tǒng)與元器件之間的協(xié)同設(shè)計(jì)，采用我國自主研發(fā)和國內(nèi)外開源的IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))核，從而解決長期困擾航天裝備信息安全的核心元器件國產(chǎn)化和自主保障問題。”華更新說。

小如指甲片 性能高8倍

“這是我們自主研發(fā)的一種適用于下一代衛(wèi)星使用的SoC芯片，把原來整數(shù)處理單元、浮點(diǎn)數(shù)處理單元、存儲(chǔ)器管理器等多種電路功能集成到SoC2008芯片內(nèi)部。”華更新告訴記者，芯片好比是計(jì)算機(jī)的一個(gè)個(gè)大腦，水平直接影響著計(jì)算機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。當(dāng)前，空間電子產(chǎn)品正朝著高密度、高復(fù)雜、高性能、低能耗和微小型方向發(fā)展，而空間復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境更是對(duì)其提出了高可靠性的要求，傳統(tǒng)的集成電路已無法滿足這些需求。因此，研制高性能、高可靠、小型化的高水平抗輻射核心片上系統(tǒng)芯片的需求更加迫切。

SoC(System on Chip)，即片上系統(tǒng)，是一種系統(tǒng)級(jí)的嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)，從廣義角度來說，是“系統(tǒng)功能在單一芯片上集成”。

華更新做過計(jì)算，采用這些技術(shù)后，星載電子系統(tǒng)的內(nèi)部集成度提高了，重量只有采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的40%，能大幅減少衛(wèi)星平臺(tái)的體積、重量和功耗，使我國國產(chǎn)衛(wèi)星平臺(tái)的有效載荷承載能力大大提高。

他以探月工程任務(wù)為例介紹，1公斤物品要從地球帶到月球表面，需要消耗約6.5公斤燃料，要帶回地球另需2.5公斤燃料。這意味著衛(wèi)星平臺(tái)只要減少1公斤重量，運(yùn)載火箭的負(fù)擔(dān)就少了近10公斤。

雖然個(gè)頭小了，但星載電子系統(tǒng)的性能卻提高了7—8倍，功耗卻只有原來的80%左右。
“SoC是對(duì)傳統(tǒng)軟硬件分離的型號(hào)研制模式挑戰(zhàn)，將徹底改變方案、初樣、試樣、定型的傳統(tǒng)研制流程，大大縮短型號(hào)研制周期。”北京控制工程研究所超大規(guī)模集成電路副主任設(shè)計(jì)師、SoC2008主管設(shè)計(jì)師劉鴻瑾如是說。

容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)，一個(gè)指令三個(gè)“判官”

“在民用領(lǐng)域，SoC技術(shù)概念早已有之。”北京控制工程研究所硬件設(shè)計(jì)工程組長劉群舉例說，比如現(xiàn)在的智能手機(jī)，小小的芯片就集中了多項(xiàng)功能。但對(duì)航天來說，要在集成化的小芯片上集中多項(xiàng)功能，遇到的困難更多。

劉鴻瑾告訴記者，航天電子產(chǎn)品在空間運(yùn)行過程中要承受惡劣的空間輻射環(huán)境，航天用處理器的一個(gè)最基本的要求就是具有抗輻射能力。但SoC系統(tǒng)集成的很多IP核都不是抗輻射加固的，因此需要首先將SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)做好，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的抗輻射加固，這對(duì)于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

為提高SoC可靠性，SoC研制團(tuán)隊(duì)從工藝、電路設(shè)計(jì)、微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)等角度出發(fā)，分別采取措施，特別是創(chuàng)造性地采用完全三模冗余設(shè)計(jì)等抗輻射加固設(shè)計(jì)和容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)。

“所謂三模冗余設(shè)計(jì)，就是當(dāng)系統(tǒng)接到一個(gè)指令后，會(huì)有三個(gè)‘人'對(duì)指令進(jìn)行判斷，即使一個(gè)判斷錯(cuò)誤，只要另外兩‘人'表決通過，指令仍然能夠正確執(zhí)行。”劉鴻瑾表示，這主要考慮到航天產(chǎn)品一旦上天就不能修復(fù)的特點(diǎn)，通過這種容錯(cuò)方式保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

由于具有處理器核和其他復(fù)雜輸入輸出接口電路，代碼設(shè)計(jì)完成后如何對(duì)芯片進(jìn)行仿真驗(yàn)證成為一大難題。在芯片研制過程中，團(tuán)隊(duì)在長達(dá)16個(gè)多月里，對(duì)芯片進(jìn)行了充分的驗(yàn)證。通過隨機(jī)生成指令序列的方式，目前已經(jīng)通過12萬條隨機(jī)組合單指令、75萬組多指令組合的功能驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了指令覆蓋率100%。

探月工程一顯身手

劉鴻瑾告訴記者，早在20世紀(jì)90年代，美國航空航天管理局就根據(jù)未來航天任務(wù)需求，組織多家公司開展了多項(xiàng)有關(guān)SoC技術(shù)的研究，2011年年底發(fā)射的火星探測(cè)器中，電子設(shè)備的功耗控制單元采用SoC實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)。

由于系統(tǒng)兼容的需要，實(shí)踐九號(hào)B星控制計(jì)算機(jī)并沒有給SoC2008太大的發(fā)揮其運(yùn)算能力的空間。劉鴻瑾說，SoC2008芯片第一次亮相太空只是第一步。目前該芯片已經(jīng)開始應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)的各類電子產(chǎn)品中，其強(qiáng)大的能力將得到充分發(fā)揮。

華更新認(rèn)為，隨著航天技術(shù)發(fā)展，對(duì)以星載計(jì)算機(jī)為代表的空間電子系統(tǒng)的性能、功能、體積、功耗、重量、可靠性及空間環(huán)境適用性的要求越來越高，SoC技術(shù)給航天器綜合電子系統(tǒng)發(fā)展帶來了革命性的變化，為我國航天器的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品更新?lián)Q代，打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。此外它還將在航空、航海、高鐵、核電、汽車和工業(yè)控制等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用.