揭秘：北斗衛(wèi)星國產(chǎn)芯片是怎樣煉成的

　　“除了宇航CPU，我們還為北斗導(dǎo)航衛(wèi)星和‘遠(yuǎn)征一號(hào)’提供了近40款自主研發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品。在上面級(jí)控制板上的15種電路中，我們提供了12種，可以說，我們的電路已經(jīng)基本能構(gòu)成單機(jī)單板的模式。”中國航天科技集團(tuán)公司九院772所所長(zhǎng)趙元富告訴記者。

　　12年磨一劍

　　自主研發(fā)CPU芯片

　　據(jù)記者了解，此次登星的宇航級(jí)國產(chǎn)CPU芯片，已經(jīng)能夠達(dá)到與國際先進(jìn)水平基本相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品性能?！霸谀承┛馆椛渲笜?biāo)上，我們應(yīng)該比國外的一些產(chǎn)品還更有優(yōu)勢(shì)?！壁w元富補(bǔ)充道。

　　然而，研發(fā)出一款足以登上衛(wèi)星的CPU芯片，遠(yuǎn)不如想象中那么簡(jiǎn)單。從2003年投入研制宇航級(jí)CPU芯片算起，772所用了12年的時(shí)間。

　　宇航用CPU是衛(wèi)星的核心芯片，作為衛(wèi)星的大腦和心臟，負(fù)責(zé)接收地面指令、處理載荷數(shù)據(jù)、管理控制姿態(tài)。由于其核心重要性，一旦出現(xiàn)問題，會(huì)影響整個(gè)衛(wèi)星的功能運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)研發(fā)技術(shù)水平要求極高。因此，此前中國的宇航用CPU基本依靠進(jìn)口。

　　本次登上北斗衛(wèi)星的CPU芯片并不是中國第一款登上衛(wèi)星的CPU。2006年，772所已研制出第一代CPU芯片。2011年，中國才出現(xiàn)了第一款隨試驗(yàn)衛(wèi)星升空的空間用CPU芯片，即772所研制的我國首枚32位空間用國產(chǎn)CPU。然而，那次只在試驗(yàn)衛(wèi)星的其中一個(gè)主機(jī)上使用了國產(chǎn)CPU芯片，并且仍然采用了進(jìn)口芯片做備份。直到2015年此次的北斗雙星發(fā)射，中國衛(wèi)星才真正100%采用了國產(chǎn)CPU芯片。

　　為了研發(fā)出足以替代進(jìn)口芯片的國產(chǎn)CPU，772所放棄了中國研制自主元器件最普遍的道路——仿制后再創(chuàng)新，選擇了完全自主研發(fā)的道路。

　　面對(duì)研發(fā)難題，在2003年研制初期，幾乎所有人都在勸趙元富仿制國內(nèi)衛(wèi)星用的那款CPU，但趙元富并沒有照做?！爱?dāng)我們仿制出來的時(shí)候，人家下一代更新升級(jí)的CPU又出來了，也不會(huì)有人再愿意用我們仿制出來的產(chǎn)品?！壁w元富向記者透露了當(dāng)時(shí)的想法。

　　因此，從最開始，772所就將研發(fā)目標(biāo)定在了當(dāng)時(shí)的國際下一代CPU上。那時(shí)，下一代宇航用CPU還沒有實(shí)際產(chǎn)品出現(xiàn)，有的只是一個(gè)大致的思路和概念，例如主頻的提升，以及對(duì)內(nèi)部架構(gòu)和接口進(jìn)行改進(jìn)。

　　772所決定直接從國際下一代宇航用CPU做起，最終完成了兩款宇航用CPU產(chǎn)品。等到新產(chǎn)品研制成功，也剛好趕上了下一代衛(wèi)星更新?lián)Q代的時(shí)間，迎來了衛(wèi)星用國產(chǎn)芯片大量替代進(jìn)口芯片的機(jī)遇。

　　目前，772所更新升級(jí)的下一代CPU產(chǎn)品也已開發(fā)完成，預(yù)計(jì)到今年年底實(shí)現(xiàn)投片生產(chǎn)。相比現(xiàn)有的CPU產(chǎn)品，新產(chǎn)品的性能指標(biāo)有了大幅度提高，CPU速度提升，處理性能增加，得以支持更高速度的接口。

　　宇航用芯片

　　必須保證安全可靠性

　　北斗衛(wèi)星是772所遇到的最大機(jī)遇。我國一直在大力推進(jìn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，為此要成批量地布置衛(wèi)星。

　　“如果把核心器件寄托在進(jìn)口芯片上，會(huì)有很大的風(fēng)險(xiǎn)，因此這是我們國產(chǎn)芯片的機(jī)遇。”趙元富強(qiáng)調(diào)。

　　但國產(chǎn)芯片也要具備足以登星的性能。據(jù)記者了解，宇航用CPU用于衛(wèi)星內(nèi)部控制，不追求運(yùn)算速度，考慮到CPU性能要符合其衛(wèi)星應(yīng)用場(chǎng)景，要求其集成盡可能多的功能、提供盡可能豐富的控制接口、具備很強(qiáng)的可變換性、能夠抵抗空間惡劣的輻射環(huán)境。

　　尤其是抗輻射的特殊性能，對(duì)于衛(wèi)星長(zhǎng)壽命、高可靠穩(wěn)定運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。普通地面上所使用的芯片，必須經(jīng)過特殊的加固措施，才能保持其在空間的使用，否則一旦上星，便會(huì)被射線、粒子影響，出現(xiàn)故障導(dǎo)致無法運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　針對(duì)空間惡劣的輻射環(huán)境，772所研發(fā)出了抗輻射加固設(shè)計(jì)技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段通過對(duì)器件、電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)加固實(shí)現(xiàn)抗輻射特性，研制出“抗輻射加固”的宇航集成電路。在抗輻射設(shè)計(jì)加固技術(shù)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，772所還成功研制出了200多種抗輻射加固集成電路，奠定了衛(wèi)星成體系使用國產(chǎn)芯片的基礎(chǔ)。

　　除抗輻射外，散熱也是宇航用芯片在空間應(yīng)用環(huán)境中遇到的特殊考驗(yàn)。“電路在地面應(yīng)用時(shí)，熱量的釋放主要依靠熱輻射和熱傳導(dǎo);在空間的真空狀態(tài)下，導(dǎo)熱效率極低，要將芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量盡快釋放出去?！敝鞴苜|(zhì)量工作的772所黨委書記、總工藝師姚全斌告訴《中國電子報(bào)》記者。

　　面對(duì)電路散熱結(jié)構(gòu)技術(shù)難題，772所的研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過芯片的功耗分析、封裝的熱設(shè)計(jì)和熱阻分析等方面，采用先進(jìn)的陶瓷封裝，解決了核心器件應(yīng)用在真空環(huán)境下的散熱問題，保證器件在惡劣環(huán)境下正常工作。

　　此外，為保證芯片使用的安全可靠，772所不僅考慮在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)消除任何暗藏隱患，還從外圍的軟件環(huán)境著手，與專門研制軟件的航天單位共同合作開發(fā)了相關(guān)應(yīng)用軟件。就此為衛(wèi)星提供了從芯片到軟件開發(fā)環(huán)境的一整套獨(dú)立自主體系，保證了衛(wèi)星運(yùn)行的安全可靠。

　　實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化

　　芯片軟件生態(tài)環(huán)境缺一不可

　　成立于1994年的772所，從創(chuàng)立初期就將研制宇航用芯片作為核心定位。但與其他芯片的遭遇相同，宇航用芯片也面臨著漫長(zhǎng)的國產(chǎn)化道路。

　　2003年，772所研發(fā)了10年的第一款芯片才上天，這也是國內(nèi)首款真正上天的大規(guī)模集成電路。2005年，已在天上運(yùn)行了2年的國產(chǎn)化電路表現(xiàn)穩(wěn)定，為772所獲取了各方信任，也贏來了型號(hào)單位新的任務(wù)需求。2年后，772所第二批的7~8款芯片上天。2009年，又有少量芯片替代國外芯片上星。

　　趙元富告訴記者，衛(wèi)星麻雀雖小，但五臟俱全，需要用到CPU、存儲(chǔ)器、接口電路、FPGA等各類型集成電路。只做一兩款產(chǎn)品解決不了衛(wèi)星的需求，也滿足不了研發(fā)單位經(jīng)濟(jì)上的生存需要。因此，必須同時(shí)研制各類產(chǎn)品，才能成體系地提供芯片給衛(wèi)星使用。但這對(duì)于一個(gè)單位來說要覆蓋的產(chǎn)品面太寬，實(shí)施起來相當(dāng)困難。

　　更重要的是，單一的芯片研發(fā)不足以支撐國產(chǎn)產(chǎn)品對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的替代?！跋胍獙?shí)現(xiàn)一款宇航用CPU的國產(chǎn)化，最大的問題不是研制好芯片本身，而是必須共同建立起國產(chǎn)化的芯片、軟件和生態(tài)環(huán)境，缺一不可?！壁w元富向記者強(qiáng)調(diào)。

　　這也是所有國產(chǎn)芯片共同面臨的痛點(diǎn)。培養(yǎng)整個(gè)用戶群習(xí)慣，比做一款CPU芯片要難得多。但幸運(yùn)的是，對(duì)于772所來說，宇航用芯片要面對(duì)的生態(tài)環(huán)境遠(yuǎn)比通用級(jí)芯片簡(jiǎn)單得多。宇航用芯片的生態(tài)環(huán)境相對(duì)封閉，相關(guān)航天用戶單位僅20余家，針對(duì)的也是專業(yè)用戶，只要有好用的開發(fā)環(huán)境，就可以開始構(gòu)建國產(chǎn)化的生態(tài)環(huán)境。

　　隨著越來越多的芯片上天，航天單位對(duì)772所的芯片信任度也逐步提高，772所開始承擔(dān)以北斗導(dǎo)航為代表的3個(gè)重點(diǎn)宇航型號(hào)九款抗輻射加固百萬門級(jí)ASIC研制。目前，北斗等11顆衛(wèi)星已攜帶9款ASIC上天，最長(zhǎng)在軌已近4年。

　　隨著此次航天級(jí)CPU和批量芯片的成功上星，772所開始不滿足于航天領(lǐng)域，還打算涉足工控領(lǐng)域。從一個(gè)行業(yè)的成功使用，再普及到其他行業(yè)領(lǐng)域，一個(gè)行業(yè)一個(gè)行業(yè)地突破，形成正循環(huán)，應(yīng)當(dāng)是中國芯片國產(chǎn)化道路最容易突破的方式。

　　工控行業(yè)是772所順理成章的選擇，同樣面對(duì)專業(yè)用戶，需要附加值高、以技術(shù)為核心競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，這正是772所最大的優(yōu)勢(shì)。目前，772所已開始和中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司等相關(guān)單位聯(lián)手推動(dòng)普及工控級(jí)CPU。