揭秘：北斗衛星國產(chǎn)芯片是怎樣煉成的

　　“除了宇航CPU，我們還為北斗導航衛星和‘遠征一號’提供了近40款自主研發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品。在上面級控制板上的15種電路中，我們提供了12種，可以說(shuō)，我們的電路已經(jīng)基本能構成單機單板的模式?！敝袊教炜萍技瘓F公司九院772所所長(cháng)趙元富告訴記者。

　　12年磨一劍

　　自主研發(fā)CPU芯片

　　據記者了解，此次登星的宇航級國產(chǎn)CPU芯片，已經(jīng)能夠達到與國際先進(jìn)水平基本相當的產(chǎn)品性能?！霸谀承┛馆椛渲笜松?，我們應該比國外的一些產(chǎn)品還更有優(yōu)勢?！壁w元富補充道。

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

　　宇航用CPU是衛星的核心芯片，作為衛星的大腦和心臟，負責接收地面指令、處理載荷數據、管理控制姿態(tài)。由于其核心重要性，一旦出現問(wèn)題，會(huì )影響整個(gè)衛星的功能運轉，對研發(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。

　　本次登上北斗衛星的CPU芯片并不是中國第一款登上衛星的CPU。2006年，772所已研制出第一代CPU芯片。2011年，中國才出現了第一款隨試驗衛星升空的空間用CPU芯片，即772所研制的我國首枚32位空間用國產(chǎn)CPU。然而，那次只在試驗衛星的其中一個(gè)主機上使用了國產(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衛星用的那款CPU，但趙元富并沒(méi)有照做?！爱斘覀兎轮瞥鰜?lái)的時(shí)候，人家下一代更新升級的CPU又出來(lái)了，也不會(huì )有人再愿意用我們仿制出來(lái)的產(chǎn)品?！壁w元富向記者透露了當時(shí)的想法。

　　因此，從最開(kāi)始，772所就將研發(fā)目標定在了當時(shí)的國際下一代CPU上。那時(shí)，下一代宇航用CPU還沒(méi)有實(shí)際產(chǎn)品出現，有的只是一個(gè)大致的思路和概念，例如主頻的提升，以及對內部架構和接口進(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星更新?lián)Q代的時(shí)間，迎來(lái)了衛星用國產(chǎn)芯片大量替代進(jìn)口芯片的機遇。

　　目前，772所更新升級的下一代CPU產(chǎn)品也已開(kāi)發(fā)完成，預計到今年年底實(shí)現投片生產(chǎn)。相比現有的CPU產(chǎn)品，新產(chǎn)品的性能指標有了大幅度提高，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

　　北斗衛星是772所遇到的最大機遇。我國一直在大力推進(jìn)具有自主知識產(chǎn)權的“北斗”衛星導航系統的建設，為此要成批量地布置衛星。

　　“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，因此這是我們國產(chǎn)芯片的機遇?！壁w元富強調。

　　但國產(chǎn)芯片也要具備足以登星的性能。據記者了解，宇航用CPU用于衛星內部控制，不追求運算速度，考慮到CPU性能要符合其衛星應用場(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，對于衛星長(cháng)壽命、高可靠穩定運行具有至關(guān)重要的作用。普通地面上所使用的芯片，必須經(jīng)過(guò)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(xiàn)、粒子影響，出現故障導致無(wú)法運轉。

　　針對空間惡劣的輻射環(huán)境，772所研發(fā)出了抗輻射加固設計技術(shù)，在設計階段通過(guò)對器件、電路和系統的設計加固實(shí)現抗輻射特性，研制出“抗輻射加固”的宇航集成電路。在抗輻射設計加固技術(shù)平臺的基礎上，772所還成功研制出了200多種抗輻射加固集成電路，奠定了衛星成體系使用國產(chǎn)芯片的基礎。

　　除抗輻射外，散熱也是宇航用芯片在空間應用環(huán)境中遇到的特殊考驗?！半娐吩诘孛鎽脮r(shí)，熱量的釋放主要依靠熱輻射和熱傳導;在空間的真空狀態(tài)下，導熱效率極低，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(shū)記、總工藝師姚全斌告訴《中國電子報》記者。

　　面對電路散熱結構技術(shù)難題，772所的研發(fā)團隊通過(guò)芯片的功耗分析、封裝的熱設計和熱阻分析等方面，采用先進(jìn)的陶瓷封裝，解決了核心器件應用在真空環(huán)境下的散熱問(wèn)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所不僅考慮在設計環(huán)節消除任何暗藏隱患，還從外圍的軟件環(huán)境著(zhù)手，與專(zhuān)門(mén)研制軟件的航天單位共同合作開(kāi)發(fā)了相關(guān)應用軟件。就此為衛星提供了從芯片到軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的一整套獨立自主體系，保證了衛星運行的安全可靠。

　　實(shí)現國產(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(zhù)漫長(cháng)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，這也是國內首款真正上天的大規模集成電路。2005年，已在天上運行了2年的國產(chǎn)化電路表現穩定，為772所獲取了各方信任，也贏(yíng)來(lái)了型號單位新的任務(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，衛星麻雀雖小，但五臟俱全，需要用到CPU、存儲器、接口電路、FPGA等各類(lèi)型集成電路。只做一兩款產(chǎn)品解決不了衛星的需求，也滿(mǎn)足不了研發(fā)單位經(jīng)濟上的生存需要。因此，必須同時(shí)研制各類(lèi)產(chǎn)品，才能成體系地提供芯片給衛星使用。但這對于一個(gè)單位來(lái)說(shuō)要覆蓋的產(chǎn)品面太寬，實(shí)施起來(lái)相當困難。

　　更重要的是，單一的芯片研發(fā)不足以支撐國產(chǎn)產(chǎn)品對進(jìn)口產(chǎn)品的替代?！跋胍獙?shí)現一款宇航用CPU的國產(chǎn)化，最大的問(wèn)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元富向記者強調。

　　這也是所有國產(chǎn)芯片共同面臨的痛點(diǎn)。培養整個(gè)用戶(hù)群習慣，比做一款CPU芯片要難得多。但幸運的是，對于772所來(lái)說(shuō)，宇航用芯片要面對的生態(tài)環(huán)境遠比通用級芯片簡(jiǎn)單得多。宇航用芯片的生態(tài)環(huán)境相對封閉，相關(guān)航天用戶(hù)單位僅20余家，針對的也是專(zhuān)業(yè)用戶(hù)，只要有好用的開(kāi)發(fā)環(huán)境，就可以開(kāi)始構建國產(chǎn)化的生態(tài)環(huán)境。

　　隨著(zhù)越來(lái)越多的芯片上天，航天單位對772所的芯片信任度也逐步提高，772所開(kāi)始承擔以北斗導航為代表的3個(gè)重點(diǎn)宇航型號九款抗輻射加固百萬(wàn)門(mén)級ASIC研制。目前，北斗等11顆衛星已攜帶9款ASIC上天，最長(cháng)在軌已近4年。

　　隨著(zhù)此次航天級CPU和批量芯片的成功上星，772所開(kāi)始不滿(mǎn)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)，應當是中國芯片國產(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，同樣面對專(zhuān)業(yè)用戶(hù)，需要附加值高、以技術(shù)為核心競爭力的產(chǎn)品，這正是772所最大的優(yōu)勢。目前，772所已開(kāi)始和中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司等相關(guān)單位聯(lián)手推動(dòng)普及工控級CPU。