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揭秘:北斗卫星国产芯片是怎样炼成的 发表时间:2015-08-17
7月25日从西昌发射的两颗新一代北斗导航卫星近日来成为国内各方关注的焦点。在这两颗卫星和“远征一号”火箭上,不仅100%使用了中国自主开发的宇航CPU芯片,还承载着数据总线电路、转换器、存储器等大量其他国产芯片。据了解,这是中国卫星第一次成体系地批量使用国产芯片。
 
  “除了宇航CPU,我们还为北斗导航卫星和‘远征一号’提供了近40款自主研发生产的产品。在上面级控制板上的15种电路中,我们提供了12种,可以说,我们的电路已经基本能构成单机单板的模式。”中国航天科技集团公司九院772所所长赵元富告诉记者。
 
12年磨一剑
 
  自主研发CPU芯片
 
  据记者了解,此次登星的宇航级国产CPU芯片,已经能够达到与国际先进水平基本相当的产品性能。“在某些抗辐射指标上,我们应该比国外的一些产品还更有优势。”赵元富补充道。
 
  然而,研发出一款足以登上卫星的CPU芯片,远不如想象中那么简单。从2003年投入研制宇航级CPU芯片算起,772所用了12年的时间。
 
  宇航用CPU是卫星的核心芯片,作为卫星的大脑和心脏,负责接收地面指令、处理载荷数据、管理控制姿态。由于其核心重要性,一旦出现问题,会影响整个卫星的功能运转,对研发技术水平要求极高。因此,此前中国的宇航用CPU基本依靠进口。
 
  本次登上北斗卫星的CPU芯片并不是中国第一款登上卫星的CPU。2006年,772所已研制出第一代CPU芯片。2011年,中国才出现了第一款随试验卫星升空的空间用CPU芯片,即772所研制的我国首枚32位空间用国产CPU。然而,那次只在试验卫星的其中一个主机上使用了国产CPU芯片,并且仍然采用了进口芯片做备份。直到2015年此次的北斗双星发射,中国卫星才真正100%采用了国产CPU芯片。
 
  为了研发出足以替代进口芯片的国产CPU,772所放弃了中国研制自主元器件最普遍的道路——仿制后再创新,选择了完全自主研发的道路。
 
  面对研发难题,在2003年研制初期,几乎所有人都在劝赵元富仿制国内卫星用的那款CPU,但赵元富并没有照做。“当我们仿制出来的时候,人家下一代更新升级的CPU又出来了,也不会有人再愿意用我们仿制出来的产品。”赵元富向记者透露了当时的想法。
  因此,从最开始,772所就将研发目标定在了当时的国际下一代CPU上。那时,下一代宇航用CPU还没有实际产品出现,有的只是一个大致的思路和概念,例如主频的提升,以及对内部架构和接口进行改进。
 
  772所决定直接从国际下一代宇航用CPU做起,最终完成了两款宇航用CPU产品。等到新产品研制成功,也刚好赶上了下一代卫星更新换代的时间,迎来了卫星用国产芯片大量替代进口芯片的机遇。
 
  目前,772所更新升级的下一代CPU产品也已开发完成,预计到今年年底实现投片生产。相比现有的CPU产品,新产品的性能指标有了大幅度提高,CPU速度提升,处理性能增加,得以支持更高速度的接口。
 
宇航用芯片
 
  必须保证安全可靠性
 
  北斗卫星是772所遇到的最大机遇。我国一直在大力推进具有自主知识产权的“北斗”卫星导航系统的建设,为此要成批量地布置卫星。
 
  “如果把核心器件寄托在进口芯片上,会有很大的风险,因此这是我们国产芯片的机遇。”赵元富强调。
 
  但国产芯片也要具备足以登星的性能。据记者了解,宇航用CPU用于卫星内部控制,不追求运算速度,考虑到CPU性能要符合其卫星应用场景,要求其集成尽可能多的功能、提供尽可能丰富的控制接口、具备很强的可变换性、能够抵抗空间恶劣的辐射环境。
  尤其是抗辐射的特殊性能,对于卫星长寿命、高可靠稳定运行具有至关重要的作用。普通地面上所使用的芯片,必须经过特殊的加固措施,才能保持其在空间的使用,否则一旦上星,便会被射线、粒子影响,出现故障导致无法运转。
 
  针对空间恶劣的辐射环境,772所研发出了抗辐射加固设计技术,在设计阶段通过对器件、电路和系统的设计加固实现抗辐射特性,研制出“抗辐射加固”的宇航集成电路。在抗辐射设计加固技术平台的基础上,772所还成功研制出了200多种抗辐射加固集成电路,奠定了卫星成体系使用国产芯片的基础。
 
  除抗辐射外,散热也是宇航用芯片在空间应用环境中遇到的特殊考验。“电路在地面应用时,热量的释放主要依靠热辐射和热传导;在空间的真空状态下,导热效率极低,要将芯片工作时产生的热量尽快释放出去。”主管质量工作的772所党委书记、总工艺师姚全斌告诉记者。
 
  面对电路散热结构技术难题,772所的研发团队通过芯片的功耗分析、封装的热设计和热阻分析等方面,采用先进的陶瓷封装,解决了核心器件应用在真空环境下的散热问题,保证器件在恶劣环境下正常工作。
 
  此外,为保证芯片使用的安全可靠,772所不仅考虑在设计环节消除任何暗藏隐患,还从外围的软件环境着手,与专门研制软件的航天单位共同合作开发了相关应用软件。就此为卫星提供了从芯片到软件开发环境的一整套独立自主体系,保证了卫星运行的安全可靠。
 
实现国产化
 
  芯片软件生态环境缺一不可
 
  成立于1994年的772所,从创立初期就将研制宇航用芯片作为核心定位。但与其他芯片的遭遇相同,宇航用芯片也面临着漫长的国产化道路。
 
  2003年,772所研发了10年的第一款芯片才上天,这也是国内首款真正上天的大规模集成电路。2005年,已在天上运行了2年的国产化电路表现稳定,为772所获取了各方信任,也赢来了型号单位新的任务需求。2年后,772所第二批的7~8款芯片上天。2009年,又有少量芯片替代国外芯片上星。
 
  赵元富告诉记者,卫星麻雀虽小,但五脏俱全,需要用到CPU、存储器、接口电路、FPGA等各类型集成电路。只做一两款产品解决不了卫星的需求,也满足不了研发单位经济上的生存需要。因此,必须同时研制各类产品,才能成体系地提供芯片给卫星使用。但这对于一个单位来说要覆盖的产品面太宽,实施起来相当困难。
 
  更重要的是,单一的芯片研发不足以支撑国产产品对进口产品的替代。“想要实现一款宇航用CPU的国产化,最大的问题不是研制好芯片本身,而是必须共同建立起国产化的芯片、软件和生态环境,缺一不可。”赵元富向记者强调。
 
  这也是所有国产芯片共同面临的痛点。培养整个用户群习惯,比做一款CPU芯片要难得多。但幸运的是,对于772所来说,宇航用芯片要面对的生态环境远比通用级芯片简单得多。宇航用芯片的生态环境相对封闭,相关航天用户单位仅20余家,针对的也是专业用户,只要有好用的开发环境,就可以开始构建国产化的生态环境。
 
  随着越来越多的芯片上天,航天单位对772所的芯片信任度也逐步提高,772所开始承担以北斗导航为代表的3个重点宇航型号九款抗辐射加固百万门级ASIC研制。目前,北斗等11颗卫星已携带9款ASIC上天,最长在轨已近4年。
 
  随着此次航天级CPU和批量芯片的成功上星,772所开始不满足于航天领域,还打算涉足工控领域。从一个行业的成功使用,再普及到其他行业领域,一个行业一个行业地突破,形成正循环,应当是中国芯片国产化道路最容易突破的方式。
 
  工控行业是772所顺理成章的选择,同样面对专业用户,需要附加值高、以技术为核心竞争力的产品,这正是772所最大的优势。目前,772所已开始和中国电子信息产业集团有限公司等相关单位联手推动普及工控级CPU。

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