北斗衛(wèi)星國產芯片是怎樣煉成的

　　“除了宇航CPU，我們還為北斗導航衛(wèi)星和‘遠征一號’提供了近40款自主研發(fā)生產的產品。在上面級控制板上的15種電路中，我們提供了12種，可以說，我們的電路已經基本能構成單機單板的模式。”中國航天科技集團公司九院772所所長趙元富告訴《中國電子報》記者。

　　12年磨一劍自主研發(fā)CPU芯片

　　據(jù)《中國電子報》記者了解，此次登星的宇航級國產CPU芯片，已經能夠達到與國際先進水平基本相當?shù)漠a品性能。“在某些抗輻射指標上，我們應該比國外的一些產品還更有優(yōu)勢。”趙元富補充道。

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

　　宇航用CPU是衛(wèi)星的核心芯片，作為衛(wèi)星的大腦和心臟，負責接收地面指令、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，會影響整個衛(wèi)星的功能運轉，對研發(fā)技術水平要求極高。因此，此前中國的宇航用CPU基本依靠進口。

　　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CPU。然而，那次只在試驗衛(wèi)星的其中一個主機上使用了國產CPU芯片，并且仍然采用了進口芯片做備份。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CPU芯片。

　　為了研發(fā)出足以替代進口芯片的國產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(wèi)星用的那款CPU，但趙元富并沒有照做。“當我們仿制出來的時候，人家下一代更新升級的CPU又出來了，也不會有人再愿意用我們仿制出來的產品。”趙元富向記者透露了當時的想法。

　　因此，從最開始，772所就將研發(fā)目標定在了當時的國際下一代CPU上。那時，下一代宇航用CPU還沒有實際產品出現(xiàn)，有的只是一個大致的思路和概念，例如主頻的提升，以及對內部架構和接口進行改進。

　　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產品。等到新產品研制成功，也剛好趕上了下一代衛(wèi)星更新?lián)Q代的時間，迎來了衛(wèi)星用國產芯片大量替代進口芯片的機遇。

　　目前，772所更新升級的下一代CPU產品也已開發(fā)完成，預計到今年年底實現(xiàn)投片生產。相比現(xiàn)有的CPU產品，新產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(wèi)星是772所遇到的最大機遇。我國一直在大力推進具有自主知識產權的“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設，為此要成批量地布置衛(wèi)星。

　　“如果把核心器件寄托在進口芯片上，會有很大的風險，因此這是我們國產芯片的機遇。”趙元富強調。

　　但國產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)星內部控制，不追求運算速度，考慮到CPU性能要符合其衛(wèi)星應用場景，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(wèi)星長壽命、高可靠穩(wěn)定運行具有至關重要的作用。普通地面上所使用的芯片，必須經過特殊的加固措施，才能保持其在空間的使用，否則一旦上星，便會被射線、粒子影響，出現(xiàn)故障導致無法運轉。

　　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，在設計階段通過對器件、電路和系統(tǒng)的設計加固實現(xiàn)抗輻射特性，研制出“抗輻射加固”的宇航集成電路。在抗輻射設計加固技術平臺的基礎上，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(wèi)星成體系使用國產芯片的基礎。

　　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。“電路在地面應用時，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，要將芯片工作時產生的熱量盡快釋放出去。”主管質量工作的772所黨委書記、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難題，772所的研發(fā)團隊通過芯片的功耗分析、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(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)了相關應用軟件。就此為衛(wèi)星提供了從芯片到軟件開發(fā)環(huán)境的一整套獨立自主體系，保證了衛(wèi)星運行的安全可靠。

　　實現(xiàn)國產化芯片軟件生態(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的國產化道路。

　　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(guī)模集成電路。2005年，已在天上運行了2年的國產化電路表現(xiàn)穩(wěn)定，為772所獲取了各方信任，也贏來了型號單位新的任務需求。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、存儲器、接口電路、FPGA等各類型集成電路。只做一兩款產品解決不了衛(wèi)星的需求，也滿足不了研發(fā)單位經濟上的生存需要。因此，必須同時研制各類產品，才能成體系地提供芯片給衛(wèi)星使用。但這對于一個單位來說要覆蓋的產品面太寬，實施起來相當困難。

　　更重要的是，單一的芯片研發(fā)不足以支撐國產產品對進口產品的替代。“想要實現(xiàn)一款宇航用CPU的國產化，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化的芯片、軟件和生態(tài)環(huán)境，缺一不可。”趙元富向記者強調。

　　這也是所有國產芯片共同面臨的痛點。培養(yǎng)整個用戶群習慣，比做一款CPU芯片要難得多。但幸運的是，對于772所來說，宇航用芯片要面對的生態(tài)環(huán)境遠比通用級芯片簡單得多。宇航用芯片的生態(tài)環(huán)境相對封閉，相關航天用戶單位僅20余家，針對的也是專業(yè)用戶，只要有好用的開發(fā)環(huán)境，就可以開始構建國產化的生態(tài)環(huán)境。

　　隨著越來越多的芯片上天，航天單位對772所的芯片信任度也逐步提高，772所開始承擔以北斗導航為代表的3個重點宇航型號九款抗輻射加固百萬門級ASIC研制。目前，北斗等11顆衛(wèi)星已攜帶9款ASIC上天，最長在軌已近4年。

　　隨著此次航天級CPU和批量芯片的成功上星，772所開始不滿足于航天領域，還打算涉足工控領域。從一個行業(yè)的成功使用，再普及到其他行業(yè)領域，一個行業(yè)一個行業(yè)地突破，形成正循環(huán)，應當是中國芯片國產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，同樣面對專業(yè)用戶，需要附加值高、以技術為核心競爭力的產品，這正是772所最大的優(yōu)勢。目前，772所已開始和中國電子信息產業(yè)集團有限公司等相關單位聯(lián)手推動普及工控級CPU。

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