7月25日從西昌發(fā)射的兩顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星近日來成為國內(nèi)各方關(guān)注的焦點(diǎn)。在這兩顆衛(wèi)星和“遠(yuǎn)征一號”火箭上，不僅100%使用了中國自主開發(fā)的宇航CPU芯片，還承載著數(shù)據(jù)總線電路、轉(zhuǎn)換器、存儲器等大量其他國產(chǎn)芯片。據(jù)了解，這是中國衛(wèi)星第一次成體系地批量使用國產(chǎn)芯片。

“除了宇航CPU，我們還為北斗導(dǎo)航衛(wèi)星和‘遠(yuǎn)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，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(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。“在某些抗輻射指標(biāo)上，我們應(yīng)該比國外的一些產(chǎn)品還更有優(yōu)勢。”趙元富補(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(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，會影響整個衛(wèi)星的功能運(yùn)轉(zhuǎn)，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(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。“當(dāng)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(chǎn)品。”趙元富向記者透露了當(dāng)時的想法。

因此，從最開始，772所就將研發(fā)目標(biāo)定在了當(dāng)時的國際下一代CPU上。那時，下一代宇航用CPU還沒有實(shí)際產(chǎn)品出現(xiàn)，有的只是一個大致的思路和概念，例如主頻的提升，以及對內(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所更新升級的下一代CPU產(chǎn)品也已開發(fā)完成，預(yù)計到今年年底實(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，會有很大的風(fēng)險，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，對于衛(wèi)星長壽命、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，便會被射線、粒子影響，出現(xiàn)故障導(dǎo)致無法運(yùn)轉(zhuǎn)。

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(shè)計技術(shù)，在設(shè)計階段通過對器件、電路和系統(tǒng)的設(shè)計加固實(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)計加固技術(shù)平臺的基礎(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，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，要將芯片工作時產(chǎn)生的熱量盡快釋放出去。”主管質(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》記者。

面對電路散熱結(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。但這對于一個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)品對進(jìn)口產(chǎn)品的替代。“想要實(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。”趙元富向記者強(qiáng)調(diào)。

這也是所有國產(chǎn)芯片共同面臨的痛點(diǎn)。培養(yǎng)整個用戶群習(xí)慣，比做一款CPU芯片要難得多。但幸運(yùn)的是，對于772所來說，宇航用芯片要面對的生態(tài)環(huán)境遠(yuǎn)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(guān)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(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個重點(diǎn)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A(yù)SIC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(lǐng)域，還打算涉足工控領(lǐng)域。從一個行業(yè)的成功使用，再普及到其他行業(yè)領(lǐng)域，一個行業(yè)一個行業(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，同樣面對專業(yè)用戶，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)手推動普及工控級CPU。