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国产芯片“上天记”

2022-09-01 17:57 来源:半导体产业纵横 作者:九林

谢军:“作为北三卫星首席总师,我差不多有一半精力花在元器件和部件产品的国产化上。”

一颗芯片,集结了几百万个晶体管,是一个极其复杂的系统。

在指甲盖大小的微小之地,布局上亿根晶体管和数公里长的导线,其工艺难度相当于在一根头发丝直径万分之一大小的地基上,建起高楼大厦。

而在航空航天领域,每一个系统都极其复杂。可以说是每个元器件、每个螺钉、每根连线,都牵连着整个型号任务的成败。

天上的芯片需要“国产”

近年来,在航空航天领域,我国取得了飞速的进展。我国载人航天进入“空间站时代”,神舟十二号、十三号载人飞船前后发射成功,首次进入中国人自己的空间站——天和核心舱。

此外,穿越漫漫星河,天问一号成功着陆于火星,圆满完成了“一次任务实现火星环绕、着陆、巡视”的既定目标。

北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成,全球范围内,全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时和短报文服务。

这些航空航天领域成功的背后,无一不是中国艰苦探索的过程。无论是空间站的搭建,还是“天问一号”的着陆,亦或者是北斗导航的部署,都离不开一个词——中国“芯”。

作为尖端产业的航空航天,非常需要集成电路作为其核心。关于“天上芯”采用进口还是国产的问题 ,我们早已试验过。实际上,北斗二号的几个关键单机都是采用进口产品,但在北斗三号飞行试验星研制阶段,国外开始对我国实施进口限制,行波管放大器交货时间普遍推迟。行波管放大器是星上一个关键器件,用于放大卫星的导航信号。国外表面只是推迟交货时间,但如果一拖再拖,那就把北斗给拖垮了。

历史一次一次告诫我们:核心技术买不来,等不来。北斗三号也正因此定下“两百”的目标:关键元器件100%国产化。部件星上产品100%国产化。

北斗三号卫星总设计师谢军曾说到:“作为北三卫星首席总师,我差不多有一半精力花在元器件和部件产品的国产化上。”

也正因此,我们坚定的走国产化的路子。

神舟十二号飞船对多项国产化芯片应用进行了改进,元器件和原材料全面实现自主可控,飞船使用的控制计算机、数据管理计算机完全使用国产CPU芯片。

“天和”核心舱中,采用了北京微电子技术研究所(772所)提供的等32款7100余只集成电路,其中包括:处理器、FPGA、AD/DA、1553B总线、大容量SRAM存储器、专用ASIC集成电路等。

搭载空间站问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭,由中国电科第55研究所配套保障共计35款数万余只(套)关键核心元器件。

目前在航天航空和军工电子领域,主要使用的仍是ASIC和FPGA,从我国重大航天航空项目的屡次成功上看来,我们在这一领域已经基本实现了国产化。

天上的元器件

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。此前中国的宇航用CPU基本依靠进口。

从2015年,北斗卫星就已经使用国产CPU,结束了对宇航级芯片的依赖。当时的北斗卫星里,龙芯CPU用于在星间链路计算机。使用了两款龙芯CPU,分别是龙芯1E和龙芯1F抗辐照处理器。龙芯1E负责进行常规运算,龙芯1F完成数据采集、开关控制、通讯等处理功能。此时的龙芯1家族,采用180nm CMOS工艺、400万晶体管。

此后,北斗卫星全部使航天772所研制生产的国产CPU芯片,772所提供了近40款自主研发生产的产品。

值得注意的是,在“天和”星载计算机中最关键的SoC,也是由772所研发的SPARCV8处理器BM3803确保了核心舱的稳定控制。这个SoC是32位的RISC架构。

在星载领域,我国首次将氮化镓功放芯片实现批量工程化应用。第三代半导体已经在航天领域崭露头角,问天实验舱发射任务中,55所研制配套了以第三代半导体氮化镓功率放大器为主的多款微波芯片,以及模块组件、氮化镓场效应晶体管和绝缘子、二极管等产品,分别应用于本次发射任务的载荷系统、运载火箭系统、地面测控系统等。

从工艺制程来看,现在北斗系统28nm工艺芯片已经量产,22nm工艺芯片即将量产。相较与2015年的180nm,北斗已经达到国际一流的水平。

航天级芯片国产进程

宇航级国产化元器件可以分成4类:第一类是已经有国产化器部件,研制基础比较好,可以直接选用;第二类是已经开始研制,但还没有完成鉴定,还要进一步验证;第三类是国内有研制基础条件,可以研制,但还没有研制;第四类是国内暂时没有研制基础。

与普通芯片对比,宇航级芯片更加注重安全稳定性能,在其生产过程中,需要使用特殊工艺来达到严苛的设计标准,以适应复杂的空间环境,如强烈的宇宙射线、陨石碎片撞击、气温陡降陡升等。

在北斗系统建设早期,国产北斗芯片受限于工艺、价格等因素,主要应用在专用领域,如公安、消防、应急救援、航海、精准农业、测绘等领域,所以参与芯片设计的企业以科研院所为主。随着北斗三号系统的建成并提供全球服务,国内外一大批专业企业进入该领域,竞争日趋激烈。

2008年,上海复控华龙微系统技术有限公司发布了国内首款北斗一号RDSS处理芯片——“领航一号”(JFM7101)。此后十余年,复控华龙又先后发布了JFM7201、JFM7205、JFM7206、JFM7208等多款北斗二号基带处理芯片,以及FH7301和FH7302两款北斗三号基带处理芯片。JFM7208、FH7301、FH7302都同时支持北斗。

武汉海创电子股份有限公司为“神舟十二号”开发的高精度、低老化、抗振温补晶振替代了进口产品,性能优于进口,完全实现全国产化自主可控。武汉海创电子是武汉市配套航天的一家“老企业”,从东方红一号卫星开始,就承担着航空航天产品配套任务。半个世纪以来,海创电子研制生产的各类晶体频率元器件、敏感元器件被应用在神舟、天宫、天问等各类航天器上。

在2020年前,已经有10颗北斗导航卫星搭载了龙芯3号CPU,同时进入卫星的还有国产Flash和功率放大器等器件,具体供应商不得而知。

成立于2008年的泰斗微电子,早在成立第二年便推出国内第1款北斗导航SOC基带芯片。如今,每年有超过2500万枚芯片走下泰斗微电子的生产线,36.9%国产北斗芯片均产自这家“隐形冠军”。其第5代的数模混合导航芯片,制程已经达到28纳米。

除去北斗卫星领域,在空间站、火箭等尖端领域某些芯片并非企业可以做到,更多的是由研究所完成。

北京微电子技术研究所(772所)在国产元器件的研究方面功不可没。

为天舟四号货运飞船提供CPU、FPGA及刷新电路、1553B总线、SRAM、AD/DA、逻辑电平等航天芯产品;为长七遥五运载火箭提供了FPGA、信息处理电路、AD/DA、1553B总线等航天芯产品,用于导航、遥测、控制、伺服等多个系统中。

天和”核心舱中,提供通用智能刷新控制芯片BSV2CQRH解决了SRAM型FPGA在太空中遇到的单粒子效应问题;提供B65608EARH SRAM存储器,在天和核心舱中主要用于中继SSA-SMA终端设备,为空间站和地面通信中继任务的完成起到了保障。

航天科工203所是国内最早开始研制和生产晶体元器件的单位之一,早到东方红系列就承担了中国航天的晶体元器件产品配套任务,是航天用晶体元器件的定点供应单位,也是宇航元器件PCS建设先进单位。

总结

中国一定要在自己的卫星上用自己的芯片。

曾经,1999年5月,美国B-2轰炸机在GPS导航指引下,投射空地导弹袭击了中国驻南斯拉夫联盟大使馆。面对中国严重抗议、强烈谴责,美国以“误炸”来搪塞敷衍。

后来,我们北斗一号系统开通服务后,我国在一次演习中主动关闭了GPS,完全使用北斗一号系统,各终端屏幕信息清晰,共享实时,定位准确,通联顺畅。

为什么我们一定要国产化?

北斗三号工程接任总设计师杨长风曾解释道:“关键的核心东西,必须掌握在自己的手上。我们的北斗终端第一批出来后,外国人把他们的芯片价格马上由1000元降到500元,第二代终端出来后,他们将500元降变成200元,我们用5年时间,生产出5个新的一代,他们的价格从200、100、50元,现在降到1美元。我们北斗人把自己的芯片做到了极致。”

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