一顆芯片，集結(jié)了幾百萬(wàn)個(gè)晶體管，是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)。
在指甲蓋大小的微小之地，布局上億根晶體管和數(shù)公里長(zhǎng)的導(dǎo)線，其工藝難度相當(dāng)于在一根頭發(fā)絲直徑萬(wàn)分之一大小的地基上，建起高樓大廈。
而在航空航天領(lǐng)域，每一個(gè)系統(tǒng)都極其復(fù)雜。可以說(shuō)是每個(gè)元器件、每個(gè)螺釘、每根連線，都牽連著整個(gè)型號(hào)任務(wù)的成敗。
天上的芯片需要“國(guó)產(chǎn)”
近年來(lái)，在航空航天領(lǐng)域，我國(guó)取得了飛速的進(jìn)展。我國(guó)載人航天進(jìn)入“空間站時(shí)代”，神舟十二號(hào)、十三號(hào)載人飛船前后發(fā)射成功，首次進(jìn)入中國(guó)人自己的空間站——天和核心艙。
此外，穿越漫漫星河，天問(wèn)一號(hào)成功著陸于火星，圓滿完成了“一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸、巡視”的既定目標(biāo)。
北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署全面完成，全球范圍內(nèi)，全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)和短報(bào)文服務(wù)。
這些航空航天領(lǐng)域成功的背后，無(wú)一不是中國(guó)艱苦探索的過(guò)程。無(wú)論是空間站的搭建，還是“天問(wèn)一號(hào)”的著陸，亦或者是北斗導(dǎo)航的部署，都離不開(kāi)一個(gè)詞——中國(guó)“芯”。
作為尖端產(chǎn)業(yè)的航空航天，非常需要集成電路作為其核心。關(guān)于“天上芯”采用進(jìn)口還是國(guó)產(chǎn)的問(wèn)題 ，我們?cè)缫言囼?yàn)過(guò)。實(shí)際上，北斗二號(hào)的幾個(gè)關(guān)鍵單機(jī)都是采用進(jìn)口產(chǎn)品，但在北斗三號(hào)飛行試驗(yàn)星研制階段，國(guó)外開(kāi)始對(duì)我國(guó)實(shí)施進(jìn)口限制，行波管放大器交貨時(shí)間普遍推遲。行波管放大器是星上一個(gè)關(guān)鍵器件，用于放大衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)。國(guó)外表面只是推遲交貨時(shí)間，但如果一拖再拖，那就把北斗給拖垮了。
歷史一次一次告誡我們：核心技術(shù)買不來(lái)，等不來(lái)。北斗三號(hào)也正因此定下“兩百”的目標(biāo)：關(guān)鍵元器件100％國(guó)產(chǎn)化。部件星上產(chǎn)品100％國(guó)產(chǎn)化。
北斗三號(hào)衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師謝軍曾說(shuō)到：“作為北三衛(wèi)星首席總師，我差不多有一半精力花在元器件和部件產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化上。”
也正因此，我們堅(jiān)定的走國(guó)產(chǎn)化的路子。
神舟十二號(hào)飛船對(duì)多項(xiàng)國(guó)產(chǎn)化芯片應(yīng)用進(jìn)行了改進(jìn)，元器件和原材料全面實(shí)現(xiàn)自主可控，飛船使用的控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)完全使用國(guó)產(chǎn)CPU芯片。
“天和”核心艙中，采用了北京微電子技術(shù)研究所（772所）提供的等32款7100余只集成電路，其中包括：處理器、FPGA、AD／DA、1553B總線、大容量SRAM存儲(chǔ)器、專用ASIC集成電路等。
搭載空間站問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的長(zhǎng)征五號(hào)B遙三運(yùn)載火箭，由中國(guó)電科第55研究所配套保障共計(jì)35款數(shù)萬(wàn)余只（套）關(guān)鍵核心元器件。
目前在航天航空和軍工電子領(lǐng)域，主要使用的仍是ASIC和FPGA，從我國(guó)重大航天航空項(xiàng)目的屢次成功上看來(lái)，我們?cè)谶@一領(lǐng)域已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。
天上的元器件
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(wèn)題，會(huì)影響整個(gè)衛(wèi)星的功能運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)研發(fā)技術(shù)水平要求極高。此前中國(guó)的宇航用CPU基本依靠進(jìn)口。
從2015年，北斗衛(wèi)星就已經(jīng)使用國(guó)產(chǎn)CPU，結(jié)束了對(duì)宇航級(jí)芯片的依賴。當(dāng)時(shí)的北斗衛(wèi)星里，龍芯CPU用于在星間鏈路計(jì)算機(jī)。使用了兩款龍芯CPU，分別是龍芯1E和龍芯1F抗輻照處理器。龍芯1E負(fù)責(zé)進(jìn)行常規(guī)運(yùn)算，龍芯1F完成數(shù)據(jù)采集、開(kāi)關(guān)控制、通訊等處理功能。此時(shí)的龍芯1家族，采用180nm CMOS工藝、400萬(wàn)晶體管。
此后，北斗衛(wèi)星全部使航天772所研制生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)CPU芯片，772所提供了近40款自主研發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品。
值得注意的是，在“天和”星載計(jì)算機(jī)中最關(guān)鍵的SoC，也是由772所研發(fā)的SPARCV8處理器BM3803確保了核心艙的穩(wěn)定控制。這個(gè)SoC是32位的RISC架構(gòu)。
在星載領(lǐng)域，我國(guó)首次將氮化鎵功放芯片實(shí)現(xiàn)批量工程化應(yīng)用。第三代半導(dǎo)體已經(jīng)在航天領(lǐng)域嶄露頭角，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射任務(wù)中，55所研制配套了以第三代半導(dǎo)體氮化鎵功率放大器為主的多款微波芯片，以及模塊組件、氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣子、二極管等產(chǎn)品，分別應(yīng)用于本次發(fā)射任務(wù)的載荷系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、地面測(cè)控系統(tǒng)等。
從工藝制程來(lái)看，現(xiàn)在北斗系統(tǒng)28nm工藝芯片已經(jīng)量產(chǎn)，22nm工藝芯片即將量產(chǎn)。相較與2015年的180nm，北斗已經(jīng)達(dá)到國(guó)際一流的水平。
航天級(jí)芯片國(guó)產(chǎn)進(jìn)程
宇航級(jí)國(guó)產(chǎn)化元器件可以分成4類：第一類是已經(jīng)有國(guó)產(chǎn)化器部件，研制基礎(chǔ)比較好，可以直接選用；第二類是已經(jīng)開(kāi)始研制，但還沒(méi)有完成鑒定，還要進(jìn)一步驗(yàn)證；第三類是國(guó)內(nèi)有研制基礎(chǔ)條件，可以研制，但還沒(méi)有研制；第四類是國(guó)內(nèi)暫時(shí)沒(méi)有研制基礎(chǔ)。
與普通芯片對(duì)比，宇航級(jí)芯片更加注重安全穩(wěn)定性能，在其生產(chǎn)過(guò)程中，需要使用特殊工藝來(lái)達(dá)到嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)復(fù)雜的空間環(huán)境，如強(qiáng)烈的宇宙射線、隕石碎片撞擊、氣溫陡降陡升等。
在北斗系統(tǒng)建設(shè)早期，國(guó)產(chǎn)北斗芯片受限于工藝、價(jià)格等因素，主要應(yīng)用在專用領(lǐng)域，如公安、消防、應(yīng)急救援、航海、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、測(cè)繪等領(lǐng)域，所以參與芯片設(shè)計(jì)的企業(yè)以科研院所為主。隨著北斗三號(hào)系統(tǒng)的建成并提供全球服務(wù)，國(guó)內(nèi)外一大批專業(yè)企業(yè)進(jìn)入該領(lǐng)域，競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。
2008年，上海復(fù)控華龍微系統(tǒng)技術(shù)有限公司發(fā)布了國(guó)內(nèi)首款北斗一號(hào)RDSS處理芯片——“領(lǐng)航一號(hào)”（JFM7101）。此后十余年，復(fù)控華龍又先后發(fā)布了JFM7201、JFM7205、JFM7206、JFM7208等多款北斗二號(hào)基帶處理芯片，以及FH7301和FH7302兩款北斗三號(hào)基帶處理芯片。JFM7208、FH7301、FH7302都同時(shí)支持北斗。
武漢海創(chuàng)電子股份有限公司為“神舟十二號(hào)”開(kāi)發(fā)的高精度、低老化、抗振溫補(bǔ)晶振替代了進(jìn)口產(chǎn)品，性能優(yōu)于進(jìn)口，完全實(shí)現(xiàn)全國(guó)產(chǎn)化自主可控。武漢海創(chuàng)電子是武漢市配套航天的一家“老企業(yè)”，從東方紅一號(hào)衛(wèi)星開(kāi)始，就承擔(dān)著航空航天產(chǎn)品配套任務(wù)。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，海創(chuàng)電子研制生產(chǎn)的各類晶體頻率元器件、敏感元器件被應(yīng)用在神舟、天宮、天問(wèn)等各類航天器上。
在2020年前，已經(jīng)有10顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星搭載了龍芯3號(hào)CPU，同時(shí)進(jìn)入衛(wèi)星的還有國(guó)產(chǎn)Flash和功率放大器等器件，具體供應(yīng)商不得而知。
成立于2008年的泰斗微電子，早在成立第二年便推出國(guó)內(nèi)第1款北斗導(dǎo)航SOC基帶芯片。如今，每年有超過(guò)2500萬(wàn)枚芯片走下泰斗微電子的生產(chǎn)線，36．9％國(guó)產(chǎn)北斗芯片均產(chǎn)自這家“隱形冠軍”。其第5代的數(shù)模混合導(dǎo)航芯片，制程已經(jīng)達(dá)到28納米。
除去北斗衛(wèi)星領(lǐng)域，在空間站、火箭等尖端領(lǐng)域某些芯片并非企業(yè)可以做到，更多的是由研究所完成。
北京微電子技術(shù)研究所（772所）在國(guó)產(chǎn)元器件的研究方面功不可沒(méi)。
為天舟四號(hào)貨運(yùn)飛船提供CPU、FPGA及刷新電路、1553B總線、SRAM、AD／DA、邏輯電平等航天芯產(chǎn)品；為長(zhǎng)七遙五運(yùn)載火箭提供了FPGA、信息處理電路、AD／DA、1553B總線等航天芯產(chǎn)品，用于導(dǎo)航、遙測(cè)、控制、伺服等多個(gè)系統(tǒng)中。
天和”核心艙中，提供通用智能刷新控制芯片BSV2CQRH解決了SRAM型FPGA在太空中遇到的單粒子效應(yīng)問(wèn)題；提供B65608EARH SRAM存儲(chǔ)器，在天和核心艙中主要用于中繼SSA－SMA終端設(shè)備，為空間站和地面通信中繼任務(wù)的完成起到了保障。
航天科工203所是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)始研制和生產(chǎn)晶體元器件的單位之一，早到東方紅系列就承擔(dān)了中國(guó)航天的晶體元器件產(chǎn)品配套任務(wù)，是航天用晶體元器件的定點(diǎn)供應(yīng)單位，也是宇航元器件PCS建設(shè)先進(jìn)單位。
總結(jié)
中國(guó)一定要在自己的衛(wèi)星上用自己的芯片。
曾經(jīng)，1999年5月，美國(guó)B－2轟炸機(jī)在GPS導(dǎo)航指引下，投射空地導(dǎo)彈襲擊了中國(guó)駐南斯拉夫聯(lián)盟大使館。面對(duì)中國(guó)嚴(yán)重抗議、強(qiáng)烈譴責(zé)，美國(guó)以“誤炸”來(lái)搪塞敷衍。
后來(lái)，我們北斗一號(hào)系統(tǒng)開(kāi)通服務(wù)后，我國(guó)在一次演習(xí)中主動(dòng)關(guān)閉了GPS，完全使用北斗一號(hào)系統(tǒng)，各終端屏幕信息清晰，共享實(shí)時(shí)，定位準(zhǔn)確，通聯(lián)順暢。
為什么我們一定要國(guó)產(chǎn)化？
北斗三號(hào)工程接任總設(shè)計(jì)師楊長(zhǎng)風(fēng)曾解釋道：“關(guān)鍵的核心東西，必須掌握在自己的手上。我們的北斗終端第一批出來(lái)后，外國(guó)人把他們的芯片價(jià)格馬上由1000元降到500元，第二代終端出來(lái)后，他們將500元降變成200元，我們用5年時(shí)間，生產(chǎn)出5個(gè)新的一代，他們的價(jià)格從200、100、50元，現(xiàn)在降到1美元。我們北斗人把自己的芯片做到了極致。”
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