一顆芯片，集結(jié)了幾百萬個晶體管，是一個極其復(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)公里長的導(dǎo)線，其工藝難度相當(dāng)于在一根頭發(fā)絲直徑萬分之一大小的地基上，建起高樓大廈。
而在航空航天領(lǐng)域，每一個系統(tǒng)都極其復(fù)雜。可以說是每個元器件、每個螺釘、每根連線，都牽連著整個型號任務(wù)的成敗。
天上的芯片需要“國產(chǎn)”
近年來，在航空航天領(lǐng)域，我國取得了飛速的進展。我國載人航天進入“空間站時代”，神舟十二號、十三號載人飛船前后發(fā)射成功，首次進入中國人自己的空間站——天和核心艙。
此外，穿越漫漫星河，天問一號成功著陸于火星，圓滿完成了“一次任務(wù)實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸、巡視”的既定目標(biāo)。
北斗三號全球衛(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、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時和短報文服務(wù)。
這些航空航天領(lǐng)域成功的背后，無一不是中國艱苦探索的過程。無論是空間站的搭建，還是“天問一號”的著陸，亦或者是北斗導(dǎo)航的部署，都離不開一個詞——中國“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”采用進口還是國產(chǎn)的問題 ，我們早已試驗過。實際上，北斗二號的幾個關(guān)鍵單機都是采用進口產(chǎn)品，但在北斗三號飛行試驗星研制階段，國外開始對我國實施進口限制，行波管放大器交貨時間普遍推遲。行波管放大器是星上一個關(guān)鍵器件，用于放大衛(wèi)星的導(dǎo)航信號。國外表面只是推遲交貨時間，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，等不來。北斗三號也正因此定下“兩百”的目標(biāo)：關(guān)鍵元器件100％國產(chǎn)化。部件星上產(chǎn)品100％國產(chǎn)化。
北斗三號衛(wèi)星總設(shè)計師謝軍曾說到：“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)品的國產(chǎn)化上。”
也正因此，我們堅定的走國產(chǎn)化的路子。
神舟十二號飛船對多項國產(chǎn)化芯片應(yīng)用進行了改進，元器件和原材料全面實現(xiàn)自主可控，飛船使用的控制計算機、數(shù)據(jù)管理計算機完全使用國產(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存儲器、專用ASIC集成電路等。
搭載空間站問天實驗艙的長征五號B遙三運載火箭，由中國電科第55研究所配套保障共計35款數(shù)萬余只（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，從我國重大航天航空項目的屢次成功上看來，我們在這一領(lǐng)域已經(jīng)基本實現(xiàn)了國產(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)星的功能運轉(zhuǎn)，對研發(fā)技術(shù)水平要求極高。此前中國的宇航用CPU基本依靠進口。
從2015年，北斗衛(wèi)星就已經(jīng)使用國產(chǎn)CPU，結(jié)束了對宇航級芯片的依賴。當(dāng)時的北斗衛(wèi)星里，龍芯CPU用于在星間鏈路計算機。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負責(zé)進行常規(guī)運算，龍芯1F完成數(shù)據(jù)采集、開關(guān)控制、通訊等處理功能。此時的龍芯1家族，采用180nm CMOS工藝、400萬晶體管。
此后，北斗衛(wèi)星全部使航天772所研制生產(chǎn)的國產(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”星載計算機中最關(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SoC是32位的RISC架構(gòu)。
在星載領(lǐng)域，我國首次將氮化鎵功放芯片實現(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，問天實驗艙發(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)、運載火箭系統(tǒng)、地面測控系統(tǒng)等。
從工藝制程來看，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)達到國際一流的水平。
航天級芯片國產(chǎn)進程
宇航級國產(chǎn)化元器件可以分成4類：第一類是已經(jīng)有國產(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)開始研制，但還沒有完成鑒定，還要進一步驗證；第三類是國內(nèi)有研制基礎(chǔ)條件，可以研制，但還沒有研制；第四類是國內(nèi)暫時沒有研制基礎(chǔ)。
與普通芯片對比，宇航級芯片更加注重安全穩(wěn)定性能，在其生產(chǎn)過程中，需要使用特殊工藝來達到嚴(yán)苛的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)復(fù)雜的空間環(huán)境，如強烈的宇宙射線、隕石碎片撞擊、氣溫陡降陡升等。
在北斗系統(tǒng)建設(shè)早期，國產(chǎn)北斗芯片受限于工藝、價格等因素，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)、測繪等領(lǐng)域，所以參與芯片設(shè)計的企業(yè)以科研院所為主。隨著北斗三號系統(tǒng)的建成并提供全球服務(wù)，國內(nèi)外一大批專業(yè)企業(yè)進入該領(lǐng)域，競爭日趨激烈。
2008年，上海復(fù)控華龍微系統(tǒng)技術(shù)有限公司發(fā)布了國內(nèi)首款北斗一號RDSS處理芯片——“領(lǐng)航一號”（JFM7101）。此后十余年，復(fù)控華龍又先后發(fā)布了JFM7201、JFM7205、JFM7206、JFM7208等多款北斗二號基帶處理芯片，以及FH7301和FH7302兩款北斗三號基帶處理芯片。JFM7208、FH7301、FH7302都同時支持北斗。
武漢海創(chuàng)電子股份有限公司為“神舟十二號”開發(fā)的高精度、低老化、抗振溫補晶振替代了進口產(chǎn)品，性能優(yōu)于進口，完全實現(xiàn)全國產(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)”，從東方紅一號衛(wèi)星開始，就承擔(dān)著航空航天產(chǎn)品配套任務(wù)。半個世紀(jì)以來，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CPU，同時進入衛(wèi)星的還有國產(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內(nèi)第1款北斗導(dǎo)航SOC基帶芯片。如今，每年有超過2500萬枚芯片走下泰斗微電子的生產(chǎn)線，36．9％國產(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）在國產(chǎn)元器件的研究方面功不可沒。
為天舟四號貨運飛船提供CPU、FPGA及刷新電路、1553B總線、SRAM、AD／DA、邏輯電平等航天芯產(chǎn)品；為長七遙五運載火箭提供了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、控制、伺服等多個系統(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)問題；提供B65608EARH SRAM存儲器，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所是國內(nèi)最早開始研制和生產(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供應(yīng)單位，也是宇航元器件PCS建設(shè)先進單位。
總結(jié)
中國一定要在自己的衛(wèi)星上用自己的芯片。
曾經(jīng)，1999年5月，美國B－2轟炸機在GPS導(dǎo)航指引下，投射空地導(dǎo)彈襲擊了中國駐南斯拉夫聯(lián)盟大使館。面對中國嚴(yán)重抗議、強烈譴責(zé)，美國以“誤炸”來搪塞敷衍。
后來，我們北斗一號系統(tǒng)開通服務(wù)后，我國在一次演習(xí)中主動關(guān)閉了GPS，完全使用北斗一號系統(tǒng)，各終端屏幕信息清晰，共享實時，定位準(zhǔn)確，通聯(lián)順暢。
為什么我們一定要國產(chǎn)化？
北斗三號工程接任總設(shè)計師楊長風(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后，外國人把他們的芯片價格馬上由1000元降到500元，第二代終端出來后，他們將500元降變成200元，我們用5年時間，生產(chǎn)出5個新的一代，他們的價格從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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