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国产芯片首次用于北斗导航卫星

未知 2019-07-04 15:11

  拐进热闹的北京南中轴线,进入中国运载火箭技术研究院旁边的一处院子,顿时清静了许多。梧桐绿意盎然,科研楼错落有致。在这里,中国航天科技集团公司九院772所所长赵元富团队研制出的国产CPU芯片,首次全部使用在新一代北斗导航卫星上。为了这一天,赵元富和他的团队走过了10年。

  此次登上北斗双星的宇航级国产CPU芯片,产品性能已基本达到国际先进水平。在某些抗辐射指标上,我们比国外的一些产品还更有优势。赵元富自信地说。

  一条道路

  核心芯片关乎信息安全,要掌握核心技术只能走自主研发之路

  赵元富是江西进贤人,还是放牛娃时,他就一直好奇半导体收音机何以能发出响声,上大学时,他选了半导体物理和器件专业。1983年,赵元富在我国著名航天微电子技术专家黄敞先生的指导下攻读硕士学位,开始从事抗辐射技术研究,从此,他越来越深刻地认识到抗辐射技术对国家航天发展的重要作用。核心技术是无法依靠别人的,这是基础能力。赵元富回忆道。

  信息安全是国家战略问题,其硬件支撑就是核心芯片。目前,我国芯片主要依赖进口,我国每年因芯片进口要花费2000多亿美元,和进口石油的花费差不多。对于空间应用的芯片而言,还要具有抗辐射等特殊性能。因为宇宙空间环境极为复杂,大量的空间粒子辐射会导致星上电路性能退化甚至功能失效,对卫星造成致命打击。

  但除了航天员,谁也没有去过太空。要在地球上把太空里可能遇到的问题想清楚,难度可想而知。

  拿芯片来说,百姓日常使用的手机等电子产品被称为电子行业。而航天器上使用的芯片要经受太空严酷环境的考验,因其特殊需求被称为行业电子。1996年,赵元富得到一次出国研究的机会,在两年多研究中,他更清晰地看到了国内外抗辐射技术的巨大差距。面对外国导师提供的工作机会,赵元富最终还是选择回国,对他而言,回国无需答案,既然选择了研发中国芯,就得走到底。

  这个被喻为卫星大脑和心脏的家伙,体现了中国航天的核心基础技术能力。赵元富自豪地说,为了实现中国航天芯片的自主可控,不管多难,我们都要想办法。

  一大难题

  坚持了十数年,只为攻克芯片设计难关,用低成本研制抗辐射芯片

  要让航空芯片抗辐射,应该怎么做?以往有个笨办法给电路穿上厚厚的外衣,但这将使器件重量大幅增加;另外,还可以试着改变制造工艺,但这样投入巨大。如何低成本地研制出抗辐射芯片,成为困扰世界各国科学家的难题。

  1998年回国后,赵元富带领团队钻研我国星用元器件抗辐射方面的技术特点和落后原因,1999年,他提出一个低成本的设计加固思路,即加固集成电路研制的技术路线,只需利用民用集成电路制造生产线,在设计环节而非制造环节就能研制出抗辐射的宇航集成电路。

  这样一来,抗辐射难度就全部转移到了芯片设计上,而抗辐射芯片设计又是个世界性难题。赵元富团队刚开始工作两三年,都没理出头绪。为了打造高可靠的中国芯,772所的抗辐射芯片都要经过地面模拟太空辐射环境下的试验验证与评估。为完成更多产品的辐射试验,团队成员需要尽快进入密封的真空辐射罐中,更换刚刚辐射完的试验样品,再准备下一轮试验。而每次辐射试验一般至少需要24小时,甚至几天不间断进行。为了试验的无缝对接,团队成员饿了吃泡面,困了打地铺,连续紧盯几十个小时,成了家常便饭。

  坚定、坚持、坚守,就这样静静守候在抗辐射技术领域十数年,赵元富和他的团队在抗辐射技术领域发表学术论文600余篇,取得各类专利200多项。如今,772所已构建了我国独具特色的抗辐射集成电路研制平台。

  一个梦想

  要自主不要仿制,把航天当作毕生事业,自主研发总能找到出路

  既要仰望星空,又要脚踏实地。要让中国芯在太空闪耀,赵元富和他的团队首先选取王冠上的钻石抗辐射中央处理器作为技术应用的核心攻关产品。

  在研制初期就把目标锁定在自主研发国际新一代宇航用CPU上,而非走仿制之路,赵元富深思熟虑,我们仿出来了,人家更新升级的CPU又出来了,仿制的产品没有竞争优势。

  这个中央处理器,看起来只有拇指甲大小,却有着大脑的复杂和精细。由于研发初期,当时国际上新一代的宇航用CPU并没有实际产品,只有大致的思路和概念,一切都几乎从零开始。从我们开始抗辐射技术的研究算起,至今15年了。如果从这个项目立项算起,也是十年磨一剑。谈起首枚国产CPU研制的坎坷历程时,赵元富却说得云淡风轻,航天事业聚集起一批科学家,他们一直把航天当作自己毕生事业,持之以恒,总能找到些出路。

  赵元富团队研制的这枚国产CPU,不仅速度更高、接口类型更多、可变性更强,也更适合卫星不同功能组件的需求。做好一款国产宇航用CPU,不仅要把芯片本身做好,还要构建芯片+软件+生态环境的国产化模式。对于中国芯,赵元富有更深远的考虑。

  正因此,如今中国芯表现越来越出色。除CPU外,此次北斗双星上的数据总线电路、转换器、存储器等近40款产品均为772所研制和生产,这也是中国卫星首次成体系地批量使用国产芯片,对航天工程的自主可控和创新发展具有里程碑意义。卫星麻雀虽小,五脏俱全。赵元富笑言,只有建立相对独立、完整的产品体系,才能让卫星高可靠运行更有保障。

  不仅如此,772所研制的宇航用集成电路还获得国外订单。从原来引进来到现在走出去,赵元富期待能见证我国航天微电子发展的重要跨越。

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