让中国航天用上“中国芯”

2020-04-25 17:16:35
来源:
作者:王诗尧
责任编辑:王诗尧
2020年04月25日 17:16 来源:光明日报

  让中国航天用上“中国芯”
——记航天科技九院七七二所抗辐射集成电路技术创新团队

  “我们的目标,是让中国航天都用上自己研发的芯片。”在今年中国航天日来临前夕的采访中,中国航天科技集团公司九院七七二所原所长赵元富对记者说。

  作为我国航天微电子领域的技术带头人,赵元富带领抗辐射集成电路技术创新团队取得诸多成果:成功研制了具有国际先进水平的FPGA、CPU、ASIC等多款宇航核心集成电路产品,实现了我国宇航集成电路研制能力的跨越式发展,已在我国北斗导航、载人航天、探月等重大航天工程使用,并进入国际市场。赵元富因此获得“2019年度航天功勋奖”荣誉称号。

  一开始就瞄准国际前沿技术

  对于在宇宙空间应用的芯片而言,具有抗辐射等特殊性能是必需的。因为宇宙空间环境极为复杂,大量的空间粒子辐射会导致卫星上电路性能退化甚至功能失效,对卫星造成致命伤害。

  “航天器上使用的芯片,被喻为‘卫星大脑’,要经受太空严酷环境的考验。”赵元富说,“抗辐射集成电路是太空探索的共性基础技术,实现自主可控是建设航天强国的关键,受到国家的高度重视。为了实现中国航天芯片的自主可控,我们20多年来一直在潜心钻研和不懈攻关。”

  在研制初期,他们的团队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。赵元富对记者坦言:“我们一开始就瞄准国际先进的前沿技术,不走仿制的道路。仿制也需要时间和极大的成本,而且即便仿出来了,国外更新升级的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。

  以承担我国首个集成电路设计加固技术研究课题为契机,航天七七二所成立了以赵元富为带头人的抗辐射加固集成电路技术创新团队。

  “从这个项目立项算起,也是十年磨一剑。”谈起首枚国产CPU研制的艰辛历程时,赵元富说,“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,总能找到突破之路。”

  解决抗辐射芯片设计的重大技术难题

  航天芯片抗辐射该怎么做?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。

  1999年,赵元富团队提出采用低成本的“设计加固”思路,即只需利用民用集成电路制造生产线,通过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。

  面对航天工程的迫切需求,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,并进行了大量的技术试验。

  为了打造可靠的“中国芯”,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。

  十年后,赵元富团队研制的国产CPU获得了成功,不仅速度高、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。

  如今“中国芯”表现越来越出色,大幅提升了宇航集成电路国产化率。除CPU外,北斗卫星上的数据总线电路、转换器、存储器等数十款产品均为七七二所研制和生产,单颗北斗导航卫星使用团队研制的电路达数十款、1000余只,为北斗导航核心元器件国产化率100%发挥了关键作用。实现了中国卫星成体系批量使用国产芯片,对航天工程的自主可控和创新发展具有里程碑意义。

  打造航天微电子领域的中国名片

  “我们不仅是在产品上有创新,还通过机理揭示、技术发明、平台开发、产品研制和型号应用的系统创新,实现了我国抗辐射加固集成电路研制能力的跨越发展。”赵元富说,“系统创新要有活泼的团队文化,我们在团队内部成立多学科融合的开放式学习小组,鼓励学术争鸣,十余年坚持不懈,为团队技术创新提供了氛围和源泉。”

  “我们的团队平均年龄34岁,现在以七七二所所长陈雷为代表的中青年技术骨干已经开始挑大梁,致力于打造航天微电子领域的中国名片。”赵元富告诉记者,航天科技集团九院七七二所抗辐射加固集成电路技术创新团队组建经过20多年的磨砺、传承和发展,已成为一支“老中青”结合、多专业融合、具有国际视野的技术创新人才队伍。团队将始终以“创新引领,铸芯航天”为使命,建设成为我国抗辐射加固集成电路领域的专业人才成长摇篮,力争成为国际领先的抗辐射加固集成电路技术创新团队,为国防安全建设、人类太空探索和航天技术应用持续贡献力量。

  (本报记者 袁于飞)

【编辑:王诗尧】

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