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长缨在手 敢缚苍龙

 
 
 
 
 

日志

 
 

北斗闪耀中国芯  

2015-10-26 20:17:33|  分类: 宇航工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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——航天九院772所元器件国产化攻关纪实

这是重要的突破。7月25日在西昌卫星发射中心顺利升空两颗新一代北斗导航卫星,“远征一号”上面级将2颗卫星准确送入预定轨道。卫星和上面级100%使用航天772所研制生产的国产CPU芯片。除了CPU,北斗双星和上面级上的数据总线电路、转换器、存储器等近40款产品均为航天772所研制和生产,这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式意义。

抗空间辐射的难题

信息安全是一个国家的战略问题,信息安全的硬件支撑依靠的是核心芯片。卫星导航系统是重要的空间信息基础设施,我国高度重视卫星导航系统的建设,“北斗”一直在努力探索和发展具有自主知识产权的卫星导航系统。
支撑新一代北斗卫星导航系统这一空间信息基础设施的核心元器件至关重要。宇航上应用的芯片,要具有抗辐射等特殊性能,这对于卫星长寿命、高可靠稳定运行具有至关重要的作用。
北斗卫星要实现大规模组网,更需要能有保障其长期稳定运行的宇航用高端芯片。航天772所成立于1994年,主要研制生产宇航用高端芯片。
因为空间环境非常复杂,由于恶劣辐射影响,导致星上电路性能甚至整个电路失效,从而对卫星造成“致命”打击已是“家常便饭”。给电路穿上厚厚的“外衣”,会导致器件增重;改变制造工艺实现抗辐射需求,会造成投入巨大。集成电路抗辐射加固技术已成为世界航天的核心共性基础技术,各国航天科学家都在苦苦探索,怎样才能低成本地拿出抗辐射加固芯片。

一条独特的技术发展路径

针对空间恶劣辐射环境,航天772所从1998年开始,以抗辐射加固设计技术为突破,开创性走出了采用设计加固方法进行抗辐射加固集成电路研制的技术路线。
这是一个先进、便利而又未增加成本的技术发展思路:利用普通集成电路制造生产线,不改变其工艺流程和规范,在设计前端通过对器件、电路和系统的设计加固,在设计环节而非制造环节实现抗辐射特性,研制出“抗辐射加固”的宇航集成电路,从而为我国宇航用高端集成电路实现自主可控奠定了技术基础。
因空间宇宙射线而产生的卫星单粒子效应表明,若不采取措施,将造成整个卫星的故障,“北斗”将无法正常稳定组网。在此次执行新一代北斗卫星元器件国产化任务之前,772所承担了以北斗导航为代表的三个重点宇航型号九款抗辐射加固百万门级专用集成电路(ASIC)研制。九款ASIC已随北斗等11颗卫星发射上天。最长在轨已近4年,最短也已在轨2年以上,均运行良好。
772所是国内第一家成系统地选择这种技术途径的研制单位,通过21年的耕耘,他们把这一技术思路发展建设成为可以实际应用的平台。抗辐射设计加固技术平台就像一片“沃土”,在此技术平台的基础上,772所迄今已研制成功200多种抗辐射加固集成电路,并出口到德国和俄罗斯,实现了宇航集成电路迈向国际的首次突破。

航天人的“中国芯”之梦

让国产卫星能够自信地使用国产元器件,是航天人的梦想。
抗辐射加固宇航用CPU是卫星的核心芯片,任务是接收地面指令、处理载荷数据、管理控制姿态等,相当于卫星的大脑,它的核心地位和复杂性使它成为体现宇航元器件水平的代表。此次在北斗双星和“远征一号”上面级上担当主纲的CPU芯片,只有拇指甲盖大小,却是航天772所历时10年研制成功的,圆了航天人的“中国芯”之梦。
这是一条艰苦的探索之路。从1994年研究所诞生至1999年开始理清技术途径,2001年做出芯片样品,2003年中国第一块超大规模集成电路上天,元器件国产化的步伐一步步迈出。
2005年,在天上工作了两年的772所研制的两款国产化电路,由于表现不错,获得各方信任。在这以后,型号单位又向772所提出了新的任务需求,772所又用了将近两年的时间,将第二批七、八款芯片随星上天,运行情况依旧“相当不错”。
直到2009年到2010年,替代国外芯片上星运行后,国产芯片的空间表现进一步获得各方认可。2011年,772所研制的国产空间用CPU随试验卫星升空,这是我国自主研制的首枚32位空间用CPU,是卫星最核心的元器件。

攻关的日子

2011年,772所承担起新一代北斗导航卫星近40款国产化电路的研发和生产任务。时间紧、任务重,技术难度大、供货量大,生产高峰期集中、设备场地产能不足,一系列难题让772所面临着考验。
迎难而上,772所紧急成立了北斗导航卫星工程元器件国产化项目团队。团队涉及多个管理、设计以及生产部门。作为元器件单位,772所首次对该专项任务采用型号管理模式,实行“两总”管理,成立专项型号办公室,任命总指挥和总师等序列。项目团队的电路设计人员为尽可能将电路设计阶段的时间节点提前,加班加点早已是家常便饭,团队采购了睡袋、食品等放在办公室。有的员工由于持续工作时间太久,甚至出现了晕厥的情况。
近40款电路相当于卫星的“大脑”和“神经”,要万无一失地应用在新一代“北斗”上,压力巨大。772所由40多名青年员工组成的封装组承担着这数十种电路的生产任务。为突破生产瓶颈,班组积极开展“大干一百天”,举行各种劳动竞赛。晚上,每当机器设备结束运转,总能在操作间看到团队成员围坐在一起,积极、热烈地讨论问题。
对每位项目团队成员来说,那段难忘的攻关时光充满着拼搏和疲惫。如今,772所数十款国产化芯片已随新一代北斗导航卫星发射上天。这在天上闪烁的“明星”,是项目团队收获的丰硕果实,也是772所为元器件国产化贡献的一份力量。

《中国航天》2015年第9期
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