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中国航天微电子技术发展现状及趋势调研

来源:高瞻智库  浏览数:  发表日期:
  一、航天微电子器件国产化工作的迫切需求
  目前,我国航天事业蓬勃发展,在2022年左右中国将拥有自己的空间站,开展空间实验和探索太空在国防等方面的应用。我国航天事业处于重要的战略机遇期,正处于从航天大国向航天强国转变的重要阶段。在航天事业发展前期,航天产品的元器件大多依赖进口,随着国际环境的紧张,欧美等国对我国实施关键元器件的禁运,严重影响了航天工程的进度,并在战时可能成为制约我军战斗力的决定性因素。为了实现我国从航天大国向航天强国的梦想,为了在战时掌握主动权,避免受制于人,必须大力推进航天关键元器件的国产化。
  1、航天关键元器件国产化现状
  我国关键元器件的国产化已经有多年的历史,并取得了丰硕的成果。随着国外先进生产线、工艺线的引进和国内相关科研机构的努力,众多航天产品使用的芯片都实现了自主设计、流片、封装到自主测试、验证和环境适应性筛选等过程,完成国产化的进程。国产的SOC、FPGA、高速AD、DA、DSP等纷纷涌现,使众多航天产品都装上了“中国芯”,航天设备的国产化率正在一步步的提高。但随着航天产品转型期对芯片的要求和国外对我国航天关键元器件的禁运,国内生产军用电子元器件的企业普遍起步晚,基础薄弱,工艺水平比较落后,某些领域与国外差距较大,国产元器件存在的问题也就凸显出来。
  (1)关键元器件还没有实现完全的国产化
  国外对一些关键元器件实施禁运后,经调研发现国内的一些产品在相关领域还是空白,或国内相关器件的性能和稳定性方面无法满足现有航天产品的要求,只能依赖国外的进口。也有一些设计机构和生产厂家可以提供与国外产品类似的产品,但不能满足完全的插拔替代,在使用的过程中需要进行相应的处理、规避或牺牲部分功能及参数。这些存在的问题对于长期使用国外相关产品的设计师是一个很大的挑战,在使用的过程中可能由于长期积累的使用惯性而在国产元器件的使用过程中产生误用情况等,给航天事业造成不可预估的损失。另外,有部分元器件是国内还没有类似的产品,由于设计水平的原因,或是工艺等的问题,这类产品在国内尚无法达到工程应用的水平。这部分产品则要引起国内相关器件供应单位的高度重视,投人大量人力、财力和物力去攻克难关,实现器件从无到有的过程中可能还需要申请国家相关政策的支持。
  (2)关键元器件的设计存在缺陷
  国产元器件在设计初期主要走借鉴、引用和集成创新等思路,是在国外芯片的基础上进行设计的,难免存在没有吃透设计原理的情况,只追求形似而忽略了基本的原理性设计。这就为后续的问题埋下伏笔。还有很大一部分元器件采取的是正向的设计,但由于对国外的设计原理或技术掌握不到位,还不能完全自主正向设计。这类器件的现状是既借鉴了国外成熟产品的相关设计,又加人了部分自己的设计思想,与国内外目前成熟的元器件之间存在差异,没有形成使用的标准化,且在使用说明方面不可能完善的向用户说明清楚,并向用户着重提醒在实际使用中与传统或常规设计思路的区别,常常造成使用错误等严重的问题。
  随着我国航天事业的蓬勃发展和国内外环境的变化,必须走出一条航天关键元器件国产化的创新之路,才能满足航天产品的国产化率,避免受制于人的局面。在关键元器件国产化的过程中需要国内设计水平的提高、工艺技术的提升和对元器件充分的应用验证,并鼓励和促进国产元器件在实际工程中的大量使用,以促进国产元器件产业的良性发展。
  二、航天型号元器件国产流程及应用验证
  目前,国内由于国家加大投资力度和相关部门的重视,国产关键元器件自主能力得到了空前的提高。国内有多家单位已经具备了独立设计、验证、生产和筛选等能力,基本上实现了产业的相互竞争和促进的良性循环。但在国产元器件的使用过程中还是出现了一些不可预知的问题,给航天工程的进程造成了一定的影响。究其原因,主要是相对于国外同类产品,由于起步较晚,技术和经验的积累不够等因素,在芯片的应用验证中不可能全面覆盖芯片在实际工程中的应用环境,系芯片应用验证不充分的问题。应用验证不充分是指芯片在使用之前没有掌握芯片在未来使用环境或应用设计方案中的功能和性能,没有考核芯片在实际使用环境中的各项性能指标,无法知晓芯片在实际使用过程中的表现是否满足系统实现的要求。应用验证不充分还表现在芯片由于设计或工艺的问题存在缺陷,在应用验证的过程中由于无法模拟实际的应用环境而没有变现出来。归纳起来芯片应用验证不充分主要表现在芯片在使用过程中会出现不可预知的问题,这给设计和排故增加了难度。国外的同类产品在设计应用初期也存在这样那样的问题,但由于在应用验证过程中发现了一些问题如果不是致命的可以通过更改使用方案或软件规避、打补丁等方法以不断的规避和改善。
  1、关键元器件应用验证方法探讨
  为了提高国产关键元器件应用验证的覆盖性,要求芯片设计单位在设计过程中全面的验证,在应用验证设计中尽可能的覆盖芯片的实际应用环境,在筛选等过程中严格把关,同时也需要使用单位的配合,加大国产元器件的使用数量和使用频率,将使用过程中出现的问题反馈给芯片设计单位,在产品的升级换代中解决出现的问题。
  (1)国产元器件的应用验证技术
  目前,对国产的应用验证技术主要有基于芯片单片的板级验证技术、基于芯片的半实物仿真验证的系统级应用验证和依托国家重点项目的基于所产芯片设计原型机级的应用验证技术。
  1)芯片的板级应用验证设计以芯片为核心的应用验证系统板,使系统板在正常工作的条件下,通过软件和硬件相互配合,结合芯片验证外部所需激励、接口、数据等对芯片进行系统板级应用的测试和验证,并在应用验证覆盖率涵盖芯片所有的功能模块。板级应用验证系统的组成框图如下图所示。
  图表:国产元器件板级应用验证系统组成

  数据来源:高瞻智库
  2)半实物仿真系统应用验证
  以所产芯片为核心,根据芯片在实际工程中的应用,搭建系统的半实物仿真应用环境,通过模拟芯片的实际应用环境和各种极限使用环境等,验证芯片在形成各种系统时的功能和性能,增加芯片实际应用验证的覆盖性。半实物仿真系统[4<是指采用仿真设备为被测对象构建物理环境,并与物理模型和数学模型一起开展仿真试验的系统。以目前盛行的制导武器为例,从硬件的角度,半实物仿真系统一般由五个部分组成:
  (1)仿真设备:各种目标模拟器、仿真计算机、飞行模拟转台、线加速度模拟器、负载力矩模拟器、卫星导航信号模拟器等;
  (2)参试部件:制导控制计算机、陀螺仪、组合导航系统、舵机等;
  (3)各种接口设备:模拟量接口、数字量接口、实施数字通信系统等;
  (4)试验控制台:监视控制试验状态进程的装置,包括试验设备、试件状态信号监视系统、设备试件状态控制系统、仿真试验进程控制系统等;
  (5)支持服务系统:如显示、记录、文档处理等事后处理软件系统等。
  以上各个部分的连接关系如下图所示:
  图表:半实物仿真系统组成和连接关系

  资料来源:高瞻智库
  在半实物仿真系统中,在平台上预留芯片功能的外部接口,根据实际工程中芯片的使用情况由仿真设备提供接口模拟信号,用不同接口模拟信号的组合以涵盖芯片实际工程应用中的系统设计,达到尽可能大的验证覆盖性。
  仿真设备可以由各种信号发生器或传感器等信号源构成,可以模拟芯片在实际系统使用过程中的外部接口信号。
  控制台通过接口与参试部件和仿真设备互联,控制整个测试过程,将相应的测试结果进行数据打包或后处理,发至支持服务系统进行显示、输出等处理。
  2、原型机级的芯片实际工程应用验证
  以国家重大专项和重点型号为依托,以所产芯片为核心,形成实际工程应用的原型机,考察芯片在系统平台上的使用情况,验证芯片在实际应用中的功能和性能。
  应用验证条件
  目前,关于国产关键元器件的应用验证可分为3个阶段。
  第一阶段建立软硬件平台实现元器件的功能性应用验证。
  在提供芯片使用说明的基础上,设计验证方案,结合芯片在设计后端的原型验证和芯片在流片后的中测和成测结果,设计芯片应用验证的硬件系统和软件系统。结合示波器、逻辑分析仪、PC机等设备,配合长期积累下来的芯片测试验证程序,可完成对国产芯片的常规应用验证测试。
  第二阶段半实物仿真系统验证。
  结合芯片未来的使用环境,搭建基于芯片的模拟实际工程应用环境和模拟极限应用环境等。通过半实物仿真技术灵活多变和模拟实际应用等特点,验证芯片在搭建实际系统中的功能和性能,考察元器件在极限测试、压力测试和环境测试等条件下性能是否满足实际应用的要求。
  第三阶段是依托国家重点型号和重大项目的原型机验证。
  以国产关键元器件为核心,以国家重大项目原型机为依托,设计芯片与其他元器件一起协同工作和在各种环境下的实际使用情况。结合具体国家重点型号,以系统为平台,以自研元器件为主要考察对象,设计原型机进行国军标所要求的诸项试验和实际项目的中应用验证,验证芯片在系统工程中的功能和性能。