航天科工二院 郭衍莹
现代先进武器装备为何越来越依赖高端芯片
什么是高端芯片? 这在国际上并无严格定义和统一说法. 现在人们一般所说芯片是指在硅块上集成的电路. 那么高端芯片就是泛指在普通芯片基础上又有质的飞跃, 就是集成度更高, 速度更快, 功能更强, 甚至可以现场编程的数字逻辑电路或专用电路. 现代武器装备早在上世纪90年代就广泛采用各种芯片. 但新世纪以来进入信息化战争和网络化战争时代, 武器系统中电子设备的比重迅速增加, 对高端芯片的需求也迅速增加. 以美国第五代战机F-35为例, 它被称为世界上第一款完全按照信息化作战的要求设计的战斗机, 因为它可以与目前美军的作战体系实现 '无缝兼容' . 作战时F-35是作为一个信息作战的一个节点而存在. 机上装备的综合电子战系统设计目的就是最大限度地增强飞行员对整个战场态势的感知能力; 其单机的电子战能力甚至能达到专业电子战机的性能. 一旦发生战争, F-35在美军的作战体系中, 能够与空中, 海上所有美国武器装备共享信息. 它如何做到这些呢? 国外权威的《简氏防务年鉴》上说它 '浑身上下都装了芯片' !
在导弹, 雷达和空天防御武器领域, 用得最多的高端芯片, 除了常用的高速高精度ADC/DAC芯片外, 大致还有三方面, 一是武器计算机本身芯片. 尤其是弹上, 机上计算机, 对芯片的要求极其严苛. 二是通讯芯片; 是很多武器通信控制中心的支柱. 如美国萨德中的C2BMC, 靠它实现全球联网. 第三要算美国雷达中大量采用的, 美商务部屡屡点名的DSP (数字信号处理) 和FPGA (现场可编程门阵列) 芯片了.
现代武器系统中的电子设备, 其主要任务简言之就是接受信息, 经处理和快速运算后输出指令, 去控制执行部件. 以现代雷达为例, 其数据率高达每秒数十次, 也就是零点几秒就要运算完一次. 因此要求信息处理芯片具有实时, 快速, 大容量计算功能. 目前最常用的算法是卷积运算和富利哀变换. 这二种运算都是大量的相乘和累加的迭代过程, 用现代信号处理芯片最简便. 现代信号处理芯片自1982年推出至今, 已经历五代产品, 它与过去高速微处理器有很大的不同: 一是它能在一个指令周期内完成32位乘法和累加运算, 时间只需1-2纳秒; 二是多功能; 且可并行处理; 三是采用所谓 '哈佛结构' . 它是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构. 具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线, 两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用. 这样也就克服了数据流传输的瓶颈, 极大地提高了运算速度.
至于FPGA, 它包含大量门电路, 使芯片更集成化, 速度更快, 可靠性更高. 尤其是具有系统内可再编程 (可再配置) 的能力, 包括可编程逻辑块, 可编程I/O和可编程内部连线. 作为信息处理, FPGA大有取代DSP的趋势.
广大的设计人员是芯片的用户, 当然是 '拿来主义' . 譬如FPGA或DSP, 美国著名的FPGA厂商, 如Xilinx (中文名赛灵思公司) , Altera公司等都在中国设立销售机构, 供货充足, 服务周全, 连开发工具都已为你准备好. 每推出一个新型号就免费为你培训, 大 大方便你的设计工作, 甚至可以做出很多 '创新' . 当然这些公司赚得盆满钵满, 这大约就是一些人所说的 '双赢' . 一位资深院士说得好: 现在不少成果都是建立在使用国外芯片基础上得到的; 而且动辄宣称世界第一, 这不就是 '拿别人昨天的东西来打扮自已的明天' !
我们从S-300已公开的资料图片中看到 (如俄罗斯售给希腊的S-300-2系统) , 它的火控雷达信号处理也采用FFT技术. 雷达每一距离通道也是通过FFT运算实现多普勒速度支路. 但俄是用小规模集成电路 (IC) 来组成. 一个距离通道就得做成一个机柜, 而美国只需用一片FPGA或DSP芯片 (以及高速高精度ADC/DAC芯片) 和一块印制电路板. 所以俄罗斯的电子设备常给人以傻, 大, 粗的感觉, 常被国内一些学者瞧不起. 但俄有他的办法, 并不妨碍他的S-300和S-400成为世界一流的防空导弹系统.
为什么我们造不出美国人那样的芯片?
我从没有从事过半导体和芯片的专业. 没有资格对当前芯片问题说三道四. 但能从用户角度反映一些使用情况和意见. 2018年4月18日, 即美国宣布 '禁售' 令的第二天, 中科院计算所召开一场在京专家圆桌会议, 会议的名称就是 '为什么我们造不出美国人那样的芯片? ' . 但据到会《经济观察报》记者的报道, 会上专家们讨论了一整天, 众说纷纭, 还是没能得出一个正面回答. 不过会议还是反映了一些重要信息. 例如有专家举中国的超级计算机为例, 它以运算速度最快在国际比赛中多次拿到第一. 但据该专家透露, 前面六次用的都是美国的芯片 (作者注: 应指 '天河二号' 超级计算机的六连冠, 使用了80000块英特尔公司的Xeon) . 2015年4月美国商务部决定向中国有关四个单位禁售有关芯片后, 2016年研发的 '神威·太湖之光' 超级计算机才 '搭载了全国产的芯片' (作者注: 应为国产CPU '申威26010' . 所谓 '搭载' 是否指用了一部分? ) . 最后在国际比赛中以每秒9.3亿亿次的浮点运算速度再次夺冠. 因此该专家说 '禁售' 也是一剂催化剂, 使科研人员有了危机感, 在某种程度上就加速了中国自主芯片的发展.
大家知道, 芯片产业是个需要前期大量资金和人才投入的行业, 是个投资回报周期比较长的行业; 更是需要薪火相传, 几代人坚持不懈, 辛勤劳动, 迭代创新的积累, 才能发展到今天的巅峰. 会上就有专家指出, 目前国际上的半导体行业巨头几乎都在上个世纪七八十年代起步, 用漫长的时间和巨量的人才投入, 换来了今天的技术积累. 中国的半导体产业遗憾地错过了一个黄金的年代, 改革开放后, 虽然我们也没少花力气, 并且在中低档芯片领域也取得令世人瞩目的成就. 但对高端芯片的开发, 要靠市场竞争机制, 就很难赶上美国的水平了.
到了上世纪90年代, 也曾有一些有远见的科学家如倪光南等人主张自主核心技术, 提出要瞄准美国的主要核心芯片 (如英特尔的Xeon) , 攻克高端芯片技术难关; 并提出不怕多次失败, 最终定能取胜. 但也有一些专家和经济学家认为做芯片不如买芯片, 也就是所谓 '用市场换技术' 论; 并说不用担心美国会轻易放弃中国这样巨大市场和巨额利润. 一些主张市场导向的领导也顾忌投入大, 风险大. 这就使中国的芯片产业再次遗憾地错过了一个机遇.
最近台湾一家媒体 (中时电子报) 发表了题为 '两岸半导体启示录' 一文, 对这个问题发表直截了当的看法. 文章大意是: 两岸都很重视半导体产业, 起步也差不多 (同时分别从日本的NEC和美国RCA引进生产线) . 大陆政府对半导体的支持还远远超过台湾. 半导体技术是门需要刻苦和长期聚焦钻研的学问. 尖端技术攻关需要科技人员有高度敬业精神. 但现在, 在制程和高档集成电路方面, 大陆的确还比不上台湾 (? ) . 原因之一是大陆年轻科技人员都在国有企业, 没有危机感. 自然也没有紧迫感, 又怕艰苦, 不去也不需要去深入钻研其中的深奥原理和关键技术. 一部分年轻人敬业精神太差, 热衷于尽快发财. 一些媒体有自吹自擂的习惯, 自认为早已是世界第一. 文章最后提出 '谦虚地学与问并长期聚焦专注, 是成功的不二法门' . 这篇文章提出的论点还是客观的, 值得我们思考.
从武器装备角度来看当前芯片问题, 我总觉得有些专家学者的考虑缺乏一个重要因素, 就是 '战备' . 美国人就把芯片看作一种战备物资. 每次对我们制裁, 禁售都借口 '出于国家安全' . 当今美国的大战略是遏制中国, 他能允许中美双赢的局面长期下去吗? 这就使我们想起上世纪80年代, 国内曾就我国要不要搞自己的北斗导航系统展开辩论. 有些学者表示反对, 理由是全世界都在利用美国的GPS, 搞北斗耗资大, 即使建成将来市场也竞争不过美国. 再则GPS不可能关闭或加密, 这样美国自己也没法使用了. 但90年代后的一些局部战争, 以及一些国家的军事演习, 美国都有针对性地关闭GPS有关功能, 并施放加密干扰, 证明主张北斗上马的同志的意见是正确的.
前苏联和俄罗斯微电子, 芯片技术落后的经验教训
前苏联和俄罗斯微电子技术和芯片水平差, 原因复杂. 但据俄文献说法, 主要原因有三: 一是上世纪60年代世界性的由电子管转向半导体. 原苏联高层听信了半导体抗核辐射远不如电子管的说法, 竭力主张发展小型电子管. 这就使苏联从一开始就错过黄金机遇. 二是苏联推行一段时间的 '三进制' (即+1, 0, -1而不是二进制的1, 0) , 与国际普遍推行的二进制不兼容, 浪费了很多时间和精力. 三是原苏联为了平衡各加盟国利益, 将微电子产业分布各加盟国. 苏联解体后导致半导体产业碎片化. 加以俄经历十年经济休克时期, 经济恢复迟缓, 无力全面重振昔日辉煌. 所以在核心技术问题上犯方向性错误, 损失常常是巨大的. 他山之石可以攻玉, 这些教训使我们避免重蹈覆辙.
俄没有高端芯片为何仍能频频推出世界一流的新武器装备?
从2014年乌克兰危机后至今, 俄罗斯经受西方一轮又一轮的制裁, 但却仍能一批又一批推出世界一流的新武器. 如在空天防御方面, 有第五代战机苏-57投产, 有第四代防空系统S-400的服役, 第五代防空系统S-500打靶成功, 以及新一代战略反导系统A-235战斗值班等等. 西方记者渲染: 俄罗斯 '频频发出令人不寒而栗的提醒! ' . 所以有读者提出疑问, 俄基础工业水平差, 微电子技术又一直是俄罗斯的短板. 俄罗斯推出这些世界一流的新武器, 又缺乏世界一流的微电子技术和高端芯片. 俄罗斯又强调自力更生基本上不使用外国的元器件 (西方也禁售高端电子器件) . 俄罗斯科技人员是如何解决这一矛盾的?
我曾在 '俄尖端武器研发为何没有芯片危机? ' 一文中初步剖析俄如何解决这个矛盾. 简言之就是依靠 '自主创新' 的思想. 再具体说, 一是靠科技人员 '扬长避短' 的设计思想. 充分利用俄在导弹飞行力学, 惯性制导技术和器件, 发动机, 微波电真空技术, 模拟电路等基础技术优势, 依靠俄科技人员聪明才智, 弥补数字技术的不足. 这种弥补不是简单的替代, 而是一种创新. 如作者在 '芯片危机' 一文中曾举例, 俄用他激晶体振荡器作为中频信号积累, 其体积甚至比集成电路还小, 就是一个典型的成功例子. 俄科技人员扬长避短, 一方面是出于无奈, 但另方面却促使模拟电路技术有了新的发展和进步.
第二是靠科技人员 '系统第一' 的设计思想. 后者就是指 '武器部件的水平可以一般, 但系统水平, 包括武器系统性能指标和武器可靠性必须一流' . 例如在空天防御武器领域, 从俄高层领导到导弹系统总设计师, 他们清醒地认识到俄的基础工业远逊于美国, 应该实事求是发展自己的空天防御武器. 他们有二条不成文的设计准则: 一条是不能要求武器系统指标全面超过美国, 或者项项指标世界第一. 俄没有力量全面和美国拼比. 所以要抓住主要指标, 解决主要矛盾, 使主要指标世界领先. 第二不能要求系统中所有设备和部件都是一流的, 但要求各个设备自主创新, 尽量做到扬长避短. 主要追求实效和稳定, 高可靠, 而不刻意追求采用先进元器件和先进技术, 不在乎外貌有点 '傻, 大, 粗' . 然后由总师们综合出主要性能突出, 水平世界一流的防空导弹武器系统. 这一不成文法则被西方一些文献誉为俄罗斯研发武器的 '金科玉律' .
作者认为这一点对我们很有启示作用. 前一阶段, 我国的科技界表现出某种浮躁情绪, 就是各行各业都要全面赶超美国, 并宣称有很多方面已经或早已超过美国. 实际上就拿高端芯片来说, 要承认我们和美国的差距是需要长期艰苦奋斗才可能赶上的. 即使到那时也不能设想所有高端品种芯片全部赶超美国, 事实上只要一些主要品种赶上或接近世界一流水平就很不错了. 当然核心技术必须掌握在自己手中. 武器研发人员追求武器水平世界一流, 他不在乎所用芯片水平是否世界第一.
要自主创新还得有敢于创新的精神. 比如俄S-300系统的设计, 他们敢于创新的精神还是很值得我们借鉴的. 首先是波段选择, 美国的爱国者使用的是C波段. 而俄技术人员提出用更高的X波段, 以进一步提高雷达的性能. 但在当时有很大冒险性. 不仅是元器件研制和供应都很困难. 相控阵雷达需要的关键调试设备 'X波段大型天线近场测试系统' 的制作也没有把握 (要求在几米大的测试架上的采样头在任意点作三维移动时, 定位精度不大于百分之一的波长, 即0.3mm) . 但俄罗斯敢于抢先占领这一技术高点, 并且是世界上第一个研制出大型X波段的近场测试系统.
另外关于相控阵雷达天线馈电方式, 美国学者和工程界一直主张用分支馈电 (通过大量电缆或波导分支) 方式, 否定空间馈电方式. 但俄科技人员在空间馈电方面取得重大突破和成功. 本世纪初一次国际雷达年会上, 美国雷达专家巴登听了俄罗斯总师叶夫勒莫夫的报告, 知道空间馈电已在S-300上正式采用时, 他大加赞扬俄科技人员的创新精神和毅力. 并在会上作了这样一段有意思的讲话:
西方的相控阵雷达研制者们, 自1960年以来就一直全神贯注于分支馈电的设计, 都倾向于忽视和拒绝这种空间馈电的途径. ……. 到1988年时还自以为是认为空间馈电技术不够成熟. ……. 在1993-1994年由IEEEE相控阵天线发展的详细科目大纲中甚至没有提及空间馈电阵列. 西方雷达工程界的这种态度把发展的空间馈电阵列技术全部留给了俄罗斯工程师们, 使他们得以精力充沛地进入这个空白之地.
由于俄基础科研非常扎实, 大家相信, 只要俄经济进一步好转, 他的微电子技术和高端芯片技术一定会有新的发展和腾飞. 否则低水平的微电子技术或有可能成为俄进一步发展信息化, 网络化武器的瓶颈. 所以我们借鉴俄发展尖端武器的经验, 主要学习人家自主创新和敢于创新的设计思想和精神, 而不是去仿效他的具体做法.
我国微波电子管等核心器件走的弯路 也说明 '用市场换技术' 之路走不通
其实类似此次中兴事件的经验教训并不是第一次. 上世纪80-90年代, 当美苏等国正在化大力气研发新一代微波大功率电子管, 以装备新一代大功率雷达时, 我们却强调市场经济, 敲锣打鼓地去关闭掉不赚钱的电子管厂, 大学里关闭不受学生欢迎的电真空专业 (据说是微波有害, 电真空材料有害) . 一些专家则发愁后继无人. 在有些人脑中形成一个似是而非的概念: 电子管要比晶体管落后, 晶体管要比集成电路落后, 集成电路又比芯片落后. 需要的话可以花钱去国外市场买. 直到后来西方严禁向我国出售大功率微波电子管时, 才明白过来. 俄科技人员在这方面比我们聪明, 他们的微波电真空技术水平很高, 独树一帜, 在促进俄先进武器的发展上起了重大作用.
'爱国科学家齐发力 中国芯很快将崛起'
我国每年都由工信部举办 '中国集成电路产业促进大会' , 2016和2017年二届我的一位学生都参加了. 他回来后向我们转达大会情况和我国芯片产业的尴尬处境. 2017年我国集成电路产业产值达5000亿人民币, 约占全球份额的11%, 而我国的台湾却占到16%. 按营业收入排队, 全球前20名大半导体企业, 大陆一家没有, 而台湾有台积电等三家入围. 我国每年进口的美国半导体产品, 主要是高端芯片, 达2300亿美元, 堪比我军一年的经费. 美国的几家芯片巨头在中国市场无一例外赚得盆满钵满, 但多年来还多次以国家安全为由, 挥起知识产权大棒, 一会要禁售这家, 一会要制裁那家, 目的就是扼杀我国的芯片产业, 而将核心技术永远掌握在他们手中.
此次 '芯片事件' , 固然是坏事, 但处理得当也很有可能成为我国高端芯片发展的再一次黄金机遇. 据我学生所说, 二次会上很多科技人员表示要摩拳擦掌, 大干一番. 会上更有一批海归人员, 他们中有些在国外从事芯片技术多年, 回国想用自己专长报效祖国. 而且还号召仍在国外的同事不要错过机遇. 他们在会上还提出 '爱国科学家齐发力 中国芯很快将崛起' 的口号. 科技之争归根结底就是人才之争, 只要政策对头, 重视人才, 团结一切可以团结的力量, 相信中国高端芯片很快将崛起.