航天科工二院 郭衍瑩
現代先進武器裝備為何越來越依賴高端晶片
什麼是高端晶片? 這在國際上並無嚴格定義和統一說法. 現在人們一般所說晶片是指在矽塊上整合的電路. 那麼高端晶片就是泛指在普通晶片基礎上又有質的飛躍, 就是整合度更高, 速度更快, 功能更強, 甚至可以現場編程的數字邏輯電路或專用電路. 現代武器裝備早在上世紀90年代就廣泛採用各種晶片. 但新世紀以來進入資訊化戰爭和網路化戰爭時代, 武器系統中電子設備的比重迅速增加, 對高端晶片的需求也迅速增加. 以美國第五代戰機F-35為例, 它被稱為世界上第一款完全按照資訊化作戰的要求設計的戰鬥機, 因為它可以與目前美軍的作戰體系實現 '無縫相容' . 作戰時F-35是作為一個資訊作戰的一個節點而存在. 機上裝備的綜合電子戰系統設計目的就是最大限度地增強飛行員對整個戰場態勢的感知能力; 其單機的電子戰能力甚至能達到專業電子戰機的性能. 一旦發生戰爭, F-35在美軍的作戰體系中, 能夠與空中, 海上所有美國武器裝備共用資訊. 它如何做到這些呢? 國外權威的《簡氏防務年鑒》上說它 '渾身上下都裝了晶片' !
在飛彈, 雷達和空天防禦武器領域, 用得最多的高端晶片, 除了常用的高速高精度ADC/DAC晶片外, 大致還有三方面, 一是武器計算機本身晶片. 尤其是彈上, 機上計算機, 對晶片的要求極其嚴苛. 二是通訊晶片; 是很多武器通信控制中心的支柱. 如美國薩德中的C2BMC, 靠它實現全球聯網. 第三要算美國雷達中大量採用的, 美商務部屢屢點名的DSP (數字訊號處理) 和FPGA (現場可編程門陣列) 晶片了.
現代武器系統中的電子設備, 其主要任務簡言之就是接受資訊, 經處理和快速運算後輸出指令, 去控制執行部件. 以現代雷達為例, 其數據率高達每秒數十次, 也就是零點幾秒就要運算完一次. 因此要求資訊處理晶片具有即時, 快速, 大容量計算功能. 目前最常用的演算法是卷積運算和富利哀變換. 這二種運算都是大量的相乘和累加的迭代過程, 用現代訊號處理晶片最簡便. 現代訊號處理晶片自1982年推出至今, 已經曆五代產品, 它與過去高速微處理器有很大的不同: 一是它能在一個指令周期內完成32位乘法和累加運算, 時間只需1-2納秒; 二是多功能; 且可並行處理; 三是採用所謂 '哈佛結構' . 它是一種將程序指令存儲和數據存儲分開的存儲器結構. 具有一條獨立的地址匯流排和一條獨立的數據匯流排, 兩條匯流排由程序存儲器和數據存儲器分時共用. 這樣也就克服了數據流傳輸的瓶頸, 極大地提高了運算速度.
至於FPGA, 它包含大量門電路, 使晶片更整合化, 速度更快, 可靠性更高. 尤其是具有系統內可再編程 (可再配置) 的能力, 包括可編程邏輯塊, 可編程I/O和可編程內部連線. 作為資訊處理, FPGA大有取代DSP的趨勢.
廣大的設計人員是晶片的用戶, 當然是 '拿來主義' . 譬如FPGA或DSP, 美國著名的FPGA廠商, 如Xilinx (中文名賽靈思公司) , Altera公司等都在中國設立銷售機構, 供貨充足, 服務周全, 連開發工具都已為你準備好. 每推出一個新型號就免費為你培訓, 大 大方便你的設計工作, 甚至可以做出很多 '創新' . 當然這些公司賺得盆滿缽滿, 這大約就是一些人所說的 '雙贏' . 一位資深院士說得好: 現在不少成果都是建立在使用國外晶片基礎上得到的; 而且動輒宣稱世界第一, 這不就是 '拿別人昨天的東西來打扮自已的明天' !
我們從S-300已公開的資料圖片中看到 (如俄羅斯售給希臘的S-300-2系統) , 它的火控雷達訊號處理也採用FFT技術. 雷達每一距離通道也是通過FFT運算實現多普勒速度支路. 但俄是用小規模整合電路 (IC) 來組成. 一個距離通道就得做成一個機櫃, 而美國只需用一片FPGA或DSP晶片 (以及高速高精度ADC/DAC晶片) 和一塊印製電路板. 所以俄羅斯的電子設備常給人以傻, 大, 粗的感覺, 常被國內一些學者瞧不起. 但俄有他的辦法, 並不妨礙他的S-300和S-400成為世界一流的防空飛彈系統.
為什麼我們造不出美國人那樣的晶片?
我從沒有從事過半導體和晶片的專業. 沒有資格對當前晶片問題說三道四. 但能從用戶角度反映一些使用情況和意見. 2018年4月18日, 即美國宣布 '禁售' 令的第二天, 中科院計算所召開一場在京專家圓桌會議, 會議的名稱就是 '為什麼我們造不出美國人那樣的晶片? ' . 但據到會《經濟觀察報》記者的報道, 會上專家們討論了一整天, 眾說紛紜, 還是沒能得出一個正面回答. 不過會議還是反映了一些重要資訊. 例如有專家舉中國的超級計算機為例, 它以運算速度最快在國際比賽中多次拿到第一. 但據該專家透露, 前面六次用的都是美國的晶片 (作者注: 應指 '天河二號' 超級計算機的六連冠, 使用了80000塊英特爾公司的Xeon) . 2015年4月美國商務部決定向中國有關四個單位禁售有關晶片後, 2016年研發的 '神威·太湖之光' 超級計算機才 '搭載了全國產的晶片' (作者注: 應為國產CPU '申威26010' . 所謂 '搭載' 是否指用了一部分? ) . 最後在國際比賽中以每秒9.3億億次的浮點運算速度再次奪冠. 因此該專家說 '禁售' 也是一劑催化劑, 使科研人員有了危機感, 在某種程度上就加速了中國自主晶片的發展.
大家知道, 晶片產業是個需要前期大量資金和人才投入的行業, 是個投資回報周期比較長的行業; 更是需要薪火相傳, 幾代人堅持不懈, 辛勤勞動, 迭代創新的積累, 才能發展到今天的巔峰. 會上就有專家指出, 目前國際上的半導體行業巨頭幾乎都在上個世紀七八十年代起步, 用漫長的時間和巨量的人才投入, 換來了今天的技術積累. 中國的半導體產業遺憾地錯過了一個黃金的年代, 改革開放後, 雖然我們也沒少花力氣, 並且在中低檔晶片領域也取得令世人矚目的成就. 但對高端晶片的開發, 要靠市場競爭機制, 就很難趕上美國的水平了.
到了上世紀90年代, 也曾有一些有遠見的科學家如倪光南等人主張自主核心技術, 提出要瞄準美國的主要核心晶片 (如英特爾的Xeon) , 攻克高端晶片技術難關; 並提出不怕多次失敗, 最終定能取勝. 但也有一些專家和經濟學家認為做晶片不如買晶片, 也就是所謂 '用市場換技術' 論; 並說不用擔心美國會輕易放棄中國這樣巨大市場和巨額利潤. 一些主張市場導向的領導也顧忌投入大, 風險大. 這就使中國的晶片產業再次遺憾地錯過了一個機遇.
最近台灣一家媒體 (中時電子報) 發表了題為 '兩岸半導體啟示錄' 一文, 對這個問題發表直截了當的看法. 文章大意是: 兩岸都很重視半導體產業, 起步也差不多 (同時分別從日本的NEC和美國RCA引進生產線) . 大陸政府對半導體的支援還遠遠超過台灣. 半導體技術是門需要刻苦和長期聚焦鑽研的學問. 尖端技術攻關需要科技人員有高度敬業精神. 但現在, 在製程和高檔整合電路方面, 大陸的確還比不上台灣 (? ) . 原因之一是大陸年輕科技人員都在國有企業, 沒有危機感. 自然也沒有緊迫感, 又怕艱苦, 不去也不需要去深入鑽研其中的深奧原理和關鍵技術. 一部分年輕人敬業精神太差, 熱衷於儘快發財. 一些媒體有自吹自擂的習慣, 自認為早已是世界第一. 文章最後提出 '謙虛地學與問並長期聚焦專註, 是成功的不二法門' . 這篇文章提出的論點還是客觀的, 值得我們思考.
從武器裝備角度來看當前晶片問題, 我總覺得有些專家學者的考慮缺乏一個重要因素, 就是 '戰備' . 美國人就把晶片看作一種戰備物資. 每次對我們制裁, 禁售都借口 '出於國家安全' . 當今美國的大戰略是遏制中國, 他能允許中美雙贏的局面長期下去嗎? 這就使我們想起上世紀80年代, 國內曾就我國要不要搞自己的北鬥導航系統展開辯論. 有些學者表示反對, 理由是全世界都在利用美國的GPS, 搞北鬥耗資大, 即使建成將來市場也競爭不過美國. 再則GPS不可能關閉或加密, 這樣美國自己也沒法使用了. 但90年代後的一些局部戰爭, 以及一些國家的軍事演習, 美國都有針對性地關閉GPS有關功能, 並施放加密幹擾, 證明主張北鬥上馬的同志的意見是正確的.
前蘇聯和俄羅斯微電子, 晶片技術落後的經驗教訓
前蘇聯和俄羅斯微電子技術和晶片水平差, 原因複雜. 但據俄文獻說法, 主要原因有三: 一是上世紀60年代世界性的由電子管轉向半導體. 原蘇聯高層聽信了半導體抗核輻射遠不如電子管的說法, 竭力主張發展小型電子管. 這就使蘇聯從一開始就錯過黃金機遇. 二是蘇聯推行一段時間的 '三進位' (即+1, 0, -1而不是二進位的1, 0) , 與國際普遍推行的二進位不相容, 浪費了很多時間和精力. 三是原蘇聯為了平衡各加盟國利益, 將微電子產業分布各加盟國. 蘇聯解體後導致半導體產業碎片化. 加以俄經曆十年經濟休克時期, 經濟恢複遲緩, 無力全面重振昔日輝煌. 所以在核心技術問題上犯方向性錯誤, 損失常常是巨大的. 他山之石可以攻玉, 這些教訓使我們避免重蹈覆轍.
俄沒有高端晶片為何仍能頻頻推出世界一流的新武器裝備?
從2014年烏克蘭危機後至今, 俄羅斯經受西方一輪又一輪的制裁, 但卻仍能一批又一批推出世界一流的新武器. 如在空天防禦方面, 有第五代戰機蘇-57投產, 有第四代防空系統S-400的服役, 第五代防空系統S-500打靶成功, 以及新一代戰略反導系統A-235戰鬥值班等等. 西方記者渲染: 俄羅斯 '頻頻發出令人不寒而慄的提醒! ' . 所以有讀者提出疑問, 俄基礎工業水平差, 微電子技術又一直是俄羅斯的短板. 俄羅斯推出這些世界一流的新武器, 又缺乏世界一流的微電子技術和高端晶片. 俄羅斯又強調自力更生基本上不使用外國的元器件 (西方也禁售高端電子器件) . 俄羅斯科技人員是如何解決這一矛盾的?
我曾在 '俄尖端武器研發為何沒有晶片危機? ' 一文中初步剖析俄如何解決這個矛盾. 簡言之就是依靠 '自主創新' 的思想. 再具體說, 一是靠科技人員 '揚長避短' 的設計思想. 充分利用俄在飛彈飛行力學, 慣性制導技術和器件, 發動機, 微波電真空技術, 類比電路等基礎技術優勢, 依靠俄科技人員聰明才智, 彌補數字技術的不足. 這種彌補不是簡單的替代, 而是一種創新. 如作者在 '晶片危機' 一文中曾舉例, 俄用他激晶體振蕩器作為中頻訊號積累, 其體積甚至比整合電路還小, 就是一個典型的成功例子. 俄科技人員揚長避短, 一方面是出於無奈, 但另方面卻促使類比電路技術有了新的發展和進步.
第二是靠科技人員 '系統第一' 的設計思想. 後者就是指 '武器部件的水平可以一般, 但系統水平, 包括武器系統性能指標和武器可靠性必須一流' . 例如在空天防禦武器領域, 從俄高層領導到飛彈系統總設計師, 他們清醒地認識到俄的基礎工業遠遜於美國, 應該實事求是發展自己的空天防禦武器. 他們有二條不成文的設計準則: 一條是不能要求武器系統指標全面超過美國, 或者項項指標世界第一. 俄沒有力量全面和美國拼比. 所以要抓住主要指標, 解決主要矛盾, 使主要指標世界領先. 第二不能要求系統中所有設備和部件都是一流的, 但要求各個設備自主創新, 盡量做到揚長避短. 主要追求實效和穩定, 高可靠, 而不刻意追求採用先進元器件和先進技術, 不在乎外貌有點 '傻, 大, 粗' . 然後由總師們綜合出主要性能突出, 水平世界一流的防空飛彈武器系統. 這一不成文法則被西方一些文獻譽為俄羅斯研發武器的 '金科玉律' .
作者認為這一點對我們很有啟示作用. 前一階段, 我國的科技界表現出某種浮躁情緒, 就是各行各業都要全面趕超美國, 並宣稱有很多方面已經或早已超過美國. 實際上就拿高端晶片來說, 要承認我們和美國的差距是需要長期艱苦奮鬥才可能趕上的. 即使到那時也不能設想所有高端品種晶片全部趕超美國, 事實上只要一些主要品種趕上或接近世界一流水平就很不錯了. 當然核心技術必須掌握在自己手中. 武器研發人員追求武器水平世界一流, 他不在乎所用晶片水平是否世界第一.
要自主創新還得有敢於創新的精神. 比如俄S-300系統的設計, 他們敢於創新的精神還是很值得我們借鑒的. 首先是波段選擇, 美國的愛國者使用的是C波段. 而俄技術人員提出用更高的X波段, 以進一步提高雷達的性能. 但在當時有很大冒險性. 不僅是元器件研製和供應都很困難. 相控陣雷達需要的關鍵調試設備 'X波段大型天線近場測試系統' 的製作也沒有把握 (要求在幾米大的測試架上的採樣頭在任意點作三維移動時, 定位精度不大於百分之一的波長, 即0.3mm) . 但俄羅斯敢於搶先佔領這一技術高點, 並且是世界上第一個研製出大型X波段的近場測試系統.
另外關於相控陣雷達天線饋電方式, 美國學者和工程界一直主張用分支饋電 (通過大量電纜或波導分支) 方式, 否定空間饋電方式. 但俄科技人員在空間饋電方面取得重大突破和成功. 本世紀初一次國際雷達年會上, 美國雷達專家巴登聽了俄羅斯總師葉夫勒莫夫的報告, 知道空間饋電已在S-300上正式採用時, 他大加讚揚俄科技人員的創新精神和毅力. 並在會上作了這樣一段有意思的講話:
西方的相控陣雷達研製者們, 自1960年以來就一直全神貫注於分支饋電的設計, 都傾向於忽視和拒絕這種空間饋電的途徑. ……. 到1988年時還自以為是認為空間饋電技術不夠成熟. ……. 在1993-1994年由IEEEE相控陣天線發展的詳細科目大綱中甚至沒有提及空間饋電陣列. 西方雷達工程界的這種態度把發展的空間饋電陣列技術全部留給了俄羅斯工程師們, 使他們得以精力充沛地進入這個空白之地.
由於俄基礎科研非常紮實, 大家相信, 只要俄經濟進一步好轉, 他的微電子技術和高端晶片技術一定會有新的發展和騰飛. 否則低水平的微電子技術或有可能成為俄進一步發展資訊化, 網路化武器的瓶頸. 所以我們借鑒俄發展尖端武器的經驗, 主要學習人家自主創新和敢於創新的設計思想和精神, 而不是去仿效他的具體做法.
我國微波電子管等核心器件走的彎路 也說明 '用市場換技術' 之路走不通
其實類似此次中興事件的經驗教訓並不是第一次. 上世紀80-90年代, 當美蘇等國正在化大力氣研發新一代微波大功率電子管, 以裝備新一代大功率雷達時, 我們卻強調市場經濟, 敲鑼打鼓地去關閉掉不賺錢的電子管廠, 大學裡關閉不受學生歡迎的電真空專業 (據說是微波有害, 電真空材料有害) . 一些專家則發愁後繼無人. 在有些人腦中形成一個似是而非的概念: 電子管要比晶體管落後, 晶體管要比整合電路落後, 整合電路又比晶片落後. 需要的話可以花錢去國外市場買. 直到後來西方嚴禁向我國出售大功率微波電子管時, 才明白過來. 俄科技人員在這方面比我們聰明, 他們的微波電真空技術水平很高, 獨樹一幟, 在促進俄先進武器的發展上起了重大作用.
'愛國科學家齊發力 中國芯很快將崛起'
我國每年都由工信部舉辦 '中國整合電路產業促進大會' , 2016和2017年二屆我的一位學生都參加了. 他回來後向我們轉達大會情況和我國晶片產業的尷尬處境. 2017年我國整合電路產業產值達5000億人民幣, 約佔全球份額的11%, 而我國的台灣卻佔到16%. 按營業收入排隊, 全球前20名大半導體企業, 大陸一家沒有, 而台灣有台積電等三家入圍. 我國每年進口的美國半導體產品, 主要是高端晶片, 達2300億美元, 堪比我軍一年的經費. 美國的幾家晶片巨頭在中國市場無一例外賺得盆滿缽滿, 但多年來還多次以國家安全為由, 揮起智慧財產權大棒, 一會要禁售這家, 一會要制裁那家, 目的就是扼殺我國的晶片產業, 而將核心技術永遠掌握在他們手中.
此次 '晶片事件' , 固然是壞事, 但處理得當也很有可能成為我國高端晶片發展的再一次黃金機遇. 據我學生所說, 二次會上很多科技人員表示要摩拳擦掌, 大幹一番. 會上更有一批海歸人員, 他們中有些在國外從事晶片技術多年, 回國想用自己專長報效祖國. 而且還號召仍在國外的同事不要錯過機遇. 他們在會上還提出 '愛國科學家齊發力 中國芯很快將崛起' 的口號. 科技之爭歸根結底就是人才之爭, 只要政策對頭, 重視人才, 團結一切可以團結的力量, 相信中國高端晶片很快將崛起.