7月25日從西昌發射的兩顆新一代北斗導航衛星近日來成為國內各方關注的焦點。在這兩顆衛星和“遠征一號”火箭上，不僅100%使用了中國自主開發的宇航CPU芯片，還承載著數據總線電路、轉換器、存儲器等大量其他國產芯片。據了解，這是中國衛星第一次成體系地批量使用國產芯片。
“除了宇航CPU，我們還為北斗導航衛星和‘遠征一號’提供了近40款自主研發生產的產品。在上面級控制板上的15種電路中，我們提供了12種，可以說，我們的電路已經基本能構成單機單板的模式。”中國航天科技集團公司九院772所所長趙元富告訴記者。
12年磨一劍
自主研發CPU芯片
據記者了解，此次登星的宇航級國產CPU芯片，已經能夠達到與國際先進水平基本相當的產品性能。“在某些抗輻射指標上，我們應該比國外的一些產品還更有優勢。”趙元富補充道。
然而，研發出一款足以登上衛星的CPU芯片，遠不如想象中那么簡單。從2003年投入研制宇航級CPU芯片算起，772所用了12年的時間。
宇航用CPU是衛星的核心芯片，作為衛星的大腦和心臟，負責接收地面指令、處理載荷數據、管理控制姿態。由于其核心重要性，一旦出現問題，會影響整個衛星的功能運轉，對研發技術水平要求極高。因此，此前中國的宇航用CPU基本依靠進口。
本次登上北斗衛星的CPU芯片并不是中國第一款登上衛星的CPU。2006年，772所已研制出第一代CPU芯片。2011年，中國才出現了第一款隨試驗衛星升空的空間用CPU芯片，即772所研制的我國首枚32位空間用國產CPU。然而，那次只在試驗衛星的其中一個主機上使用了國產CPU芯片，并且仍然采用了進口芯片做備份。直到2015年此次的北斗雙星發射，中國衛星才真正100%采用了國產CPU芯片。
為了研發出足以替代進口芯片的國產CPU，772所放棄了中國研制自主元器件最普遍的道路——仿制后再創新，選擇了完全自主研發的道路。
面對研發難題，在2003年研制初期，幾乎所有人都在勸趙元富仿制國內衛星用的那款CPU，但趙元富并沒有照做。“當我們仿制出來的時候，人家下一代更新升級的CPU又出來了，也不會有人再愿意用我們仿制出來的產品。”趙元富向記者透露了當時的想法。
因此，從最開始，772所就將研發目標定在了當時的國際下一代CPU上。那時，下一代宇航用CPU還沒有實際產品出現，有的只是一個大致的思路和概念，例如主頻的提升，以及對內部架構和接口進行改進。
772所決定直接從國際下一代宇航用CPU做起，最終完成了兩款宇航用CPU產品。等到新產品研制成功，也剛好趕上了下一代衛星更新換代的時間，迎來了衛星用國產芯片大量替代進口芯片的機遇。
目前，772所更新升級的下一代CPU產品也已開發完成，預計到今年年底實現投片生產。相比現有的CPU產品，新產品的性能指標有了大幅度提高，CPU速度提升，處理性能增加，得以支持更高速度的接口。
宇航用芯片
必須保證安全可靠性
北斗衛星是772所遇到的最大機遇。我國一直在大力推進具有自主知識產權的“北斗”衛星導航系統的建設，為此要成批量地布置衛星。
“如果把核心器件寄托在進口芯片上，會有很大的風險，因此這是我們國產芯片的機遇。”趙元富強調。
但國產芯片也要具備足以登星的性能。據記者了解，宇航用CPU用于衛星內部控制，不追求運算速度，考慮到CPU性能要符合其衛星應用場景，要求其集成盡可能多的功能、提供盡可能豐富的控制接口、具備很強的可變換性、能夠抵抗空間惡劣的輻射環境。
尤其是抗輻射的特殊性能，對于衛星長壽命、高可靠穩定運行具有至關重要的作用。普通地面上所使用的芯片，必須經過特殊的加固措施，才能保持其在空間的使用，否則一旦上星，便會被射線、粒子影響，出現故障導致無法運轉。
針對空間惡劣的輻射環境，772所研發出了抗輻射加固設計技術，在設計階段通過對器件、電路和系統的設計加固實現抗輻射特性，研制出“抗輻射加固”的宇航集成電路。在抗輻射設計加固技術平臺的基礎上，772所還成功研制出了200多種抗輻射加固集成電路，奠定了衛星成體系使用國產芯片的基礎。
除抗輻射外，散熱也是宇航用芯片在空間應用環境中遇到的特殊考驗。“電路在地面應用時，熱量的釋放主要依靠熱輻射和熱傳導；在空間的真空狀態下，導熱效率極低，要將芯片工作時產生的熱量盡快釋放出去。”主管質量工作的772所黨委書記、總工藝師姚全斌告訴《中國電子報》記者。
面對電路散熱結構技術難題，772所的研發團隊通過芯片的功耗分析、封裝的熱設計和熱阻分析等方面，采用先進的陶瓷封裝，解決了核心器件應用在真空環境下的散熱問題，保證器件在惡劣環境下正常工作。
此外，為保證芯片使用的安全可靠，772所不僅考慮在設計環節消除任何暗藏隱患，還從外圍的軟件環境著手，與專門研制軟件的航天單位共同合作開發了相關應用軟件。就此為衛星提供了從芯片到軟件開發環境的一整套獨立自主體系，保證了衛星運行的安全可靠。
實現國產化
芯片軟件生態環境缺一不可
成立于1994年的772所，從創立初期就將研制宇航用芯片作為核心定位。但與其他芯片的遭遇相同，宇航用芯片也面臨著漫長的國產化道路。
2003年，772所研發了10年的第一款芯片才上天，這也是國內首款真正上天的大規模集成電路。2005年，已在天上運行了2年的國產化電路表現穩定，為772所獲取了各方信任，也贏來了型號單位新的任務需求。2年后，772所第二批的7~8款芯片上天。2009年，又有少量芯片替代國外芯片上星。
趙元富告訴記者，衛星麻雀雖小，但五臟俱全，需要用到CPU、存儲器、接口電路、FPGA等各類型集成電路。只做一兩款產品解決不了衛星的需求，也滿足不了研發單位經濟上的生存需要。因此，必須同時研制各類產品，才能成體系地提供芯片給衛星使用。但這對于一個單位來說要覆蓋的產品面太寬，實施起來相當困難。
更重要的是，單一的芯片研發不足以支撐國產產品對進口產品的替代。“想要實現一款宇航用CPU的國產化，最大的問題不是研制好芯片本身，而是必須共同建立起國產化的芯片、軟件和生態環境，缺一不可。”趙元富向記者強調。
這也是所有國產芯片共同面臨的痛點。培養整個用戶群習慣，比做一款CPU芯片要難得多。但幸運的是，對于772所來說，宇航用芯片要面對的生態環境遠比通用級芯片簡單得多。宇航用芯片的生態環境相對封閉，相關航天用戶單位僅20余家，針對的也是專業用戶，只要有好用的開發環境，就可以開始構建國產化的生態環境。
隨著越來越多的芯片上天，航天單位對772所的芯片信任度也逐步提高，772所開始承擔以北斗導航為代表的3個重點宇航型號九款抗輻射加固百萬門級ASIC研制。目前，北斗等11顆衛星已攜帶9款ASIC上天，最長在軌已近4年。
隨著此次航天級CPU和批量芯片的成功上星，772所開始不滿足于航天領域，還打算涉足工控領域。從一個行業的成功使用，再普及到其他行業領域，一個行業一個行業地突破，形成正循環，應當是中國芯片國產化道路最容易突破的方式。
工控行業是772所順理成章的選擇，同樣面對專業用戶，需要附加值高、以技術為核心競爭力的產品，這正是772所最大的優勢。目前，772所已開始和中國電子信息產業集團有限公司等相關單位聯手推動普及工控級CPU。