拐進(jìn)熱鬧的北京南中軸線，進(jìn)入中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院旁邊的一處院子，頓時(shí)清靜了許多。梧桐綠意盎然，科研樓錯(cuò)落有致。在這里，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司九院772所所長(zhǎng)趙元富團(tuán)隊(duì)研制出的國(guó)產(chǎn)CPU芯片，首次全部使用在新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上。為了這一天，趙元富和他的團(tuán)隊(duì)走過(guò)了10年。
此次登上北斗雙星的宇航級(jí)國(guó)產(chǎn)CPU芯片，產(chǎn)品性能已基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。“在某些抗輻射指標(biāo)上，我們比國(guó)外的一些產(chǎn)品還更有優(yōu)勢(shì)。”趙元富自信地說(shuō)。
一條道路
核心芯片關(guān)乎信息安全，要掌握核心技術(shù)只能走自主研發(fā)之路
趙元富是江西進(jìn)賢人，還是放牛娃時(shí)，他就一直好奇半導(dǎo)體收音機(jī)何以能發(fā)出響聲，上大學(xué)時(shí)，他選了半導(dǎo)體物理和器件專(zhuān)業(yè)。1983年，趙元富在我國(guó)著名航天微電子技術(shù)專(zhuān)家黃敞先生的指導(dǎo)下攻讀碩士學(xué)位，開(kāi)始從事抗輻射技術(shù)研究，從此，他越來(lái)越深刻地認(rèn)識(shí)到抗輻射技術(shù)對(duì)國(guó)家航天發(fā)展的重要作用。“核心技術(shù)是無(wú)法依靠別人的，這是基礎(chǔ)能力。”趙元富回憶道。
信息安全是國(guó)家戰(zhàn)略問(wèn)題，其硬件支撐就是核心芯片。目前，我國(guó)芯片主要依賴(lài)進(jìn)口，我國(guó)每年因芯片進(jìn)口要花費(fèi)2000多億美元，和進(jìn)口石油的花費(fèi)差不多。對(duì)于空間應(yīng)用的芯片而言，還要具有抗輻射等特殊性能。因?yàn)橛钪婵臻g環(huán)境極為復(fù)雜，大量的空間粒子輻射會(huì)導(dǎo)致星上電路性能退化甚至功能失效，對(duì)衛(wèi)星造成致命打擊。
“但除了航天員，誰(shuí)也沒(méi)有去過(guò)太空。”要在地球上把太空里可能遇到的問(wèn)題想清楚，難度可想而知。
拿芯片來(lái)說(shuō)，百姓日常使用的手機(jī)等電子產(chǎn)品被稱(chēng)為“電子行業(yè)”。而航天器上使用的芯片要經(jīng)受太空嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)，因其特殊需求被稱(chēng)為“行業(yè)電子”。1996年，趙元富得到一次出國(guó)研究的機(jī)會(huì)，在兩年多研究中，他更清晰地看到了國(guó)內(nèi)外抗輻射技術(shù)的巨大差距。面對(duì)外國(guó)導(dǎo)師提供的工作機(jī)會(huì)，趙元富最終還是選擇回國(guó)，對(duì)他而言，回國(guó)無(wú)需答案，既然選擇了研發(fā)“中國(guó)芯”，就得走到底。
“這個(gè)被喻為衛(wèi)星大腦和心臟的家伙，體現(xiàn)了中國(guó)航天的核心基礎(chǔ)技術(shù)能力。”趙元富自豪地說(shuō)，“為了實(shí)現(xiàn)中國(guó)航天芯片的自主可控，不管多難，我們都要想辦法。”
一大難題
堅(jiān)持了十?dāng)?shù)年，只為攻克芯片設(shè)計(jì)難關(guān)，用低成本研制抗輻射芯片
要讓航空芯片抗輻射，應(yīng)該怎么做？以往有個(gè)笨辦法——給電路穿上厚厚的“外衣”，但這將使器件重量大幅增加；另外，還可以試著改變制造工藝，但這樣投入巨大。如何低成本地研制出抗輻射芯片，成為困擾世界各國(guó)科學(xué)家的難題。
1998年回國(guó)后，趙元富帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)鉆研我國(guó)星用元器件抗輻射方面的技術(shù)特點(diǎn)和落后原因，1999年，他提出一個(gè)低成本的“設(shè)計(jì)加固”思路，即加固集成電路研制的技術(shù)路線，只需利用民用集成電路制造生產(chǎn)線，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)而非制造環(huán)節(jié)就能研制出抗輻射的宇航集成電路。
這樣一來(lái)，抗輻射難度就全部轉(zhuǎn)移到了芯片設(shè)計(jì)上，而抗輻射芯片設(shè)計(jì)又是個(gè)世界性難題。趙元富團(tuán)隊(duì)剛開(kāi)始工作兩三年，都沒(méi)理出頭緒。為了打造高可靠的“中國(guó)芯”，772所的抗輻射芯片都要經(jīng)過(guò)地面模擬太空輻射環(huán)境下的試驗(yàn)驗(yàn)證與評(píng)估。為完成更多產(chǎn)品的輻射試驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)成員需要盡快進(jìn)入密封的真空輻射罐中，更換剛剛輻射完的試驗(yàn)樣品，再準(zhǔn)備下一輪試驗(yàn)。而每次輻射試驗(yàn)一般至少需要24小時(shí)，甚至幾天不間斷進(jìn)行。為了試驗(yàn)的“無(wú)縫對(duì)接”，團(tuán)隊(duì)成員餓了吃泡面，困了打地鋪，連續(xù)緊盯幾十個(gè)小時(shí)，成了家常便飯。
堅(jiān)定、堅(jiān)持、堅(jiān)守，就這樣靜靜守候在抗輻射技術(shù)領(lǐng)域十?dāng)?shù)年，趙元富和他的團(tuán)隊(duì)在抗輻射技術(shù)領(lǐng)域發(fā)表學(xué)術(shù)論文600余篇，取得各類(lèi)專(zhuān)利200多項(xiàng)。如今，772所已構(gòu)建了我國(guó)獨(dú)具特色的抗輻射集成電路研制平臺(tái)。
一個(gè)夢(mèng)想
要自主不要仿制，把航天當(dāng)作畢生事業(yè)，自主研發(fā)總能找到出路
“既要仰望星空，又要腳踏實(shí)地”。要讓“中國(guó)芯”在太空閃耀，趙元富和他的團(tuán)隊(duì)首先選取“王冠上的鉆石”——抗輻射中央處理器作為技術(shù)應(yīng)用的核心攻關(guān)產(chǎn)品。
在研制初期就把目標(biāo)鎖定在自主研發(fā)國(guó)際新一代宇航用CPU上，而非走仿制之路，趙元富深思熟慮，“我們仿出來(lái)了，人家更新升級(jí)的CPU又出來(lái)了，仿制的產(chǎn)品沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。”
這個(gè)中央處理器，看起來(lái)只有拇指甲大小，卻有著大腦的復(fù)雜和精細(xì)。由于研發(fā)初期，當(dāng)時(shí)國(guó)際上新一代的宇航用CPU并沒(méi)有實(shí)際產(chǎn)品，只有大致的思路和概念，一切都幾乎從零開(kāi)始。“從我們開(kāi)始抗輻射技術(shù)的研究算起，至今15年了。如果從這個(gè)項(xiàng)目立項(xiàng)算起，也是十年磨一劍。”談起首枚國(guó)產(chǎn)CPU研制的坎坷歷程時(shí)，趙元富卻說(shuō)得云淡風(fēng)輕，“航天事業(yè)聚集起一批科學(xué)家，他們一直把航天當(dāng)作自己畢生事業(yè)，持之以恒，總能找到些出路。”
趙元富團(tuán)隊(duì)研制的這枚國(guó)產(chǎn)CPU，不僅速度更高、接口類(lèi)型更多、可變性更強(qiáng)，也更適合衛(wèi)星不同功能組件的需求。“做好一款國(guó)產(chǎn)宇航用CPU，不僅要把芯片本身做好，還要構(gòu)建‘芯片+軟件+生態(tài)環(huán)境’的國(guó)產(chǎn)化模式。”對(duì)于“中國(guó)芯”，趙元富有更深遠(yuǎn)的考慮。
正因此，如今“中國(guó)芯”表現(xiàn)越來(lái)越出色。除CPU外，此次北斗雙星上的數(shù)據(jù)總線電路、轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器等近40款產(chǎn)品均為772所研制和生產(chǎn)，這也是中國(guó)衛(wèi)星首次成體系地批量使用國(guó)產(chǎn)芯片，對(duì)航天工程的自主可控和創(chuàng)新發(fā)展具有里程碑意義。“衛(wèi)星麻雀雖小，五臟俱全。”趙元富笑言，“只有建立相對(duì)獨(dú)立、完整的產(chǎn)品體系，才能讓衛(wèi)星高可靠運(yùn)行更有保障。”
不僅如此，772所研制的宇航用集成電路還獲得國(guó)外訂單。從原來(lái)“引進(jìn)來(lái)”到現(xiàn)在“走出去”，趙元富期待能見(jiàn)證我國(guó)航天微電子發(fā)展的重要跨越。