免費服務熱線:400-0755-667 直線電話:17817818586

        中國航天微電子技術發展現狀及趨勢調研

        來源:高瞻智庫  瀏覽數:  發表日期:
          一、航天微電子器件國產化工作的迫切需求
          目前,我國航天事業蓬勃發展,在2022年左右中國將擁有自己的空間站,開展空間實驗和探索太空在國防等方面的應用。我國航天事業處于重要的戰略機遇期,正處于從航天大國向航天強國轉變的重要階段。在航天事業發展前期,航天產品的元器件大多依賴進口,隨著國際環境的緊張,歐美等國對我國實施關鍵元器件的禁運,嚴重影響了航天工程的進度,并在戰時可能成為制約我軍戰斗力的決定性因素。為了實現我國從航天大國向航天強國的夢想,為了在戰時掌握主動權,避免受制于人,必須大力推進航天關鍵元器件的國產化。
         ?。?、航天關鍵元器件國產化現狀
          我國關鍵元器件的國產化已經有多年的歷史,并取得了豐碩的成果。隨著國外先進生產線、工藝線的引進和國內相關科研機構的努力,眾多航天產品使用的芯片都實現了自主設計、流片、封裝到自主測試、驗證和環境適應性篩選等過程,完成國產化的進程。國產的SOC、FPGA、高速AD、DA、DSP等紛紛涌現,使眾多航天產品都裝上了“中國芯”,航天設備的國產化率正在一步步的提高。但隨著航天產品轉型期對芯片的要求和國外對我國航天關鍵元器件的禁運,國內生產軍用電子元器件的企業普遍起步晚,基礎薄弱,工藝水平比較落后,某些領域與國外差距較大,國產元器件存在的問題也就凸顯出來。
         ?。?)關鍵元器件還沒有實現完全的國產化
          國外對一些關鍵元器件實施禁運后,經調研發現國內的一些產品在相關領域還是空白,或國內相關器件的性能和穩定性方面無法滿足現有航天產品的要求,只能依賴國外的進口。也有一些設計機構和生產廠家可以提供與國外產品類似的產品,但不能滿足完全的插拔替代,在使用的過程中需要進行相應的處理、規避或犧牲部分功能及參數。這些存在的問題對于長期使用國外相關產品的設計師是一個很大的挑戰,在使用的過程中可能由于長期積累的使用慣性而在國產元器件的使用過程中產生誤用情況等,給航天事業造成不可預估的損失。另外,有部分元器件是國內還沒有類似的產品,由于設計水平的原因,或是工藝等的問題,這類產品在國內尚無法達到工程應用的水平。這部分產品則要引起國內相關器件供應單位的高度重視,投人大量人力、財力和物力去攻克難關,實現器件從無到有的過程中可能還需要申請國家相關政策的支持。
         ?。?)關鍵元器件的設計存在缺陷
          國產元器件在設計初期主要走借鑒、引用和集成創新等思路,是在國外芯片的基礎上進行設計的,難免存在沒有吃透設計原理的情況,只追求形似而忽略了基本的原理性設計。這就為后續的問題埋下伏筆。還有很大一部分元器件采取的是正向的設計,但由于對國外的設計原理或技術掌握不到位,還不能完全自主正向設計。這類器件的現狀是既借鑒了國外成熟產品的相關設計,又加人了部分自己的設計思想,與國內外目前成熟的元器件之間存在差異,沒有形成使用的標準化,且在使用說明方面不可能完善的向用戶說明清楚,并向用戶著重提醒在實際使用中與傳統或常規設計思路的區別,常常造成使用錯誤等嚴重的問題。
          隨著我國航天事業的蓬勃發展和國內外環境的變化,必須走出一條航天關鍵元器件國產化的創新之路,才能滿足航天產品的國產化率,避免受制于人的局面。在關鍵元器件國產化的過程中需要國內設計水平的提高、工藝技術的提升和對元器件充分的應用驗證,并鼓勵和促進國產元器件在實際工程中的大量使用,以促進國產元器件產業的良性發展。
          二、航天型號元器件國產流程及應用驗證
          目前,國內由于國家加大投資力度和相關部門的重視,國產關鍵元器件自主能力得到了空前的提高。國內有多家單位已經具備了獨立設計、驗證、生產和篩選等能力,基本上實現了產業的相互競爭和促進的良性循環。但在國產元器件的使用過程中還是出現了一些不可預知的問題,給航天工程的進程造成了一定的影響。究其原因,主要是相對于國外同類產品,由于起步較晚,技術和經驗的積累不夠等因素,在芯片的應用驗證中不可能全面覆蓋芯片在實際工程中的應用環境,系芯片應用驗證不充分的問題。應用驗證不充分是指芯片在使用之前沒有掌握芯片在未來使用環境或應用設計方案中的功能和性能,沒有考核芯片在實際使用環境中的各項性能指標,無法知曉芯片在實際使用過程中的表現是否滿足系統實現的要求。應用驗證不充分還表現在芯片由于設計或工藝的問題存在缺陷,在應用驗證的過程中由于無法模擬實際的應用環境而沒有變現出來。歸納起來芯片應用驗證不充分主要表現在芯片在使用過程中會出現不可預知的問題,這給設計和排故增加了難度。國外的同類產品在設計應用初期也存在這樣那樣的問題,但由于在應用驗證過程中發現了一些問題如果不是致命的可以通過更改使用方案或軟件規避、打補丁等方法以不斷的規避和改善。
          1、關鍵元器件應用驗證方法探討
          為了提高國產關鍵元器件應用驗證的覆蓋性,要求芯片設計單位在設計過程中全面的驗證,在應用驗證設計中盡可能的覆蓋芯片的實際應用環境,在篩選等過程中嚴格把關,同時也需要使用單位的配合,加大國產元器件的使用數量和使用頻率,將使用過程中出現的問題反饋給芯片設計單位,在產品的升級換代中解決出現的問題。
         ?。?)國產元器件的應用驗證技術
          目前,對國產的應用驗證技術主要有基于芯片單片的板級驗證技術、基于芯片的半實物仿真驗證的系統級應用驗證和依托國家重點項目的基于所產芯片設計原型機級的應用驗證技術。
          1)芯片的板級應用驗證設計以芯片為核心的應用驗證系統板,使系統板在正常工作的條件下,通過軟件和硬件相互配合,結合芯片驗證外部所需激勵、接口、數據等對芯片進行系統板級應用的測試和驗證,并在應用驗證覆蓋率涵蓋芯片所有的功能模塊。板級應用驗證系統的組成框圖如下圖所示。
          圖表:國產元器件板級應用驗證系統組成

          數據來源:高瞻智庫
          2)半實物仿真系統應用驗證
          以所產芯片為核心,根據芯片在實際工程中的應用,搭建系統的半實物仿真應用環境,通過模擬芯片的實際應用環境和各種極限使用環境等,驗證芯片在形成各種系統時的功能和性能,增加芯片實際應用驗證的覆蓋性。半實物仿真系統[4<是指采用仿真設備為被測對象構建物理環境,并與物理模型和數學模型一起開展仿真試驗的系統。以目前盛行的制導武器為例,從硬件的角度,半實物仿真系統一般由五個部分組成:
         ?。?)仿真設備:各種目標模擬器、仿真計算機、飛行模擬轉臺、線加速度模擬器、負載力矩模擬器、衛星導航信號模擬器等;
         ?。?)參試部件:制導控制計算機、陀螺儀、組合導航系統、舵機等;
         ?。?)各種接口設備:模擬量接口、數字量接口、實施數字通信系統等;
         ?。?)試驗控制臺:監視控制試驗狀態進程的裝置,包括試驗設備、試件狀態信號監視系統、設備試件狀態控制系統、仿真試驗進程控制系統等;
         ?。?)支持服務系統:如顯示、記錄、文檔處理等事后處理軟件系統等。
          以上各個部分的連接關系如下圖所示:
          圖表:半實物仿真系統組成和連接關系

          資料來源:高瞻智庫
          在半實物仿真系統中,在平臺上預留芯片功能的外部接口,根據實際工程中芯片的使用情況由仿真設備提供接口模擬信號,用不同接口模擬信號的組合以涵蓋芯片實際工程應用中的系統設計,達到盡可能大的驗證覆蓋性。
          仿真設備可以由各種信號發生器或傳感器等信號源構成,可以模擬芯片在實際系統使用過程中的外部接口信號。
          控制臺通過接口與參試部件和仿真設備互聯,控制整個測試過程,將相應的測試結果進行數據打包或后處理,發至支持服務系統進行顯示、輸出等處理。
          2、原型機級的芯片實際工程應用驗證
          以國家重大專項和重點型號為依托,以所產芯片為核心,形成實際工程應用的原型機,考察芯片在系統平臺上的使用情況,驗證芯片在實際應用中的功能和性能。
          應用驗證條件
          目前,關于國產關鍵元器件的應用驗證可分為3個階段。
          第一階段建立軟硬件平臺實現元器件的功能性應用驗證。
          在提供芯片使用說明的基礎上,設計驗證方案,結合芯片在設計后端的原型驗證和芯片在流片后的中測和成測結果,設計芯片應用驗證的硬件系統和軟件系統。結合示波器、邏輯分析儀、PC機等設備,配合長期積累下來的芯片測試驗證程序,可完成對國產芯片的常規應用驗證測試。
          第二階段半實物仿真系統驗證。
          結合芯片未來的使用環境,搭建基于芯片的模擬實際工程應用環境和模擬極限應用環境等。通過半實物仿真技術靈活多變和模擬實際應用等特點,驗證芯片在搭建實際系統中的功能和性能,考察元器件在極限測試、壓力測試和環境測試等條件下性能是否滿足實際應用的要求。
          第三階段是依托國家重點型號和重大項目的原型機驗證。
          以國產關鍵元器件為核心,以國家重大項目原型機為依托,設計芯片與其他元器件一起協同工作和在各種環境下的實際使用情況。結合具體國家重點型號,以系統為平臺,以自研元器件為主要考察對象,設計原型機進行國軍標所要求的諸項試驗和實際項目的中應用驗證,驗證芯片在系統工程中的功能和性能。
        博发