讓中國航天用上“中國芯”

“我們的目標，是讓中國航天都用上自己研發的芯片。”在今年中國航天日來臨前夕的采訪中，中國航天科技集團公司九院七七二所原所長趙元富對記者說。

作為我國航天微電子領域的技術帶頭人，趙元富帶領抗輻射集成電路技術創新團隊取得諸多成果：成功研制了具有國際先進水平的FPGA、CPU、ASIC等多款宇航核心集成電路產品，實現了我國宇航集成電路研制能力的跨越式發展，已在我國北斗導航、載人航天、探月等重大航天工程使用，并進入國際市場。趙元富因此獲得“2019年度航天功勛獎”榮譽稱號。

一開始就瞄準國際前沿技術

對于在宇宙空間應用的芯片而言，具有抗輻射等特殊性能是必需的。因為宇宙空間環境極為復雜，大量的空間粒子輻射會導致衛星上電路性能退化甚至功能失效，對衛星造成致命傷害。

“航天器上使用的芯片，被喻為‘衛星大腦’，要經受太空嚴酷環境的考驗。”趙元富說，“抗輻射集成電路是太空探索的共性基礎技術，實現自主可控是建設航天強國的關鍵，受到國家的高度重視。為了實現中國航天芯片的自主可控，我們20多年來一直在潛心鉆研和不懈攻關。”

在研制初期，他們的團隊就把目標鎖定在自主研發國際新一代宇航用CPU上，而非走仿制之路。趙元富對記者坦言：“我們一開始就瞄準國際先進的前沿技術，不走仿制的道路。仿制也需要時間和極大的成本，而且即便仿出來了，國外更新升級的CPU又出來了，仿制的產品沒有競爭優勢。”

這個中央處理器，看起來只有拇指甲大小，卻有著大腦的復雜和精細。由于研發初期，當時國際上新一代的宇航用CPU并沒有實際產品，只有大致的思路和概念，一切都幾乎從零開始。

以承擔我國首個集成電路設計加固技術研究課題為契機，航天七七二所成立了以趙元富為帶頭人的抗輻射加固集成電路技術創新團隊。

“從這個項目立項算起，也是十年磨一劍。”談起首枚國產CPU研制的艱辛歷程時，趙元富說，“航天事業聚集起一批科學家，他們一直把航天當作自己畢生事業，持之以恒，總能找到突破之路。”

解決抗輻射芯片設計的重大技術難題

航天芯片抗輻射該怎么做？以往有個笨辦法——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，成為困擾世界各國科學家的難題。

1999年，趙元富團隊提出采用低成本的“設計加固”思路，即只需利用民用集成電路制造生產線，通過設計環節而非制造環節就能研制出抗輻射的宇航集成電路。

這樣一來，抗輻射難度就全部轉移到了芯片設計上，而抗輻射芯片設計又是個世界性難題。

面對航天工程的迫切需求，趙元富和他的團隊首先選取“王冠上的鉆石”——抗輻射中央處理器作為技術應用的核心攻關產品，并進行了大量的技術試驗。

為了打造可靠的“中國芯”，抗輻射芯片都要經過地面模擬太空輻射環境下的試驗驗證與評估。為完成更多產品的輻射試驗，團隊成員需要盡快進入密封的真空輻射罐中，更換剛剛輻射完的試驗樣品，再準備下一輪試驗。而每次輻射試驗一般至少需要24小時，甚至幾天不間斷進行。為了試驗的“無縫對接”，團隊成員餓了吃泡面，困了打地鋪，連續緊盯幾十個小時，成了家常便飯。

十年后，趙元富團隊研制的國產CPU獲得了成功，不僅速度高、接口類型更多、可變性更強，也更適合衛星不同功能組件的需求。

如今“中國芯”表現越來越出色，大幅提升了宇航集成電路國產化率。除CPU外，北斗衛星上的數據總線電路、轉換器、存儲器等數十款產品均為七七二所研制和生產，單顆北斗導航衛星使用團隊研制的電路達數十款、1000余只，為北斗導航核心元器件國產化率100%發揮了關鍵作用。實現了中國衛星成體系批量使用國產芯片，對航天工程的自主可控和創新發展具有里程碑意義。

打造航天微電子領域的中國名片

“我們不僅是在產品上有創新，還通過機理揭示、技術發明、平臺開發、產品研制和型號應用的系統創新，實現了我國抗輻射加固集成電路研制能力的跨越發展。”趙元富說，“系統創新要有活潑的團隊文化，我們在團隊內部成立多學科融合的開放式學習小組，鼓勵學術爭鳴，十余年堅持不懈，為團隊技術創新提供了氛圍和源泉。”

“我們的團隊平均年齡34歲，現在以七七二所所長陳雷為代表的中青年技術骨干已經開始挑大梁，致力于打造航天微電子領域的中國名片。”趙元富告訴記者，航天科技集團九院七七二所抗輻射加固集成電路技術創新團隊組建經過20多年的磨礪、傳承和發展，已成為一支“老中青”結合、多專業融合、具有國際視野的技術創新人才隊伍。團隊將始終以“創新引領，鑄芯航天”為使命，建設成為我國抗輻射加固集成電路領域的專業人才成長搖籃，力爭成為國際領先的抗輻射加固集成電路技術創新團隊，為國防安全建設、人類太空探索和航天技術應用持續貢獻力量。

 （本報記者 袁于飛）