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郭衍瑩:從武器裝備的觀點,看當前我國芯片問題
點擊:  作者:郭衍瑩    來源:品察天下  發布時間:2018-08-30 11:55:59

 

       86日,在位于江西南昌高新區的高端芯片設備企業——南昌中微半導體設備有限公司,工程師調試LED高端設備MOCVD

一、現代先進武器裝備為何越來越依賴高端芯片

什么是高端芯片?這在國際上并無嚴格定義和統一說法。現在人們一般所說芯片是指在硅塊上集成的電路。那么高端芯片就是泛指在普通芯片基礎上又有質的飛躍,就是集成度更高,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年代就廣泛采用各種芯片。但新世紀以來進入信息化戰爭和網絡化戰爭時代,武器系統中電子設備的比重迅速增加,對高端芯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信息化作戰的要求設計的戰斗機,因為它可以與目前美軍的作戰體系實現無縫兼容。作戰時F-35是作為一個信息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享信息。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芯片

 

在導彈、雷達和空天防御武器領域,用得最多的高端芯片,除了常用的高速高精度ADC/DAC芯片外,大致還有三方面,一是武器計算機本身芯片。尤其是彈上、機上計算機,對芯片的要求極其嚴苛。二是通訊芯片;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采用的,美商務部屢屢點名的DSP(數字信號處理)和FPGA(現場可編程門陣列)芯片了。

現代武器系統中的電子設備,其主要任務簡言之就是接受信息,經處理和快速運算后輸出指令,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。因此要求信息處理芯片具有實時,快速,大容量計算功能。

 

廣大的設計人員是芯片的用戶,當然是拿來主義譬如FPGADSP,美國著名的FPGA廠商,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芯片基礎上得到的;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),它的火控雷達信號處理也采用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。但俄是用小規模集成電路(IC)來組成。

一個距離通道就得做成一個機柜,而美國只需用一片FPGADSP芯片(以及高速高精度ADC/DAC芯片)和一塊印制電路板。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,并不妨礙他的S-300S-400成為世界一流的防空導彈系統。

 

世界TOP半導體公司在華收入情況。

二、為什么我們造不出美國人那樣的芯片?

我從沒有從事過半導體和芯片的專業。沒有資格對當前芯片問題說三道四。但能從用戶角度反映一些使用情況和意見。

2018418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么我們造不出美國人那樣的芯片?。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信息。

 

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芯片(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)。

 

20154月美國商務部決定向中國有關四個單位禁售有關芯片后,2016年研發的神威·太湖之光超級計算機才搭載了全國產的芯片(作者注:應為國產CPU“申威26010”。所謂搭載是否指用了一部分?)。

最后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芯片的發展。

大家知道,芯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。

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芯片(如英特爾的Xeon),攻克高端芯片技術難關;并提出不怕多次失敗,最終定能取勝。

但也有一些專家和經濟學家認為做芯片不如買芯片,也就是所謂用市場換技術論;并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。這就使中國的芯片產業遺憾地錯過了一個機遇。

最近臺灣一家媒體(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持還遠遠超過臺灣。半導體技術是門需要刻苦和長期聚焦鉆研的學問。尖端技術攻關需要科技人員有高度敬業精神。但現在,在制程和高檔集成電路方面,大陸的確還比不上臺灣(?)。

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鉆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,熱衷于盡快發財。一些媒體有自吹自擂的習慣,自認為早已是世界第一

文章最后提出謙虛地學與問并長期聚焦專注,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芯片問題,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芯片看作一種戰備物資。每次對我們制裁、禁售都借口出于國家安全

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斗導航系統展開辯論。

有些學者表示反對,理由是全世界都在利用美國的GPS,搞北斗耗資大,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。

90年代后的一些局部戰爭,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,并施放加密干擾,證明主張北斗上馬的同志的意見是正確的。

三、前蘇聯和俄羅斯微電子、芯片技術落后的經驗教訓

前蘇聯和俄羅斯微電子技術和芯片水平差,原因復雜。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制(即 1,0-1而不是二進制的1,0),與國際普遍推行的二進制不兼容,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。蘇聯解體后導致半導體產業碎片化。加以俄經歷十年經濟休克時期,經濟恢復遲緩,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。

俄沒有高端芯片為何仍能頻頻推出世界一流的新武器裝備?

 

2014年烏克蘭危機后至今,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。

如在空天防御方面,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戰斗值班等等。西方記者渲染:俄羅斯頻頻發出令人不寒而栗的提醒!

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芯片。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芯片危機?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。

充分利用俄在導彈飛行力學、慣性制導技術和器件,發動機,微波電真空技術,模擬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。

如作者在芯片危機一文中曾舉例,俄用他激晶體振蕩器作為中頻信號積累,其體積甚至比集成電路還小,就是一個典型的成功例子。俄科技人員揚長避短,一方面是出于無奈,但另方面卻促使模擬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。

后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。例如在空天防御武器領域,從俄高層領導到導彈系統總設計師,他們清醒地認識到俄的基礎工業遠遜于美國,應該實事求是發展自己的空天防御武器。

 

他們有二條不成文的設計準則:

一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。

二是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,而不刻意追求采用先進元器件和先進技術,不在乎外貌有點傻、大、粗。然后由總師們綜合出主要性能突出,水平世界一流的防空導彈武器系統。

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,并宣稱有很多方面已經或早已超過美國。實際上就拿高端芯片來說,要承認我們和美國的差距是需要長期艱苦奮斗才可能趕上的。

即使到那時也不能設想所有高端品種芯片全部趕超美國,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,他不在乎所用芯片水平是否世界第一。

要自主創新還得有敢于創新的精神。

 

比如S-300系統的設計,他們敢于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。不僅是元器件研制和供應都很困難。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制作也沒有把握(要求在幾米大的測試架上的采樣頭在任意點作三維移動時,定位精度不大于百分之一的波長,即0.3mm)。

但俄羅斯敢于搶先占領這一技術高點,并且是世界上第一個研制出大型X波段的近場測試系統。

另外關于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上正式采用時,他大加贊揚俄科技人員的創新精神和毅力。并在會上作了這樣一段有意思的講話:

西方的相控陣雷達研制者們,自1960年以來就一直全神貫注于分支饋電的設計,都傾向于忽視和拒絕這種空間饋電的途徑。…….1988年時還自以為是認為空間饋電技術不夠成熟。…….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。

由于俄基礎科研非常扎實,大家相信,只要俄經濟進一步好轉,他的微電子技術和高端芯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信息化、網絡化武器的瓶頸。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于創新的設計思想和精神,而不是去仿效他的具體做法。

四、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并不是第一次。

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里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)。

一些專家則發愁后繼無人。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后,晶體管要比集成電路落后,集成電路又比芯片落后。需要的話可以花錢去國外市場買。直到后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集成電路產業促進大會20162017年二屆我的一位學生都參加了。他回來后向我們轉達大會情況和我國芯片產業的尷尬處境。

2017年我國集成電路產業產值達5000億人民幣,約占全球份額的11%,而我國的臺灣卻占到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,而臺灣有臺積電等三家入圍。

我國每年進口的美國半導體產品,主要是高端芯片,達2300億美元,堪比我軍一年的經費。美國的幾家芯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,揮起知識產權大棒,一會要禁售這家,一會要制裁那家,目的就是扼殺我國的芯片產業,而將核心技術永遠掌握在他們手中。

此次芯片事件,固然是壞事,但處理得當也很有可能成為我國高端芯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,大干一番。會上更有一批海歸人員,他們中有些在國外從事芯片技術多年,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,相信中國高端芯片很快將崛起。

作者:航天科工二院 郭衍瑩

主要參考資料

1]《世界防空反導導彈手冊》航天科工情報資料研究所,宇航出版社,2010

2]郭衍瑩:俄羅斯研發防空導彈武器系統的指導準則和設計思想。《國防科技》雜志20113期,p.1

3Merrill.Skolnik. Introuction to Radar Systems,third edition. 斯科爾尼克主編.雷達系統導論[M.第三版(英文版).北京: 電子工業出版社,2007.

4Barton.D.K, Recent Developments in Russian Radar SystemC,2002 IEEE International Radar Conference ,p.340

5]經濟觀察報記者 李紫宸報道:2018418日中國科研專家圓桌會:為什么我們造不出美國人那樣的芯片?

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