“芯片危机”会卷土重来吗?再论“俄尖端武器缘何没有芯片危机”

2020年05月09日10:24  来源:环球网
 

“芯片危机”会卷土重来吗?——再论“俄尖端武器缘何没有芯片危机?”

郭衍莹

前言

我于2018年8月9日曾在环球网上发表了“从武器装备的观点看当前芯片问题”一文(后有多家网站转载;有的将题目改为“俄尖端武器缘何没有芯片危机?”),受到不少读者的关注。很多读者认为,俄罗斯经济实力弱,微电子技术落后,又缺乏高端芯片,现又受北约制裁和重压,但仍能不断推出一批又一批世界一流的武器;尽管中俄体制不同,但俄罗斯的经验教训仍有很多值得我们借鉴之处。这一年多来,虽然从表面上看芯片危机似乎有所缓和,但中美贸易摩擦并未得到实质性解决。特朗普一再扬言:“此次贸易制裁不是结束,而是开端!”。近来尽管新冠病毒还在美国和全世界肆虐,美国遏制中国的企图一刻也没有消停。一些政客还不断制造舆论,扬言要在疫情过后谋求中美经济上完全脱钩。可以预见,新一轮的摩擦和更严厉的芯片制裁或在不久再度上演。而新的制裁将更着重于军用高端芯片(因为美国产品更具有垄断性)。为此我根据读者意见又做了些调研。这篇“再论”,就是想在原文基础上和大家作些进一步探讨;务求把一些基本问题弄清楚(如没有高端芯片对武器先进性影响多大?俄采取哪些重要措施弥补没有高端芯片带来的缺陷?发展军用高端芯片产业难点在那里?等等)。文中所举例子虽以国外相控阵雷达(俄S-300雷达和美国爱国者雷达)为例,但它有一定代表性。因为尖端武器(导弹、战机等)中电子设备的比重越来越大。读者可以触类旁通。

一、美国尖端武器(以雷达为例)中使用高端芯片情况

以美国爱国者防空导弹系统中的相控阵雷达为例。美国人的设计原则,就是利用最先进的技术,采用最先进的元器件,达到最先进的水平。它用一部雷达(多功能相控阵雷达)完成搜索、跟踪、照射、指导、火控等多种功能。而在雷达中用了大量高端芯片。除了天馈系统中的R/S(收/发)微波芯片外,视频以下电路基本上都采用高端数字芯片。除了必须用的高速高精度ADC/DAC芯片外,大致还有三方面,一是计算机芯片,大都是厂家设计的专用ASIC。二是通讯芯片;是很多武器通信控制中心的支柱。类似美国萨德中的C2BMC,靠它实现与其它爱国者雷达联网。第三要算微波以下信号处理部分大量密集采用的,美商务部曾屡屡点名的DSP(数字信号处理)和FPGA(现场可编程门阵列)一类芯片了。

雷达采用高端芯片后明显好处首先是体积重量大大减轻,使武器更轻巧、灵活。这对某些武器装备是至关重要的。其次,运行速度大大提高,使性能指标大幅度提高。最后,使武器更易于捡测、维修;从而提高了武器总体性能。

雷达中以信号处理部分用数字芯片最多。所谓信号处理就是将收到的目标信号从噪声中提取出来,测出它的距离、角度和速度,然后向导弹发出控制信号(指令)。大家知道,过去老雷达的信号处理是利用许多距离通道和数目众多的速度通道(多普勒滤波器),接收到的目标信号落入哪个距离通道和哪个速度滤波器中,就能知道目标的位置和速度。老方法不仅设备累赘,且速度较慢,精度有限。现代雷达的信号处理改用数字运算方法。而最常用的算法是和富利哀变换(FFT)运算,可以快速算出目标信号的多普勒频率有多大,然后根据多普勒效应的公式推算出目标速度。

这种运算其实就是大量的相乘和累加的迭代过程。目前一些先进雷达的数据率高达每秒数十次,也就是不到零点一秒整机就要完成一次运算和控制。因此要求信息处理芯片具有实时,快速,大容量计算功能。用现代信号处理芯片最简便不过了。国外的数字信号处理芯片(DSP芯片)水平首推美国公司产品。从1982年问世至今,已经历五代产品,它与过去高速微处理器有本质的不同:一是它能在一个指令周期内完成32位乘法和累加运算,时间还不到1纳秒;二是多功能;且可并行处理;三是采用所谓“哈佛结构”。它具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线,且各有各的存储器。这样也就克服了数据流传输的瓶颈,极大提高运算速度。近年来DSP芯片技术不断提高(最高时钟可达1GHz),产品不断更新。例如最新资料,某国外公司的产品,在100MHz操作指令下,完成32位1024FFT全部运算,仅需50微妙。

至于上世纪80年代末兴起的新型FPGA,它包含大量可编程的门电路(可多至20000门以上),使芯片更集成化,速度更快,可靠性更高。尤其是具有系统内可再编程(可重置)的能力,包括可编程逻辑块,可编程I/O和可编程内部连线。作为信息处理,DSP很多应用领域被FPGA所取代。

从应用角度来看,DSP适用于系统较低取样速率、低数据率、多条件操作和复杂的多算法任务;系统使用浮点。而FPAG适用于系统高速取样速率、高数据率、框图方式编程、处理任务固定或重复。系统使用定点。所以二者作用可以互补。实际上目前常用的软件平台就是FPGA+DSP结构。FPGA主要对高速数据进行预处理,降低数据的速率,然后将数据送给DSP,去实现复杂的算法。

二、俄罗斯雷达没有高端芯片对武器先进性的影响。

美国的爱国者-3和俄罗斯的S-300-2相控雷达都采用先进的脉冲多普勒体制。我们从已公开的资料和图片中看到(例如俄罗斯售给希腊的S-300-2系统),二者的信号处理也都广泛采用FFT技术。雷达每一距离通道也是通过FFT运算来实现多普勒速度支路。但美国用的是DSP或FPGA芯片,每个距离通道只需用一片FPGA或DSP芯片和一块印制电路板(上有高速ADC/DAC芯片和电源控制) 。而俄罗斯的雷达则主要有二种方式,一种是用小规模集成电路(IC)来构成FFT电路;另一种是中频积累电路加上模拟式滤波器组成(理论证明这二者是等效的)。无论哪一种方式,它的一个距离通道就得做成一个不小的机柜。所以俄罗斯没有高端芯片,虽也能做出先进设备,但给人直观首先是“傻大粗”。有人粗略计算,因S-300-2的距离通道至少有24个,(每个距离通道又有很多速度通道),仅此一项,如果用芯片来实现FFT,比起俄罗斯的办法,至少可缩小体积三分之一。不过在总体性能指标方面,由于俄罗斯科技人员的聪明才智和努力,包括采取自主创新,扬长避短等措施,在主要方面基本上已克服了没有高端芯片带来的缺陷,从总体言基本上达到与爱国者同等水平。

三、 俄罗斯采取哪些措施弥补由于没有高端芯片(以及微电子技术落后)带来的缺陷?

众所周知,自苏联解体后,俄罗斯经济一直不算景气;他的GDP已连续多年没有进入世界排名前十位。在军工方面,微电子技术和精密控制技术一直是俄罗斯的短板。而且从原苏联起一直强调武器中基本上不使用外国的元器件(事实是西方也禁止向俄出售高端电子器件)。俄罗斯缺乏世界一流高端芯片和微电子器件,却能连连推出世界一流的新武器,俄罗斯科技人员是如何解决这一矛盾的?

我们从大量资料中看到,他们就是依靠“自主创新”的思想。具体说,一是靠科技人员“扬长避短”的设计思想。充分利用俄自己在微波电路、模拟电路、微波电真空技术、惯性制导技术和器件等基础技术方面优势,依靠俄科技人员聪明才智,弥补微电子技术的不足。这种弥补不是简单的替代,而常常是一种创新。作者将在下面举一个典型的成功例子:俄在S-300雷达中曾用他激晶体振荡器(模拟电路)作为中频信号积累,其体积虽比芯片要大,但比一般集成电路要小,可以替FFT的基本功能。由此可见,俄科技人员采取扬长避短方针,一方面固然是出于无奈,但另方面却促使它的模拟电路技术达到前所没有的高水平。

二是靠俄罗斯有一支世界一流的系统设计队伍。他们的设计思想是“系统第一”;具体说就是指“武器中各部件的水平可以一般(个别甚至可以较差),但系统水平,包括武器主要的系统性能指标和武器可靠性必须一流”。譬如在空天防御武器领域,他们的设计准则是:1,不能要求武器系统指标全面超过美国,或者项项指标世界第一。俄没有力量全面和美国拼比。但可以抓住主要指标,解决主要矛盾,使主要指标世界领先。2,不能要求武器系统中所有设备和部件都是一流的,但要求各个设备尽量做到扬长避短。要追求实效尤其是高稳定、高可靠,而不刻意追求采用先进元器件和先进技术,不要在乎外貌 “傻、大、粗”。最后由总师们综合出主要性能突出,水平世界一流的防空导弹武器系统。

美国有那么一批雷达专家(包括几位著名老专家)专门研究俄罗斯雷达的优势和软肋,并积累大量资料和数据。他们认为,俄罗斯S-300雷达系统是一个“高性能,低成本,低功耗”的设计。它至少在以下四个系统设计方面,大胆采取的自主创新的举措:(1)采用X波段(爱国者为C波段),敢于站在高起点。使系统性能指标的提高有很大潜力。(2)用多部雷达,而不是像爱国者用一部雷达完成搜索、跟踪、照射、指导、火控等多功能。这样可使每部雷达都达到最佳性能。如搜索雷达可以将天线方向图压低,并将天线架设于桅杆上,大大提高搜索低空飞行目标的能力(最低作用距离可至5米,称世界第一)。当然缺点是系统较“累赘”。(3)冲破经典雷达理论的框框,大胆采用脉冲重复频率很高(高达几百千赫兹)的脉冲多普勒体制。使其雷达能在大空域内对付高速机动目标和杂波干扰的能力。(4)采取措施努力降低系统射频损耗,如微波传输用低损耗波导,天馈系统采用独特的收发隔离技术等。美国专家估计,其天馈系统总的微波损耗约为5dB。这个5dB的概念是指天馈系统要消耗总的微波功率的三分之二,只有三分之一的功率传播至空间,成为有效功率。但爱国者雷达天馈系统的损耗可高达7-12dB。理论计算表明,微波损耗每降低1dB,,就可使雷达作用距离增加6%。

俄罗斯这些出奇制胜的招数,大大降低由于没有高端芯片带来的缺陷。俄武器设备虽傻大粗,并不妨碍他的S-300以及后来的S-400、S-500等成为世界一流的防空导弹系统。这也使普京总统说话有了底气。如去年9月14日,沙特的炼油厂遭受也门武装的无人机和巡航导弹袭击,部署在附近的多套爱国者PAC-2和-3系统居然连目标都没有发现。于是普京亲自出来说话,还是买我的S—400吧,可保你平安无事!国际上一些专家也公认,普京所说并非假话。

四、俄罗斯武器畅销全世界的秘诀:实用,可靠,低成本,高效能,易于维修。

美国一位军工专家甘斯勒教授在《21世纪国防工业军备竞技场》一书中说过:“俄罗斯先进武器具有低成本,高效能的突出优点。它在使用中特别易于维护和维修,可靠性高。具有杰出的标准化水平,这已根深蒂固植根于俄罗斯文化中,并延续到21世纪的武器发展中” 。有的文献还大谈俄罗斯武器的魅力,归纳起来是:实用,可靠,低成本,高效能,易于维修。

俄罗斯科技人员富于钻研精神。为了扬长补短,他们在模拟电路设计方面往往有一些巧妙构思。下面举个典型例子。

俄罗斯雷达要实现脉冲多普勒,又没有高端芯片,他们就创新地用较简单的模拟电路-中频积分器来实现中频相参积累(理论上等效FFT)。这种中频积分器实际上是一个外激晶体振荡器,它平时不振荡,而自身谐振频率则调谐在中频频率;只要输入中频信号,它就会被激励而振荡。如果外加的是中频脉冲,在脉冲持续期间,晶振工作并作增幅振荡。而在中频脉冲间歇期间,晶振停止工作,但由于它的Q值非常高,输出能维持在等幅振荡值不变。待下一个脉冲到来时,振荡幅度再进一步增大。然后又维持在更高的等幅振荡值。如此晶振输出随着脉冲不断到来而不断上升,这就实现了中频脉冲积累(图1)。这种中频积分器的主要性能指标(速度、精度等)可与数字积累比美。

据报道,即使是俄罗斯的S-400、S-500仍保留不少分立元件构成的模拟电路和模块。他们强调“继承中渐进创新发展”道路。原型号的一些非关键部件,只要稳定可靠,就不要轻易更新换代。当然对关键部分,他们还是不惜花大力气,不断改进和更新。

对于模拟电路技术,我总认为国内尤其高校老师们有一些误解;一是模拟电路已经落后,所以有的高校已经取消这门基础课。二是模拟电路可靠性一定比数字电路差。实际上我认为,模拟电路作为一种基础技术,在相当长一段时间内不会“穷途末路”。现在国内毕业大学生到单位工作后常常遇到大量模拟电路问题,而这些毕业生解决实际问题的能力太差,更不用说有所创新,有所发明了。

五、发展高端芯片产业(以FPGA和DSP为例)的难点在哪里?

先从FPGA说起。美国著名的FPGA厂商有Xilinx(中文名赛灵思公司,产品称Virtex系列)、Altera(产品称Stratix系列)、Actel(产品称PROAsic系列)三大家,垄断世界90%以上市场。前二者都在中国设立销售机构,供货充足,服务周全,连开发工具都为你准备好。每推出一个新型号还免费为你培训,大大方便你的设计工作。

目前FPGA技术还在不断发展。据Xilinx公司称,最新上市的kintex,采用16nm芯片;厂家还可根据你的需求在一片芯片上集成上万个逻辑阵列块,上千个18×18位乘法,收发频率高达几十个GHz。甚至可以帮你做出很多“创新”。当然这些公司赚得盆满钵满。而广大的设计人员是芯片的用户,他们当然是“拿来主义”;甚至还认为是“双赢”。

FPGA芯片既然在雷达等应用中举足轻重,必然存在安全隐患,何况美国商务部早已对它点过名。保不准哪天出现“芯片危机”,此言并非耸人听闻。那么为何不早早实现国产化。据业内人士说,其中有不少实际困难。首先是国际市场完全被Xilinx、Altera等二三家公司所垄断。因此它的专利技术壁垒很高。目前为止,这些公司已有9000多项专利,构建了一道坚实的知识产权堡垒,大大地堵死了其他公司追赶和谋求共享之路。例如当年英特尔也曾想挤入这一领域,它耗资了167亿美元收购阿尔特拉,但最后发现仅仅是获得进入FPGA领域的入场券。尤其是Xilinx,它从上世纪80年代开始,花费了30多年的时间积累FPGA技术和经验,才能在该领域留下丰厚的技术和知识底蕴。并把其他公司远远抛在后面。

第二 ,尽管FPGA在军事领域中应用前景广阔,但民用市场却很有限。一般民用产品很少需要这样大量而又高速的运算。因此它总的市场偏小:据资料全球半导体的市场总额为4000亿美元/年,而FPGA还不到100亿美金/年。而且用户购买如此方便,使企业家们和国家有关部门觉得不值得投巨资去开辟新市场。改革开放前我国在军工界有一理论,叫“造船不如买船,买船不如租船”。现在某些人对待FPGA等高端芯片的态度有点像这种“租船论”的翻版!

再说DSP情况。它和FPGA情况很类似,当前国际上DSP芯片产业几乎被美国几家公司所垄断。所不同的,是这些公司大都是美国的大公司。如德州仪器公司(TI),它占据世界市场45%。它的TMS320C系列芯片畅销各国。其次是AT&T公司,占据世界市场的29%。再其次是AD公司,占据世界市场11%,虽是第三位,但在中国影响很大。它ADSP系列和Tiger SHARC系列(在中国绰号叫“沙虎”),由于设计上一些优点,加以较高的性能价格比,深受用户欢迎。

另一不同于FPGA的情况是,DSP芯片有较大的民用市场,要比FPGA芯片广阔得多。据2016年国外行业报告称,当年DSP芯片56%应用于通讯领域,计算机占21%,军事上只占5%。不过通讯领域的56%中,很大一块是作军用的。

结语

1、鉴于国外对DSP和FPGA等高端芯片产业的垄断,从国防安全角度考虑,应刻不容缓发展自己的FPGA、DSP等高端芯片产业。这些武器装备需要的关键部件,不能像民用产品那像完全从市场效益出发考虑问题。最重要的是安全意识。

2、有些基础技术,例如模拟电路技术的教育不能取消,甚至还要加强。上世纪我们电真空下马的教训应该记取。基础科技是不能临时抱佛脚的。

(责编:陈晶晶、陈康清)

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