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  坚定不移谋创新

  10月14日发射的实践九号B卫星上芯片的变化让北京控制工程研究所星载计算机及电子产品总工程师华更新喜不自禁,在该卫星上,控制管理单元的核心处理器及其外围电路被一个名为“SoC2008”的片上系统芯片替代了,这好比卫星自动驾驶仪由一台整机设备变成了设备里一个指甲片大小的芯片。更重要的是,这个芯片是由北京控制工程研究所年轻的设计团队自主研发的。

  “这意味着之前功能相对单一的芯片升级为大脑系统,航天型号不再处于一种持续跟仿国外各种芯片的局面,而是可以通过系统与元器件之间的协同设计,采用我国自主研发和国内外开源的IP(知识产权)核,从而解决长期困扰航天装备信息安全的核心元器件国产化和自主保障问题。”华更新说。

  小如指甲片 性能高8倍

  “这是我们自主研发的一种适用于下一代卫星使用的SoC芯片,把原来整数处理单元、浮点数处理单元、存储器管理器等多种电路功能集成到SoC2008芯片内部。”华更新告诉记者,芯片好比是计算机的一个个大脑,水平直接影响着计算机的运行质量。当前,空间电子产品正朝着高密度、高复杂、高性能、低能耗和微小型方向发展,而空间复杂的运行环境更是对其提出了高可靠性的要求,传统的集成电路已无法满足这些需求。因此,研制高性能、高可靠、小型化的高水平抗辐射核心片上系统芯片的需求更加迫切。

  SoC(System on Chip),即片上系统,是一种系统级的嵌入式设计技术,从广义角度来说,是“系统功能在单一芯片上集成”。

  华更新做过计算,采用这些技术后,星载电子系统的内部集成度提高了,重量只有采用传统设计产品的40%,能大幅减少卫星平台的体积、重量和功耗,使我国国产卫星平台的有效载荷承载能力大大提高。

  他以探月工程任务为例介绍,1公斤物品要从地球带到月球表面,需要消耗约6.5公斤燃料,要带回地球另需2.5公斤燃料。这意味着卫星平台只要减少1公斤重量,运载火箭的负担就少了近10公斤。

  虽然个头小了,但星载电子系统的性能却提高了7—8倍,功耗却只有原来的80%左右。

  “SoC是对传统软硬件分离的型号研制模式挑战,将彻底改变方案、初样、试样、定型的传统研制流程,大大缩短型号研制周期。”北京控制工程研究所超大规模集成电路副主任设计师、SoC2008主管设计师刘鸿瑾如是说。

  容错设计技术,一个指令三个“判官”

  “在民用领域,SoC技术概念早已有之。”北京控制工程研究所硬件设计工程组长刘群举例说,比如现在的智能手机,小小的芯片就集中了多项功能。但对航天来说,要在集成化的小芯片上集中多项功能,遇到的困难更多。

  刘鸿瑾告诉记者,航天电子产品在空间运行过程中要承受恶劣的空间辐射环境,航天用处理器的一个最基本的要求就是具有抗辐射能力。但SoC系统集成的很多IP核都不是抗辐射加固的,因此需要首先将SoC系统设计做好,然后在此基础上进行进一步的抗辐射加固,这对于设计团队是一个巨大的挑战。

  为提高SoC可靠性,SoC研制团队从工艺、电路设计、微结构设计以及软件设计等角度出发,分别采取措施,特别是创造性地采用完全三模冗余设计等抗辐射加固设计和容错设计技术。

  “所谓三模冗余设计,就是当系统接到一个指令后,会有三个‘人’对指令进行判断,即使一个判断错误,只要另外两‘人’表决通过,指令仍然能够正确执行。”刘鸿瑾表示,这主要考虑到航天产品一旦上天就不能修复的特点,通过这种容错方式保证系统可靠运行。

  由于具有处理器核和其他复杂输入输出接口电路,代码设计完成后如何对芯片进行仿真验证成为一大难题。在芯片研制过程中,团队在长达16个多月里,对芯片进行了充分的验证。通过随机生成指令序列的方式,目前已经通过12万条随机组合单指令、75万组多指令组合的功能验证,实现了指令覆盖率100%。

  探月工程一显身手

  刘鸿瑾告诉记者,早在20世纪90年代,美国航空航天管理局就根据未来航天任务需求,组织多家公司开展了多项有关SoC技术的研究,2011年年底发射的火星探测器中,电子设备的功耗控制单元采用SoC实现了整个系统。

  由于系统兼容的需要,实践九号B星控制计算机并没有给SoC2008太大的发挥其运算能力的空间。刘鸿瑾说,SoC2008芯片第一次亮相太空只是第一步。目前该芯片已经开始应用于多个型号的各类电子产品中,其强大的能力将得到充分发挥。

  华更新认为,随着航天技术发展,对以星载计算机为代表的空间电子系统的性能、功能、体积、功耗、重量、可靠性及空间环境适用性的要求越来越高,SoC技术给航天器综合电子系统发展带来了革命性的变化,为我国航天器的技术发展和产品更新换代,打下坚实基础。此外它还将在航空、航海、高铁、核电、汽车和工业控制等领域发挥越来越重要的作用。

  (中国科技网)