10月14日發(fā)射的實(shí)踐九號(hào)B衛(wèi)星上芯片的變化讓北京控制工程研究所星載計(jì)算機(jī)及電子產(chǎn)品總工程師華更新喜不自禁，在該衛(wèi)星上，控制管理單元的核心處理器及其外圍電路被一個(gè)名為“SoC2008”的片上系統(tǒng)芯片替代了，這好比衛(wèi)星自動(dòng)駕駛儀由一臺(tái)整機(jī)設(shè)備變成了設(shè)備里一個(gè)指甲片大小的芯片。更重要的是，這個(gè)芯片是由北京控制工程研究所年輕的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的。
“這意味著之前功能相對(duì)單一的芯片升級(jí)為大腦系統(tǒng)，航天型號(hào)不再處于一種持續(xù)跟仿國(guó)外各種芯片的局面，而是可以通過(guò)系統(tǒng)與元器件之間的協(xié)同設(shè)計(jì)，采用我國(guó)自主研發(fā)和國(guó)內(nèi)外開(kāi)源的IP（知識(shí)產(chǎn)權(quán)）核，從而解決長(zhǎng)期困擾航天裝備信息安全的核心元器件國(guó)產(chǎn)化和自主保障問(wèn)題。”華更新說(shuō)。
小如指甲片 性能高8倍
“這是我們自主研發(fā)的一種適用于下一代衛(wèi)星使用的SoC芯片，把原來(lái)整數(shù)處理單元、浮點(diǎn)數(shù)處理單元、存儲(chǔ)器管理器等多種電路功能集成到SoC2008芯片內(nèi)部。”華更新告訴記者，芯片好比是計(jì)算機(jī)的一個(gè)個(gè)大腦，水平直接影響著計(jì)算機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。當(dāng)前，空間電子產(chǎn)品正朝著高密度、高復(fù)雜、高性能、低能耗和微小型方向發(fā)展，而空間復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境更是對(duì)其提出了高可靠性的要求，傳統(tǒng)的集成電路已無(wú)法滿(mǎn)足這些需求。因此，研制高性能、高可靠、小型化的高水平抗輻射核心片上系統(tǒng)芯片的需求更加迫切。
SoC（System on Chip），即片上系統(tǒng)，是一種系統(tǒng)級(jí)的嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)，從廣義角度來(lái)說(shuō)，是“系統(tǒng)功能在單一芯片上集成”。
華更新做過(guò)計(jì)算，采用這些技術(shù)后，星載電子系統(tǒng)的內(nèi)部集成度提高了，重量只有采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的40%，能大幅減少衛(wèi)星平臺(tái)的體積、重量和功耗，使我國(guó)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星平臺(tái)的有效載荷承載能力大大提高。
他以探月工程任務(wù)為例介紹，1公斤物品要從地球帶到月球表面，需要消耗約6.5公斤燃料，要帶回地球另需2.5公斤燃料。這意味著衛(wèi)星平臺(tái)只要減少1公斤重量，運(yùn)載火箭的負(fù)擔(dān)就少了近10公斤。
雖然個(gè)頭小了，但星載電子系統(tǒng)的性能卻提高了7—8倍，功耗卻只有原來(lái)的80%左右。
“SoC是對(duì)傳統(tǒng)軟硬件分離的型號(hào)研制模式挑戰(zhàn)，將徹底改變方案、初樣、試樣、定型的傳統(tǒng)研制流程，大大縮短型號(hào)研制周期。”北京控制工程研究所超大規(guī)模集成電路副主任設(shè)計(jì)師、SoC2008主管設(shè)計(jì)師劉鴻瑾如是說(shuō)。
容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)，一個(gè)指令三個(gè)“判官”
“在民用領(lǐng)域，SoC技術(shù)概念早已有之。”北京控制工程研究所硬件設(shè)計(jì)工程組長(zhǎng)劉群舉例說(shuō)，比如現(xiàn)在的智能手機(jī)，小小的芯片就集中了多項(xiàng)功能。但對(duì)航天來(lái)說(shuō)，要在集成化的小芯片上集中多項(xiàng)功能，遇到的困難更多。
劉鴻瑾告訴記者，航天電子產(chǎn)品在空間運(yùn)行過(guò)程中要承受惡劣的空間輻射環(huán)境，航天用處理器的一個(gè)最基本的要求就是具有抗輻射能力。但SoC系統(tǒng)集成的很多IP核都不是抗輻射加固的，因此需要首先將SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)做好，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的抗輻射加固，這對(duì)于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
為提高SoC可靠性，SoC研制團(tuán)隊(duì)從工藝、電路設(shè)計(jì)、微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)等角度出發(fā)，分別采取措施，特別是創(chuàng)造性地采用完全三模冗余設(shè)計(jì)等抗輻射加固設(shè)計(jì)和容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)。
“所謂三模冗余設(shè)計(jì)，就是當(dāng)系統(tǒng)接到一個(gè)指令后，會(huì)有三個(gè)‘人’對(duì)指令進(jìn)行判斷，即使一個(gè)判斷錯(cuò)誤，只要另外兩‘人’表決通過(guò)，指令仍然能夠正確執(zhí)行。”劉鴻瑾表示，這主要考慮到航天產(chǎn)品一旦上天就不能修復(fù)的特點(diǎn)，通過(guò)這種容錯(cuò)方式保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。