手機芯片被國外卡脖子,為何上百萬一顆的北斗

2021-02-05 14:00| 發布者: | 查看: |

有這樣一類芯片,它被用作北斗衛星、玉兔號月球車的CPU,運算性能卻遠不如電腦、手機芯片,但每一塊的價格動輒上百萬,這類芯片就是宇航級芯片。

芯片根據可靠性分為宇航級、軍工級、工業級和消費級,像近幾年美國斷供華為的一類芯片,就是商業消費級,而宇航級、軍工級更早前就被美國人禁運了,但中國已經在這兩類芯片上實現了獨立自主。看到這里有人或許會有疑問,幾百元一塊的手機芯片被西方卡脖子,為什么我們卻能搞定百萬級別的宇航級芯片呢?

手機芯片被國外卡脖子,為何上百萬一顆的北斗芯片,我國卻能搞定

 

過去史上最貴的芯片,是美國賽靈思公司的宇航級FPGA芯片,單價500萬一顆。但最近北斗三號總設計師林寶軍公開表示,北斗衛星的航天CPU,一塊板子的價格是900萬人民幣,而且比以往還便宜幾倍,可見宇航級芯片的價格真的是毫無上限。

其實在太空這種特殊的環境中,芯片性能并不是首要考慮因素,芯片的可靠性——芯片的抗輻射能力,才是重中之重。據統計,從1971年到1986年間,全球有近40顆衛星總計發生了1589次故障,其中有1129次故障是由空間輻射引起的。

在那個芯片設計不成熟的年代,衛星芯片還難以承受住太空中的高能粒子和宇宙射線。這些微觀世界中的粒子射線,極易穿透衛星的屏蔽層,與芯片等元器件上的材料發生輻射效應,造成芯片內部的局部短路,從而引起器件的損壞和功能異常。宇航級芯片是航天器的心臟,一旦受到永久性不可逆的傷害,整個航天器就會處于報廢狀態,造成的損失不可估量。

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像玉兔號月球車的內存僅有256MB,現在隨便一個手機內存輕輕松松上4G、8G,但你把手機置在太空上試試,分分鐘給你報廢。所以影響芯片價格的,性能快慢只是一個很小的因素,可靠性才是王道。

除了高能粒子和輻射外,溫差也是影響航天CPU的另一大重要原因。在衛星軌道上,影響航天器溫度的是光照,而大氣層外不存在空氣散熱,這就會使航天器受光面和背光面產生溫差。如在衛星軌道300至400公里的高處,航天器受光面溫度可以達到150攝氏度,而背光面溫度為負127攝氏度,這就意味著芯片等元器件要承受住近300度的溫差。

雖然我們在地面上感受到地球自轉一圈是24個小時,但近地軌道上的衛星繞地球一圈僅需100分鐘左右,因此航天器在短時間內要反復經歷水深火熱的溫差環境。

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所以我們將芯片分為消費級、工業級、軍工級、宇航級,是有一個標準的。像商業消費級的芯片,基本注重性能這個主要方面,但軍工級、宇航級等大國重器上的芯片,性能往往只要夠用就行,在惡劣特殊環境中抗輻射、抗干擾、抗溫差等才是重中之重。

在開篇我們提到為什么上百萬級別的宇航芯片,我們能做到完全自主,在這里答案就顯而易見了。軍工、宇航級芯片更加注重穩定性、可靠性,性能要求并不高,因此會采用48納米以上成熟的芯片工藝,7納米、5納米這樣的前沿工藝目前并不可靠。更加重要的是,宇航級芯片應用的領域、設備數量非常有限,不需要大批量生產,它不像手機市場一樣動輒幾千萬的出貨量,中國目前每年發射的衛星最多也就數十顆,因此我們完全可以在不計成本的情況下生產,實現完全獨立自主并不難。

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在美國卡我國芯片脖子的這幾年,我們常常會擔憂衛星等重要領域的芯片也被封鎖,這就是我們沒有分清商業級芯片和宇航芯片的概念,那么目前國產宇航級芯片是如何逆襲的呢?

其實在很早一段時間,中國人造衛星的CPU也依賴進口,但在歐美國家對宇航級芯片實施禁運后,國產宇航級芯片國產化主要有兩條路線,一是自主研發,二是引進開源代碼再設計。第二條路在引進國外開源代碼再修改設計的CPU,性能已經被原始設計局限死了,很難再有大的突破。像我國遙感、風云、試驗號衛星使用的P1750,就是一個代表。

好在中國自主研發路線進行得比較順利,國產宇航級芯片的代表就是龍芯。像嫦娥四號使用的芯片,是從美國進口的ATMELAT697,價格便宜的30多萬一片,性能更好地就要上百萬一片。但我國2017年研發的龍芯1E300,技術指標已經達到美國宇航級芯片的水平。而龍芯1E和龍芯1F的成本,我們已經做到了幾萬元一片,2015年北斗雙星搭載的純國產芯片,就是這兩類芯片,性能指標不輸國外。

目前國產宇航級芯片已經有了獨立自主的能力,不懼怕國外封鎖,但我們還有一些問題需要解決。林寶軍總師曾公開表示,北斗衛星上也有使用900萬一顆的CPU,而國外SpaceX做出來只要幾百元,因此這個問題就是成本問題。根據總師提出的建議,中國航天在突破封鎖的基礎上,我們也應該與商業航天并駕齊驅,吸收商業航天控制成本的路子,才能讓中國航天走的更遠更出色。

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