艦船電子元器件自主可控現(xiàn)狀與發(fā)展需求研究

粟 栗，郭曉利，周 茜，陳 勇

(中國艦船研究院，北京 100101)

艦船電子元器件自主可控現(xiàn)狀與發(fā)展需求研究

粟 栗，郭曉利，周 茜，陳 勇

(中國艦船研究院，北京 100101)

近年來，我國信息化關鍵軟硬件技術得到了長足發(fā)展，特別是基礎電子元器件性能有了大幅度提升。然而，在信息化相關的電子元器件技術和產(chǎn)品上與國外還存在較大差距，制約了裝備的國產(chǎn)化率和自主可控能力水平的進一步提升。本文分析艦船裝備領域基礎電子元器件的發(fā)展現(xiàn)狀，并提出下一步的發(fā)展需求建議以及確?；A電子元器件自主可控的具體措施。

軍用電子元器件；自主可控；發(fā)展需求

0 引 言

艦船電子元器件是海軍綜合電子信息系統(tǒng)、電子信息裝備、武器控制系統(tǒng)甚至整個作戰(zhàn)系統(tǒng)的物質保證，直接影響信息系統(tǒng)和裝備的功能、性能指標，是武器裝備發(fā)展的重要基礎，也是軍民融合技術發(fā)展的重要方向。

艦船自主可控電子元器件，是指由于艦船裝備型號使用的需要，國外元器件面臨斷貨風險，國內的電子元器件尚達不到使用要求，而組織一個或幾個國內電子元器件廠家開展相關電子元器件研制和生產(chǎn)，一般專門為某型武器裝備配套使用。

1 艦船電子元器件自主可控發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

世界軍用電子元器件在高經(jīng)費投入和相關特殊政策支持下迅速發(fā)展，科技創(chuàng)新和進步效果極其顯著。據(jù)美國國防部國防研究與工程署的評估，微電子器件及其技術在短期內，可使信息處理能力提高一倍，電子系統(tǒng)或裝備費用、功耗和重量降低50%；從中期效果看，可使電子系統(tǒng)或裝備的探測距離和分辨率等技術指標提高一倍，功耗和重量降低90%；從長期效果看，可使其探測范圍提高一個數(shù)量級。紅外材料及其器件的發(fā)展，將使探測范圍擴大50%，目標獲取和跟蹤能力提高2倍，空間監(jiān)視和衛(wèi)星激光通信能力提高2倍。

電子元器件產(chǎn)品技術水平迅速提高，硅數(shù)字化集成電路工業(yè)方面，生產(chǎn)水平已達300 mm、0.18 μm，同時0.15 μm、0.13 μm產(chǎn)品已經(jīng)投入使用，MPU處理速度可達400～1 000 MHz；高重復頻率、高功率固體激光器輸出功率可達每脈沖200 MW，電荷藕合器件（CCD）可達5 120×5 120元；螺旋線行波管X波段脈沖波功率可達20～30 kW。

電子元器件技術的迅猛發(fā)展對信息化系統(tǒng)和武器裝備升級換代起到了巨大的推動作用。為了在軍用關鍵技術領域中獲得霸主地位，世界軍事強國不斷尋求有效的技術投資，通過商業(yè)技術和軍事專用技術的有機運用謀取軍事上的優(yōu)勢。因此，對軍用關鍵電子元器件的發(fā)展策略做了適時調整，提出“根據(jù)電子元器件技術能力與軍用系統(tǒng)的關聯(lián)程度決定支持力度”的發(fā)展方向，在此方向的指導下，近年來，微波（毫米波）功率器件、新型大功率真空微波管、射頻微機電系統(tǒng)（RFMEMS）、專用集成電路（ASIC）、人工智能（AI）與學習集成電路（IC）、超導器件、光纖傳感器等與軍用系統(tǒng)能力提高關聯(lián)程度高的新型電子元器件技術得到了重點發(fā)展。

1.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀

我國電子元器件工業(yè)基礎相對薄弱，艦船領域使用的核心元器件和高端通用芯片長期依靠進口，但部分西方發(fā)達國家經(jīng)常采取禁運等方式遏制我國在艦船領域的發(fā)展。因此，國家和軍隊有關部門相繼出臺了一些管理辦法，旨在推動電子元器件的自主發(fā)展，促使艦船型號元器件實現(xiàn)自主可控。電子元器件是現(xiàn)代艦船裝備戰(zhàn)斗力的核心力量，為了戰(zhàn)略儲備和擺脫停產(chǎn)、禁運風險帶來的被動局面，保證艦船裝備全壽命周期狀態(tài)自主可控，通過艦船裝備型號立項的新研電子元器件逐年增多，近年來結合型號研制，在提高電子元器件的自主可控方面做了不少工作，取得了一定的經(jīng)濟效益、社會效益和軍事效益。

1.2.1 自主可控能力發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在核心元器件的設計、制造方面已經(jīng)具備一定的能力，在通用處理器、專用處理器、專用功能片上系統(tǒng)（以下簡稱SOC）、網(wǎng)絡交換芯片等元器件的自主可控方面取得了一定的成果。在引進國外處理器、SOC指令集授權后，自行設計了多款通用處理器、專用處理器以及SOC，如Alpha架構的申威處理器、SPARC架構的飛騰處理器、M IPS架構的龍芯處理器、與XILINX系列兼容的DSP處理器、顯控類等專用功能SOC等。

在裝備特色IP核/SOC設計方面，研發(fā)了二維圖形加速IP核、圖形顯示控制IP核、高清強實時視頻系統(tǒng)處理IP核、計算機平臺智能管理IPMI芯片等產(chǎn)品。自主可控能力發(fā)展現(xiàn)狀如圖1所示。

在艦船裝備領域，自主可控核心元器件研發(fā)和產(chǎn)品應用能力與裝備發(fā)展的需求還有一定的差距。自主可控核心元器件的研發(fā)處于起步階段，側重于面向特色功能應用IP核技術研發(fā)，如顯示控制類SOC IP核等，以及中小規(guī)模芯片生產(chǎn)，后續(xù)將開展特色功能IP核向大規(guī)模專用集成電路轉化的研發(fā)工作；自主可控產(chǎn)品應用還處于試點階段，為后續(xù)批量推廣應用打下了基礎。

1.2.2 自主可控核心技術發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內艦船平臺正根據(jù)艦船任務系統(tǒng)需求，加快基礎軟硬平臺的標準化、通用化建設，提高系統(tǒng)的集成化水平，并開展高性能電信級以太網(wǎng)技術、艦船現(xiàn)場信息區(qū)域集成采控技術、艦船智能人/機物聯(lián)技術等關鍵技術國產(chǎn)化與自主可控研究。

在通用處理器、專用處理器、專用功能SOC設計方面，IP核設計是關鍵技術。目前多數(shù)的處理器產(chǎn)品、部分顯控類SOC產(chǎn)品基本采用購買核心IP核進行簡單二次開發(fā)的方式進行IP核設計，對于核心功能IP核自主設計能力較差，目前面向艦船裝備特色功能應用的部分顯控類IP核實現(xiàn)了完全的自主可控設計。如二維圖形加速IP核、綜合顯示IP核、圖形顯示控制IP核等顯控類IP核已經(jīng)實現(xiàn)了完全的自主可控，具備源代碼級的IP核設計能力，部分IP核規(guī)模達到1 500萬門以上，并已經(jīng)在艦船裝備上得到應用。自主可控技術發(fā)展現(xiàn)狀如圖2所示。

1.2.3 自主可控核心產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

在電子信息基礎產(chǎn)品方面，國內實現(xiàn)了安全芯片、安全服務器、安全存儲、安全終端、安全網(wǎng)絡設備等。涉及眾多IT硬件企業(yè)，相關產(chǎn)品主要有龍芯系列處理器、華為、龍芯中科等。IT基礎設施的自主可控是實現(xiàn)真正之處可控、保障信息安全的基礎，目前國產(chǎn)計算機芯片的研發(fā)和市場力量相對薄弱。

多功能一體化探測系統(tǒng)集成度高、功能強大，從而對T/R組件等模塊的功能、性能和體積也提出了更高的要求，采用普通單功能芯片和電路方案進行設計難以滿足要求，必須采用新的技術和電路解決方案。國際上開始采用高集成度的多功能芯片電路方案，將開關、放大、移相、衰減等功能集成在一個芯片中，從而減少了電路中所需芯片的數(shù)量，減小了電路體積，大大提高了電路的集成度和性能；同時也做到頻段覆蓋，種類繁多，技術成熟，性能指標也相對優(yōu)越。

通用信息處理平臺對平臺中的器件種類和模塊種類進行了統(tǒng)型。其中雷達信號處理采用Xilinx公司的FPGA實現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理采用MPC 8640D處理器實現(xiàn)。系統(tǒng)采用VPX架構，數(shù)據(jù)傳輸總線采用Series Rapid IO總線，控制總線采用千兆以太網(wǎng)。自主可控核心產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀如表1所示。

表 1 自主可控核心產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀Tab. 1 Development status of independent and controllable core product

雷達信號處理和數(shù)據(jù)處理新算法的改進和實現(xiàn)又對高速信號處理器件（DSP）、嵌入式控制計算機（PowerPC）、大規(guī)?？删幊唐骷‵PGA）等在運算速度、處理容量、可靠性、加工工藝等方面又提出了更高要求。裝備后續(xù)將通過進一步推進通用信息處理平臺的應用，盡可能減少和統(tǒng)一相關器件品種，但從目前情況看，高速信號處理器件的國產(chǎn)化替代工作短期內難以滿足裝備性能升級發(fā)展的需求。

2 艦船電子元器件自主可控能力發(fā)展需求分析

隨著國家對信息化產(chǎn)業(yè)的投入，國內信息技術儲備已達到或超過國際先進水平，艦船平臺信息化建設可以借鑒其他行業(yè)信息化建設的成功經(jīng)驗，利用國內各領域信息化相關信息技術和成熟產(chǎn)品，通過技術和產(chǎn)品的引入、消化、吸收，擴展艦船平臺信息化建設的思路；同時提高艦船平臺信息化科研投入，加強艦船裝備研制的信息技術力量，確保艦船平臺信息化發(fā)展自主可控，減少過度依賴國外信息技術造成的安全隱患和保密風險。

艦船裝備的功能、性能較之過去有了較大提升，計算能力、顯示能力、網(wǎng)絡交換能力都有量級上的提高，操控的便捷性也大幅提高，相應的自主可控產(chǎn)品也需要具備對應的功能性能的提升。從設計能力角度分析，具有艦船特色應用的SOC設計能力應當隨之提高，從目前的千萬門級設計水平提升至4 000萬門級以上，并具備完整的大規(guī)模集成電路設計能力，具備高性能艦船特色系列化SOC的全面設計能力；自主可控計算機的綜合顯示、計算處理、安全可靠能力需要有進一步的提升，軟硬件適配與優(yōu)化需要進一步加強，達到當前國外同類產(chǎn)品的水平；具備中等規(guī)模網(wǎng)絡交換芯片的設計能力，實現(xiàn)自主可控網(wǎng)絡交換設備在艦船裝備的成熟應用；完成不同國產(chǎn)操作系統(tǒng)與自主可控處理器的功能適配，實現(xiàn)成熟處理器產(chǎn)品在艦船設備中的大規(guī)模適配應用。

2.1 微電子元器件

目前，實現(xiàn)了千萬門級的SOC IP核在艦船裝備中的大規(guī)模應用。未來需要實現(xiàn)2 500萬門級軍事特色SOC設計能力，將應用時間長、功能性能亟待提升的艦船特色SOC進行流片，如移動顯控芯片、超高分辨率圖形圖像顯示控制芯片等。

2.2 水聲電子元器件

在水聲對抗系統(tǒng)（設備）中，水聲器件密封透聲材料和壓電元器件材料、工藝成為水聲對抗裝備功能和性能的關鍵因素；水聲對抗器材和其他特殊水聲裝備，研制滿足特殊使用環(huán)境的機電產(chǎn)品成為裝備研制的重要組成部分。

3 艦船電子元器件自主可控技術發(fā)展需求分析

艦船電子元器件自主可控技術發(fā)展需求主要包括高性能顯控技術、高性能計算技術、軍用網(wǎng)絡處理芯片核心技術和信息安全網(wǎng)絡核心技術等。自主可控技術發(fā)展需求如表2所示。

3.1 高性能顯控技術

隨著艦船對信息系統(tǒng)的要求不斷發(fā)展和變化，顯控系統(tǒng)的功能、性能要求也隨之發(fā)生變化，高效便捷的人機交互、清晰準確的顯示性能、響應快速的顯控信息處理、自然直觀的操控流程等都成為未來艦船顯控系統(tǒng)的基本要求。因此，需要針對新型顯控體系架構、超高分辨率三維圖形加速技術、超高分辨率圖形圖像顯示控制技術、移動式顯控處理技術、強實時視頻系統(tǒng)處理技術等關鍵技術進行研究。

艦船光電裝備具有極高的時域、空域、頻域分辨力，能夠在一定距離范圍內提供極為精確的目標方位、高度、距離等空間信息和顏色、形狀、灰度等視覺信息。光電探測信息的空間分辨力越來越高。從圖像像素上看，從320×240，768×576到標清、高清、全高清，甚至幾倍全高清的像質，這些探測到的光電信息最終將以圖片或視頻的方式顯示在屏幕上，供指揮員或操作員觀察、判斷、決策。同時，光電裝備獲取的數(shù)據(jù)大大增加了復雜度，用戶要求更高的顯示分辨率、更大的顯示范圍和更加靈活實用的顯示方式，以適應作戰(zhàn)指揮、仿真訓練、等不同軍事用途。因此，針對艦船光電裝備高分辨、高精度、大信息量的發(fā)展趨勢，要求基礎軟硬件在視頻圖像采集、顯示配套驅動、圖像處理引擎、圖形圖像開發(fā)工具和顯示屏等方面開展相應的研發(fā)，特別是國產(chǎn)高性能顯示軟硬件的研制，滿足光電裝備高分辨視頻圖像的顯示需求。

3.2 高性能計算技術

艦船光電裝備傳感器陣列以及傳感器數(shù)量的不斷增長，空間布局的日趨靈活，傳感器信息的不斷豐富，功能的不斷完善，使多源信息處理的數(shù)據(jù)量成倍增長，迫切需要功能更加強大、性能更加優(yōu)越、配置更加靈活的基礎軟硬件支撐。在提升單個處理器計算性能的基礎上，需要采用多核處理器或多核架構設計，以及相應的軟件多核設計開發(fā)技術，充分發(fā)揮硬件的處理性能。

3.3 軍用網(wǎng)絡處理芯片核心技術

為了實現(xiàn)網(wǎng)絡設備與系統(tǒng)應用緊密耦合，提高網(wǎng)絡系統(tǒng)效能，實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議模塊化，具備可裁剪能力，開展面向軍用網(wǎng)絡系統(tǒng)行業(yè)特色的定制化網(wǎng)絡交換芯片的研發(fā)工作。

依托FPGA自主設計網(wǎng)絡交換芯片，研制基于自主設計的網(wǎng)絡交換芯片的網(wǎng)絡交換芯片驗證平臺。針對特定系統(tǒng)固定拓撲、實時保障、高冗余能力的特色，充分利用FPGA靈活性高、設計周期短、成本低、風險小的優(yōu)勢，完成網(wǎng)絡交換芯片的原理設計，通過嵌入快速切換、環(huán)網(wǎng)保護等冗余機制實現(xiàn)網(wǎng)絡設備與系統(tǒng)應用緊密耦合，通過網(wǎng)絡協(xié)議的模塊化設計實現(xiàn)復雜耦合協(xié)議的“合理裁剪、量身定制”，進一步提升特定用網(wǎng)絡系統(tǒng)的應用效能。掌握網(wǎng)絡芯片級的設計技術，具備網(wǎng)絡交換芯片的設計能力，為后續(xù)交換芯片的流片做好技術準備。同時，繼承成熟設計、加強設計驗證，降低設計風險，確保基于F PGA的交換芯片的設計性能，并通過板級的設計，進一步驗證交換芯片的功能性能。最終，在交換芯片流片的基礎上，實現(xiàn)為系統(tǒng)應用提供一套契合軍用行業(yè)特色的高可靠、低功耗、低成本的網(wǎng)絡設備解決方案的研究目標。

3.4 信息安全網(wǎng)絡核心技術

在網(wǎng)絡安全防護方面，重點研究網(wǎng)絡主動防御的一體化主動安全防護體系實現(xiàn)技術，實現(xiàn)途徑通過態(tài)勢感知、風險評估、安全檢測等手段對當前網(wǎng)絡安全態(tài)勢進行判斷，并依據(jù)判斷結果實施主動防御。針對網(wǎng)絡攻擊出現(xiàn)的新特征，以高性能網(wǎng)絡處理芯片和安全嵌入式實時操作系統(tǒng)為基礎，采用網(wǎng)絡安全芯片設計協(xié)議自主可控的安全交換機系統(tǒng)。為了適應存儲架構的不斷發(fā)展并結合光纖通道網(wǎng)絡互聯(lián)設備的研發(fā)，對光纖通道加密技術進行關注和研究。隨著嵌入式技術的發(fā)展，將分布式防火墻的策略執(zhí)行功能嵌入到網(wǎng)卡中，作為嵌入式防火墻軟件的載體，軟硬結合實施防火墻的功能，并針對國產(chǎn)處理器進行嵌入式防火墻的研究。為保障跨域訪問過程中的信息網(wǎng)絡安全，對跨域訪問控制與邊界防御模型和安全認證管理技術進行研究，保障信息傳輸?shù)谋Ｃ苄?、完整性和可用性，有效地解決跨域訪問過程中的訪問控制和邊界防御問題。

針對來自網(wǎng)絡內部的安全威脅，通過網(wǎng)絡安全交換機，對所有經(jīng)過的用戶數(shù)據(jù)包進行監(jiān)視、記錄和分析，實現(xiàn)訪問控制和入侵檢測等功能，有效遏制網(wǎng)絡內部實施的攻擊，對網(wǎng)絡系統(tǒng)提供安全保證；隨著對存儲數(shù)據(jù)加密的重視，基于存儲區(qū)域網(wǎng)的存儲架構和光纖通道加密交換機的使用需求越來越大，因此應開展國產(chǎn)處理器進行光纖通信加密交換機的設計研究；軍用網(wǎng)絡對基于國產(chǎn)芯片的嵌入式防火墻有一定需求，可對嵌入式防火墻的系統(tǒng)結構、防火墻策略、軟件架構進行研究。

4 結 語

為確保在軍事電子信息領域實現(xiàn)彎道超車，取得信息時代戰(zhàn)爭優(yōu)勢，必須高度重視軍用電子元器件在艦船裝備領域的重要作用，從戰(zhàn)略層面應采取一些積極有效的策略。

1）多措并舉，確保關鍵電子元器件自主可控。通過設置專項計劃，以“系統(tǒng)化”技術集成引領技術發(fā)展，從超高速集成電路、半導體制造、微波毫米波單片集成電路、微波功率模塊等專項入手。在專項實施過程中，依托各承研承制單位的研發(fā)技術優(yōu)勢，集中頂尖科技人員，從硬件到軟件，從樣機設計到工程試制，充分利用各單位的科技實力，采用最新的并行設計、網(wǎng)絡化協(xié)同設計和制造技術，實現(xiàn)高水平的技術跨越。通過專項技術的實施，增強和延續(xù)軍事電子信息技術的先進地位，打造具有世界領先水平的一流電子元器件團隊。

2）集中投資關鍵領城，尤其重視基礎性投入。國家和軍隊實施高強度資金投入，尤其重視在微電子元器件基礎理論技術和主要電子器件制造工藝技術2個研發(fā)領域的投入，對軍用電子基礎技術研發(fā)預算需穩(wěn)定在一定的投資力度上，同時建立相應規(guī)章制度，實施檢查落實機制，保證全部投入用于對該領域發(fā)展有重大影響的關鍵基礎技術研究。

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Research on present status and demand of development in independent and controllable ship electrical components

SU Li, GUO Xiao-li, ZHOU Qian, CHEN Yong
(China Ship Research and Development Academy, Beijing 100101, China)

Resently, information key software and hardware technology have gotten significant development, especially performance of basic electronic conponents have improved highly. But electronic component technology and products related to information have lots of differences by comparison with overseas ones. They have restricted the improvement of domestic content and independent-controllable ability. The article analysis present status of basic electronic components for ship equipment, and proposes suggestions of further development and detailed measures.

electrical conponents for military use；independent and controllable；development demand

TN41

A

1672 – 7649(2017)07 – 0153 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.033

2017 – 05 – 21

粟栗(1970 – )，女，高級工程師，主要從事海軍綜合電子信息系統(tǒng)總體研究工作。