自主可控關(guān)鍵軟硬件在我國宇航領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展建議

倪光南，朱新忠

（1.中國科學(xué)院 計算技術(shù)研究所，北京 100190；2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引言

隨著基礎(chǔ)工業(yè)能力的發(fā)展，我國信息技術(shù)和電子信息產(chǎn)業(yè)的整體水平已有較大提高，但在關(guān)鍵軟硬件的設(shè)計與工藝等方面與世界先進水平仍有較大差距［1］。推進關(guān)鍵軟硬件自主可控，構(gòu)建自主創(chuàng)新體系，已成為推動我國電子信息產(chǎn)業(yè)由大到強的戰(zhàn)略選擇。關(guān)鍵軟硬件的自主可控，核心在于電子元器件的自主研制與基礎(chǔ)軟件的內(nèi)核全面自主可控。

2006 年《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》確定，通過核高基科技重大專項的實施，彌補我國電子信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力薄弱等問題，目標在高端通用芯片、基礎(chǔ)軟件和核心電子器件領(lǐng)域基本形成具有國際競爭力的高新技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新體系［2-3］。隨著國家的相關(guān)持續(xù)投入，我國關(guān)鍵軟硬件產(chǎn)品譜系已得到較大完善，核心技術(shù)自主可控能力大幅提升［4］。

隨著國際局勢演變與中美貿(mào)易摩擦升級，中興、華為等多家中國高科技企業(yè)被美國列入實體禁運清單，核心技術(shù)受制于人已成為制約我國電子信息產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展的瓶頸，自主可控道路已成為我國關(guān)鍵軟硬件發(fā)展的核心共識［4］?；谇捌谠陉P(guān)鍵軟硬件自主可控能力建設(shè)的持續(xù)投入與顯著效果，我國應(yīng)在核心電子元器件、操作系統(tǒng)軟件等核心技術(shù)的自主可控能力上繼續(xù)投入，提升我國電子信息產(chǎn)業(yè)的核心競爭力。

1 電子信息產(chǎn)業(yè)形勢現(xiàn)狀

2018 年以來，隨著中美摩擦升級與國際形勢惡化，美國對華策略逐漸從貿(mào)易戰(zhàn)升級至科技戰(zhàn)，美國相繼將中興、華為、?？档雀呖萍计髽I(yè)列入實體清單，制裁其使用進口核心元器件、電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation，EDA）工具等，我國信息領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)業(yè)受到嚴重影響。為遏制我國電子信息產(chǎn)業(yè)向高端、核心領(lǐng)域發(fā)展，以美國為首的西方國家已對中國開展全面制裁［5］。

在此背景之下，中國海關(guān)總署于2019 年1 月提供的數(shù)據(jù)顯示，中國集成電路進口額首破2 萬億元人民幣，連續(xù)數(shù)年位居國家進口種類首位。而國內(nèi)電子產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵軟硬件產(chǎn)品，大部分仍依靠國外進口，距離實現(xiàn)全面自主可控仍有較大差距［6］。同時，由于國家間利益沖突，進口元器件可能會在設(shè)計、制造、封裝、測試等環(huán)節(jié)被人為植入后門，因而會被竊取重要商業(yè)數(shù)據(jù)，甚至摧毀關(guān)鍵設(shè)備。

民用領(lǐng)域尚且如此，軍用領(lǐng)域更無須多言。軍事設(shè)備的自主可控直接關(guān)系到國防軍事安全，若不能實現(xiàn)關(guān)鍵軟硬件自主可控，會始終處于受制于人、被動挨打的局面。我國正在加快構(gòu)建軍用核心電子元器件、基礎(chǔ)軟件的自主創(chuàng)新機制，在軍事裝備發(fā)展新時期，各方通力合作促進產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同攻關(guān)，構(gòu)建信息安全和軍用裝備自主可控的戰(zhàn)略新生態(tài)。

在國產(chǎn)軍用核心元器件方面，我國已在中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、現(xiàn)場可編程邏輯陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）、數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）、存儲器等核心電子器件領(lǐng)域逐步形成自主可控能力［7-8］，見表1。CPU 方面，龍芯、航天772 所研制的國產(chǎn)CPU 已大量應(yīng)用于關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施以及軍事裝備系統(tǒng)［9-10］。在FPGA 產(chǎn)品領(lǐng)域，國內(nèi)復(fù)旦微電子、紫光同創(chuàng)、成都華微等公司已完成國產(chǎn)7 系列FPGA 研制，穩(wěn)步追趕國際先進水平［11-13］。在存儲器領(lǐng)域，長江存儲等公司已成功研制NOR FLASH、NAND FLASH 等國產(chǎn)存儲器，后續(xù)逐步在存儲容量、讀寫速率等方面取得突破。

表1 國產(chǎn)核心電子器件研制進展Tab.1 Research of key electronic components in China

在國產(chǎn)基礎(chǔ)軟件方面，EDA 設(shè)計工具、嵌入式操作系統(tǒng)也在逐步推動自主可控進程。在EDA 工具方面，北京華大九天軟件有限公司已能提供1/3 產(chǎn)業(yè)所需EDA 解決方案，實現(xiàn)28 nm 及以上制程工藝全覆蓋，基本滿足目前軍用元器件的設(shè)計需求［14］。在嵌入式操作系統(tǒng)方面，我國翼輝等全自主嵌入式操作系統(tǒng)已在各領(lǐng)域型號產(chǎn)品中逐步開展應(yīng)用［15］。

雖然我國在芯片設(shè)計的自主可控方面已取得重大突破，但在芯片基礎(chǔ)制造能力方面仍與國際領(lǐng)先水平有差距較大。相較于臺積電、Intel 已成熟的7 nm 制程工藝，我國中芯國際等公司僅實現(xiàn)28 nm工藝代工，在制造工藝與制造裝備的自主研制均處于起步階段。光刻機、刻蝕機、清洗機、切割機等工序設(shè)備，以及光刻膠、高純度水等基礎(chǔ)材料均嚴重依賴進口［4］。

2 上海航天技術(shù)研究院自主可控總體思路

隨著我國航天事業(yè)快速發(fā)展，嫦娥五號、天問一號等重大型號任務(wù)相繼取得成功，我國正在由“航天大國”向“航天強國”穩(wěn)步邁進，宇航裝備不斷向高集成度、多功能、低功耗方向發(fā)展，迫切需要高性能、小型化、低功耗、高可靠的電子元器件。宇航元器件是支撐裝備發(fā)展和國家安全的重要戰(zhàn)略資源，西方各國對華實施嚴厲的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品禁運，導(dǎo)致當(dāng)前航天重大工程和武器裝備使用的高性能宇航元器件嚴重依賴進口，受制于人。

上海航天技術(shù)研究院作為我國涵蓋領(lǐng)域最全的航天總體研究院，覆蓋導(dǎo)彈系統(tǒng)、運載火箭、衛(wèi)星、飛船和探測器5 大領(lǐng)域，應(yīng)用核心元器件與基礎(chǔ)軟件的種類也最為廣泛。長期以來，上海航天技術(shù)研究院以型號實際需求牽引關(guān)鍵軟硬件的自主可控工作，推動國產(chǎn)電子元器件、基礎(chǔ)軟件在型號的實際應(yīng)用。

在元器件自主可控方面，上海航天技術(shù)研究院基于國內(nèi)廠家研制能力的提升，采取從易到難的分步實施策略，從分立器件到接口電路，最終實現(xiàn)CPU、DSP、FPGA 等核心器件的自主可控。1）基于型號選用進口元器件的實際情況，牽引國內(nèi)廠家對標進口器件功能、性能開展研制，在保障型號任務(wù)的同時，提升各廠家器件研制能力，堅定其為航天型號配套的信心；2）根據(jù)型號任務(wù)的發(fā)展，主動提出器件研制需求，積極策劃、立項，推動廠家正向研制產(chǎn)品；3）面向新技術(shù)發(fā)展趨勢，上海航天技術(shù)研究院主動梳理微系統(tǒng)產(chǎn)品需求，根據(jù)實際應(yīng)用特點開展微系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，推動單機功能的芯片化集成。

在基礎(chǔ)軟件方面，以往型號軟件的底層開發(fā)模式隨著裝備復(fù)雜化、智能化要求已不再適用，上海航天技術(shù)研究院已逐步走向基于嵌入式操作系統(tǒng)的星上應(yīng)用軟件開發(fā)模式。由于國產(chǎn)宇航領(lǐng)域操作系統(tǒng)仍不成熟，對星載操作系統(tǒng)的應(yīng)用也面臨道路抉擇。1）基于已有進口或開源操作系統(tǒng)內(nèi)核開展國產(chǎn)操作系統(tǒng)研制，通過引進、消化、吸收的模式推進自主可控；2）開展全自主內(nèi)核國產(chǎn)操作系統(tǒng)研制，并基于領(lǐng)域特點開展宇航應(yīng)用開發(fā)與可靠性加固，滿足宇航應(yīng)用要求。

3 上海航天技術(shù)研究院自主可控取得成就

“十一五”以來，我國相繼啟動“核高基”等重大科技專項工作，支持國內(nèi)各廠家開展宇航用關(guān)鍵軟硬件的自主研制。經(jīng)過20 多年的持續(xù)投入與自主奮斗，已在核心硬件自主研制、基礎(chǔ)軟件支撐配套和工藝平臺能力建設(shè)等方面取得重要突破。我國宇航領(lǐng)域長期堅持自主可控原則，在型號研制過程中均要求優(yōu)先選用國產(chǎn)元器件，已形成國產(chǎn)器件驗證與應(yīng)用的平臺能力［16］。

作為宇航領(lǐng)域關(guān)鍵軟硬件的最重要用戶，上海航天技術(shù)研究院大力推動國產(chǎn)核心元器件與操作系統(tǒng)軟件的應(yīng)用驗證與型號裝備工作，積極策劃新品立項與型譜研制，在解決型號自主可控的同時，支撐我國核心元器件研制能力的提升。

上海航天技術(shù)研究院作為宇航裝備自主可控的責(zé)任主體，一直致力于型號自主可控、元器件應(yīng)用驗證等方面工作，率先開展了X 波段空間行波管放大器、國產(chǎn)抗輻照SM1750 處理器和國產(chǎn)抗輻照SM28F256 PROM 存儲器等多款器件應(yīng)用驗證與首次在軌應(yīng)用。在型號研制之余，上海航天技術(shù)研究院承擔(dān)百余項各級應(yīng)用驗證項目，從器件應(yīng)用驗證原理中，科學(xué)設(shè)計驗證試驗，從驗證試驗中提煉驗證方法，突破了器件級、板級、系統(tǒng)級應(yīng)用驗證技術(shù)，形成應(yīng)用驗證指南500 余項、通用驗證裝置200余套；建立了應(yīng)用驗證平臺，有效提升了國產(chǎn)元器件的質(zhì)量和可靠性；指導(dǎo)設(shè)計師根據(jù)元器件特性使用國產(chǎn)元器件，扭轉(zhuǎn)設(shè)計師對國產(chǎn)元器件“進口元器件插拔替換”的想法；加速元器件從新品研制到工程成熟應(yīng)用的過程，促進國產(chǎn)元器件在宇航型號上的推廣應(yīng)用和自主保障能力的提高［17］。

作為核高基、型譜、新品項目最具影響力的用戶單位，上海航天技術(shù)研究院參與國產(chǎn)元器件研制的全過程，主動開展新研元器件的應(yīng)用驗證，支撐國家項目考核與驗收［9］。在國產(chǎn)元器件型號應(yīng)用方面積極探索新模式、新思路。2015 年9 月，基于自主研發(fā)的浦江一號，積極開展了26 項國產(chǎn)器件的在軌集成示范應(yīng)用，地面與在軌同步考核，為國產(chǎn)SM28F256 型PROM、三維封裝存儲器等核心關(guān)鍵元器件積累了豐富的在軌數(shù)據(jù)，成功推動在氣象、對地觀測、空間科學(xué)等衛(wèi)星型號的全面應(yīng)用［10］。2019 年，以S 頻段天地一體化應(yīng)答機、星敏感器為試點，基于國產(chǎn)元器件開展100%國產(chǎn)化單機的研制工作，并通過鑒定，已為各型號實現(xiàn)配套。

在國產(chǎn)操作系統(tǒng)方面，考慮內(nèi)核安全性與后續(xù)可擴展性，上海航天技術(shù)研究院為響應(yīng)國家全面自主可控的要求，選擇了直接研制內(nèi)核全自主國產(chǎn)操作系統(tǒng)的“一步到位”道路。上海航天技術(shù)研究院成功研制風(fēng)云翼輝（AIC-OS）嵌入式操作系統(tǒng)，并于2020 年2 月在新技術(shù)試驗衛(wèi)星C 星、D 星成功首飛，目前已在軌正常工作16 個月。同時，風(fēng)云翼輝于2020 年5 月通過專家組現(xiàn)場審查，成為進入裝發(fā)軟硬件名錄的唯一大型實時、自主可控嵌入式操作系統(tǒng)。風(fēng)云翼輝嵌入式操作系統(tǒng)的成功研制與應(yīng)用，支撐了星上嵌入式軟件高效、高可靠的根本要求，彌補了我國航天領(lǐng)域操作系統(tǒng)空白。同時，上海航天技術(shù)研究院正在逐步推動風(fēng)云翼輝嵌入式操作系統(tǒng)在船舶、導(dǎo)彈等領(lǐng)域的應(yīng)用，推進我國基礎(chǔ)軟件建設(shè)事業(yè)。

4 重點發(fā)展建議

多年來我國宇航領(lǐng)域切實推動自主可控工作，在一定時期內(nèi)發(fā)揮較大作用，適應(yīng)裝備自主、安全發(fā)展要求。然而，面對新時代自主可控要求與宇航型號發(fā)展需求，目前自主可控思路、現(xiàn)狀仍不能滿足要求，本文從以下3 個方面提出重點發(fā)展建議。

4.1 支持核心器件正向研制

目前，我國宇航領(lǐng)域核心元器件的自主可控缺乏自頂向下的系統(tǒng)設(shè)計和持續(xù)路線，未形成真正意義上的產(chǎn)品體系［18］。更重要的是，我國宇航元器件標準長期借鑒國外成熟標準，與國內(nèi)基礎(chǔ)與實現(xiàn)條件結(jié)合不夠緊密，發(fā)揮作用較為有限。并且我國宇航元器件的研制，主要對標進口器件的功能性能指標，以跟仿研制與反向設(shè)計的模式為主，往往出現(xiàn)仿制成功即落后于人的被動局面。

我國尚未實現(xiàn)核心電子元器件的彎道超車。因此，要立足國內(nèi)設(shè)計、工藝、生產(chǎn)水平，結(jié)合宇航型號實際需求開展核心元器件的功能定義與正向設(shè)計，形成自主產(chǎn)品體系。根據(jù)型號需求開展航天微系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，通過國產(chǎn)芯粒、自主IP 核等構(gòu)建國產(chǎn)微系統(tǒng)產(chǎn)品，實現(xiàn)長期困擾宇航裝備信息安全的核心信息元器件國產(chǎn)化和自主保障問題。推動新型自主架構(gòu)核心產(chǎn)品的研制與應(yīng)用，在類腦芯片、人工智能加速芯片和存算一體芯片等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，支撐型號產(chǎn)品跨越式發(fā)展。

4.2 提升“研用”轉(zhuǎn)化能力

“十一五”以來，隨著我國基礎(chǔ)工業(yè)水平與微電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，宇航領(lǐng)域部分元器件已實現(xiàn)自主研制并形成產(chǎn)品譜系，然而部分器件在應(yīng)用環(huán)節(jié)仍然出現(xiàn)問題，設(shè)計師對國產(chǎn)元器件的可靠性、適應(yīng)性仍存有擔(dān)心，導(dǎo)致大部分航天裝備上典型關(guān)鍵單機的核心元器件仍然是進口產(chǎn)品，國產(chǎn)元器件缺乏應(yīng)用機會，研制水平、生產(chǎn)規(guī)模和應(yīng)用能力發(fā)展緩慢［19-21］。

航天科技集團率先提出應(yīng)用驗證是元器件研用轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵所在。為避免國產(chǎn)元器件研而不用、應(yīng)用水平低下導(dǎo)致上機率較低的問題，通過航天領(lǐng)域電子元器件、基礎(chǔ)軟件等產(chǎn)品的應(yīng)用驗證工作，實現(xiàn)研用結(jié)合，從元器件、單機、系統(tǒng)各層面，全方位、多角度評價考核國產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件的可靠性，找到薄弱環(huán)節(jié)和缺陷，協(xié)助產(chǎn)品研究單位改進提升，提高設(shè)計師應(yīng)用水平，促進我國高端微電子產(chǎn)業(yè)和航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

同時，通過“十二五”“十三五”期間國家的大力支持，已在應(yīng)用驗證的標準規(guī)范、通用流程等方面形成完善的制度。為了進一步提升“研用轉(zhuǎn)換”能力，后續(xù)應(yīng)推動應(yīng)用驗證向設(shè)計前端控制轉(zhuǎn)變，在充分了解器件應(yīng)用需求的前提下，在器件設(shè)計、研制過程中，對關(guān)鍵參數(shù)加嚴控制，實現(xiàn)國產(chǎn)器件研制完成后的型號直接應(yīng)用，縮減從研制到應(yīng)用的傳統(tǒng)流程。

4.3 推動國產(chǎn)操作系統(tǒng)應(yīng)用

隨著宇航型號任務(wù)愈發(fā)繁重，尤其是互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星等巨型星座的啟動實施，研制周期已成為制約型號研制的重要瓶頸。基于傳統(tǒng)星上嵌入式軟件的開發(fā)流程需耗費大量人力資源與開發(fā)周期的現(xiàn)狀，嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用已成為航天型號的重要發(fā)展方向。

然而，目前國家對于國產(chǎn)操作系統(tǒng)應(yīng)用的支持力度不足，對選用裝發(fā)名錄內(nèi)軟件的剛性不夠，部分型號仍在選用進口操作系統(tǒng)開展軟件研制。推動內(nèi)核全自主嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用，通過系統(tǒng)提供的應(yīng)用庫函數(shù)、航天標準服務(wù)組件以及標準驅(qū)動接口，可支撐星上嵌入式軟件的快速、高效開發(fā)。同時，保證航天裝備安全性、可靠性、可維護性與可擴展性，是推動我國宇航事業(yè)發(fā)展與自主可控進程的重要途徑。

5 結(jié)束語

關(guān)鍵軟硬件的自主可控是國家政治、軍事、經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要體現(xiàn)，也是我國由“航天大國”邁向“航天強國”的必經(jīng)之路。自主可控工作是一項艱巨的系統(tǒng)工程，亟需在觀念上、機制上、管理上實現(xiàn)突破，在基礎(chǔ)軟硬件研制、應(yīng)用驗證能力建設(shè)、國產(chǎn)操作系統(tǒng)應(yīng)用等方面取得進一步成果。