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我们一直强调高端芯片的价值,俄罗斯却反其道而行之,追本溯源
发布时间:2018-08-10
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半导体芯片下的尖端武器

 

我们都在强调什么是高端半导体芯片,这些高端芯片又是如何设计出的?其实对于武器这个方面,真是这样吗?这个问题我先保留自己的看法,因为或许俄罗斯在这一方面更有发言权。

 

绝大多数设计人员是半导体芯片的用户,当然是“拿来主义”。譬如FPGA或DSP,美国著名的FPGA厂商,如Xilinx(中文名赛灵思公司)、Altera公司等都在中国设立销售机构,供货充足,服务周全,连开发工具都已为你准备好。每推出一个新型号就免费为你培训,大大方便你的设计工作,甚至可以做出很多“创新”。当然这些公司赚得盆满钵满,这大约就是一些人所说的“双赢”。一位资深院士说得好:现在不少成果都是建立在使用国外半导体芯片基础上得到的;而且动辄宣称世界第一,这不就是“拿别人昨天的东西来打扮自已的明天”!

 

所以我们现在要讲,什么是高端半导体芯片?这在国际上并无严格定义和统一说法。现在人们一般所说半导体芯片是指在硅块上集成的电路。那么高端半导体芯片就是泛指在普通半导体芯片基础上又有质的飞跃,就是集成度更高,速度更快,功能更强,甚至可以现场编程的数字逻辑电路或专用电路。现代武器装备早在上世纪90年代就广泛采用各种半导体芯片。但新世纪以来进入信息化战争和网络化战争时代,武器系统中电子设备的比重迅速增加,对高端半导体芯片的需求也迅速增加。以美国第五代战机F-35为例,它被称为世界上第一款完全按照信息化作战的要求设计的战斗机,因为它可以与目前美军的作战体系实现“无缝兼容”。作战时F-35是作为一个信息作战的一个节点而存在。机上装备的综合电子战系统设计目的就是最大限度地增强飞行员对整个战场态势的感知能力;其单机的电子战能力甚至能达到专业电子战机的性能。一旦发生战争,F-35在美军的作战体系中,能够与空中、海上所有美国武器装备共享信息。它如何做到这些呢?国外权威的《简氏防务年鉴》上说它“浑身上下都装了半导体芯片”!

 

半导体芯片细节图

 

现代武器系统中的电子设备,其主要任务简言之就是接受信息,经处理和快速运算后输出指令,去控制执行部件。以现代雷达为例,其数据率高达每秒数十次,也就是零点几秒就要运算完一次。因此要求信息处理半导体芯片具有实时,快速,大容量计算功能。目前最常用的算法是卷积运算和富利哀变换。这二种运算都是大量的相乘和累加的迭代过程,用现代信号处理半导体芯片最简便。现代信号处理半导体芯片自1982年推出至今,已经历五代产品,它与过去高速微处理器有很大的不同:一是它能在一个指令周期内完成32位乘法和累加运算,时间只需1-2纳秒;二是多功能;且可并行处理;三是采用所谓“哈佛结构”。它是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线, 两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。这样也就克服了数据流传输的瓶颈,极大地提高了运算速度。

 

这个时候,作为邻居的俄罗斯,却又给我们抛出了一个问题,俄没有高端半导体芯片为何仍能频频推出世界一流的新武器装备?

 

从2014年乌克兰危机后至今,俄罗斯经受西方一轮又一轮的制裁,但却仍能一批又一批推出世界一流的新武器。如在空天防御方面,有第五代战机苏-57投产,有第四代防空系统S-400的服役,第五代防空系统S-500打靶成功,以及新一代战略反导系统A-235战斗值班等等。西方记者渲染:俄罗斯“频频发出令人不寒而栗的提醒!”。所以有读者提出疑问,俄基础工业水平差,微电子技术又一直是俄罗斯的短板。俄罗斯推出这些世界一流的新武器,又缺乏世界一流的微电子技术和高端半导体芯片。俄罗斯又强调自力更生基本上不使用外国的元器件(西方也禁售高端电子器件)。俄罗斯科技人员是如何解决这一矛盾的?

 

我想,第一当然是靠科技人员“系统第一”的设计思想。后者就是指“武器部件的水平可以一般,但系统水平,包括武器系统性能指标和武器可靠性必须一流”。例如在空天防御武器领域,从俄高层领导到导弹系统总设计师,他们清醒地认识到俄的基础工业远逊于美国,应该实事求是发展自己的空天防御武器。他们有二条不成文的设计准则:一条是不能要求武器系统指标全面超过美国,或者项项指标世界第一。俄没有力量全面和美国拼比。所以要抓住主要指标,解决主要矛盾,使主要指标世界领先。第二不能要求系统中所有设备和部件都是一流的,但要求各个设备自主创新,尽量做到扬长避短。主要追求实效和稳定、高可靠,而不刻意追求采用先进元器件和先进技术,不在乎外貌有点“傻、大、粗”。然后由总师们综合出主要性能突出,水平世界一流的防空导弹武器系统。这一不成文法则被西方一些文献誉为俄罗斯研发武器的“金科玉律”。

 

第二,就是靠科技人员“扬长避短”的设计思想。充分利用俄在导弹飞行力学、惯性制导技术和器件,发动机,微波电真空技术,模拟电路等基础技术优势,依靠俄科技人员聪明才智,弥补数字技术的不足。这种弥补不是简单的替代,而是一种创新。如作者在“半导体芯片危机”一文中曾举例,俄用他激晶体振荡器作为中频信号积累,其体积甚至比集成电路还小,就是一个典型的成功例子。俄科技人员扬长避短,一方面是出于无奈,但另方面却促使模拟电路技术有了新的发展和进步。

 

俄罗斯武器看起来有点“傻大个”,但是主要性能却一点不含糊,这就是因为俄罗斯工程师没有要求样样指标超过美国,但牢牢抓住了主要指标世界一流的这个“金科玉律”。

 

让人印象深刻的是,上世纪八九十年代,当美苏大力研发新一代微波大功率电子管,以装备新一代大功率雷达时,有些国家嫌弃电子管产业不赚钱,遂安排相关厂家转产,院校也不再设电真空专业,不少人脑海里还形成似是而非的概念:电子管要比晶体管落后,晶体管要比集成电路落后,集成电路又比芯片落后。到后来,当一些大国严控大功率微波电子管出口和技术输出,人们才明白其中的门道。从这意义上看,不能仅凭概念来规划和领导科技事业。只有重视基础研究,重视自主创新,才能把核心技术牢牢掌握在自己手中

 

关于这两点,在前一阶段,我国的科技界表现出某种浮躁情绪,就是各行各业都要全面赶超美国,并宣称有很多方面已经或早已超过美国。实际上就拿高端半导体芯片来说,要承认我们和美国的差距是需要长期艰苦奋斗才可能赶上的。即使到那时也不能设想所有高端品种半导体芯片全部赶超美国,事实上只要一些主要品种赶上或接近世界一流水平就很不错了。当然核心技术必须掌握在自己手中。武器研发人员追求武器水平世界一流,他不在乎所用半导体芯片水平是否世界第一。

 

或许,这就为什么俄罗斯为什么会保持大国不变的一个真理吧,我们听到了很多消息说俄罗斯如何如何穷困,和我们中国比较又是怎样怎样动乱,但是,其实我们每个人心里都在对俄罗斯表示敬意,为什么呢?或许你再回头看看文章,便能从其中窥见真理。

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