中國發射首枚使用“龍芯”北斗衛星
2015-04-22 09:29:49 中國科學報“龍芯”上天，意味著我國衛星導航系統在自主可控的征程上邁出關鍵一步——
3月31日，中國北斗衛星導航系統多了一位新成員。作為第17顆北斗衛星，這位新成員接過了“自主可控”的接力棒。據該衛星總設計師、來自上海微小衛星工程中心的林寶軍介紹，這顆由中科院負責研制的新一代導航衛星大量使用國產化器部件，并首次使用中國制造的“龍芯”中央處理器（CPU）。
4月20日上午，新一代北斗衛星上裝著“中國芯”的計算機正式開機，意味著我國衛星導航系統在自主可控的征程上邁出關鍵一步。
性能好過“買來的”
據媒體報道，在最近發射的新一代北斗衛星上，部件的國產化率達到95%，而作為最核心的元器件，CPU的自主化也受到較高關注。
“此次搭載的處理器是‘龍芯’的兩款芯片——龍芯1E和龍芯1F抗輻照處理器。”中科院國家空間科學中心研究員、中科院復雜航天系統電子信息技術重點實驗室副主任安軍社在接受記者采訪時說。
安軍社表示，新一代北斗衛星上有3個被稱為“單機”的黑盒子，每個約有4本400頁的32開圖書摞起來那么大。其中兩個黑盒子里，每個裝了2片龍芯1E芯片和4片龍芯1F芯片。
“這兩個黑盒子的主要任務是用于完成星間鏈路的數據處理，即支持北斗各顆衛星之間的通訊數據處理任務。龍芯1E負責進行常規運算，龍芯1F完成數據采集、開關控制、通訊等處理功能。”安軍社說。
“目前，與我們在國際上能買來的芯片相比，龍芯1E和龍芯1F的性能還是要更好一些，處理能力和可靠性也與國際上能買到的持平。”安軍社告訴記者。
輻射是最大威脅
對于計算機芯片處理器來說，從地到天，不只是送上去那么簡單。銀河宇宙輻射、地磁捕獲輻射、太陽粒子事件，宇宙中的各種輻射是衛星上處理器面臨的最大環境“威脅”。
“這些輻射會對元器件造成物理損傷。”安軍社舉例說，輻射的總劑量效應會使芯片的性能不斷下降，直到壞掉；高能的粒子打到芯片里，會直接損壞芯片的內部工藝，使電流突然增加，最終導致芯片燒毀。
中科院計算所研究員章立生介紹說，“龍芯”處理器可根據用戶需求進行設計，而抗輻照成了作為用戶的國家空間科學中心和上海微小衛星工程中心對龍芯一號的最重要需求。
中科院計算所研究員、總工程師胡偉武在接受記者采訪時介紹說，就目前國際在軌運行的衛星來看，芯片的抗輻照能力是一大技術難點。記者了解到，我國使用的大部分元器件抗輻照能力較差，加之受到國際禁運的限制，能買到的處理器性能有限。正因如此，對元器件抗輻照能力的要求成為國家戰略性需求。
早在2006年，中科院計算所就開始研究抗輻照加固技術。“十五”期間就已基本掌握此項技術，并在“十一五”期間走上產業化道路。
中科院國家空間科學中心也在為此努力。安軍社介紹說，在設計上，一方面努力減少電荷的累積效應，另一方面通過隔離措施，防止芯片在受到高能粒子撞擊時出現電流不斷增加的情況。掌握技術后，他們又花了大量時間將芯片“裝進”設備。
“龍芯1E和1F抗輻照芯片成功進行星載應用，表明中科院已經掌握抗輻照的設計能力。”胡偉武說。
“全部換成國產的”
為讓“龍芯”順利上天，曾有近一年的時間，負責做龍芯1F外圍接口研制的中科院國家空間科學中心研究人員周莉幾乎把辦公室搬到了計算所里。“那段時間，我每天都待在計算所做仿真調試、驗證工作等實驗，基本上是‘5+2’‘白+黑’的節奏。”周莉告訴記者。
在中科院重大科技任務局的統籌下，為了一個共同的目標，中科院研究所之間的合作越發緊密起來。在胡偉武看來，“龍芯”上天充分體現了中科院的綜合實力和集中力量辦大事的優勢。
“在這個過程中，‘龍芯’已逐漸從純研究為主轉向跟應用和市場緊密結合。”胡偉武表示，用戶的督促也使其技術水平螺旋式上升。
對于未來，胡偉武表示，中科院計算所、自動化所、微電子所、上海微小衛星工程中心、國家空間科學中心等機構可在中科院的統一規劃和領導下共同構建星上計算機的體系架構。“星上計算機要形成體系，并最終實現全面的國產化。”
安軍社則告訴記者：“我國星載處理器的性能與國外還有很大差距。‘十三五’期間，我們還要在提升CPU性能上繼續努力，最終把星載設備全部換成國產的。”
