我國星載、機載計算機和核心器件相關(guān)公司及水平
2019-04-06 12:31:52 未知康拓紅外的資產(chǎn)注入文件，披露航天科技集團旗下軒宇空間生產(chǎn)星載宇航級芯片系列產(chǎn)品；軒宇空間的大股東是中國空間技術(shù)研究院旗下的北京控制工程研究所，即五院502研究所，公開媒體報道，502所已開發(fā)星載操作系統(tǒng)及星載計算機。
機載計算機的信息主要來自上市公司中航電子旗下中航機載系統(tǒng)有限公司官網(wǎng)，其核心器件在中航官網(wǎng)及旗下上市公司沒有找可信的研發(fā)信息。
計算機系統(tǒng)及其芯片從可靠性、環(huán)境適用性角度分為民用級、工業(yè)級、普軍級、宇航級。民用級是大家熟悉的，手機的、PC的，工業(yè)級是用于工業(yè)控制的系統(tǒng)，普軍級包括戰(zhàn)斗機機載計算機所需的系統(tǒng)及CPU、GPU及存儲器等芯片，宇航級芯片是應用于衛(wèi)星、運載火箭的星載計算機、箭載計算機及其芯片。
SoC2008
普軍級以上的芯片，公開媒體披露的信息較少，隨著軍民融合的推進，不少上市公司涉足普軍級以上的芯片生產(chǎn)。國家航天研究院所及其子公司也因軍民融合的需要，披露的信息多于航空軍用產(chǎn)品信息。
一、星載計算機及其核心器件
（一）操作系統(tǒng)
20世紀90年代，中國的衛(wèi)星通常采用程序控制的方式來執(zhí)行指令，就是編寫一段程序代碼反復地運行，任務較簡單，無需高效的星載計算機及其操作系統(tǒng)。
隨著我國航天器在軌任務越來越復雜，如交會對接、深空探測、空間站建設(shè)等，此類復雜任務不斷地對計算機系統(tǒng)及其軟件管理提出了新要求，持續(xù)研發(fā)中國自主可控、高計算能力的星載計算機及其操作系統(tǒng)是很自然的事情。
“上天”的操作系統(tǒng)需要適應惡劣太空環(huán)境，發(fā)射及回收沖擊、太空輻射、高溫差以及在軌運行可達十余年、人工干預很難等，其安全性、可靠性要求可想而知。
公開媒體報道，自2001年五院開始研發(fā)SpaceOS星載操作系統(tǒng)，披露了幾個節(jié)點的應用。2006年，SpaceOS1操作系統(tǒng)成功在軌運行，可以同時完成包括軌道計算等5個任務，無任務間的通信和動態(tài)內(nèi)存管理等更為復雜的功能。
2009年以來，國家規(guī)劃的航天任務越來越復雜，比如嫦娥三號的巡視器要實現(xiàn)月面行走，其控制任務愈發(fā)復雜，需要相適應的操作系統(tǒng)。
五院研發(fā)的SpaceOS2，已于2011年在天宮一號，2012年在神舟九號，2013年12月在嫦娥三號上成功應用；SpaceOS2的能力提高了一個數(shù)量級，可以同時管理幾十個任務，同步做到快速、有序存儲，該操作系統(tǒng)可以和國際上最先進的類似產(chǎn)品相媲美。
天宮一號
天宮、神州、嫦娥已是重達數(shù)噸的大家伙。2013年，五院已開始SpaceOS3的研發(fā)工作。
（二）操作系統(tǒng)內(nèi)核
五院星載計算機首席專家華更新研究員總結(jié)說：“我國自主研發(fā)的空間計算機的操作系統(tǒng)SpaceOS，已經(jīng)從引進、消化、吸收，逐步過渡到當前的自主可控。”。
有專業(yè)人士撰文認為，SpaceOS的代碼編寫借鑒了美國風河系統(tǒng)公司VxWorks653系統(tǒng)，VxWorks最早于1983 年設(shè)計開發(fā)。
這個說法與航天集團官方的引進、消化到自主可控的說法有些接近。但是，SpaceOS可靠性更加突出，其三機熱備份替代原有的兩機冷備份系統(tǒng)，的確超越了老師，熱備份所需的通訊、協(xié)調(diào)和判斷能力遠高于冷備份。媒體也報道過，航天九院771所研發(fā)了驪山九天嵌入式操作系統(tǒng)，但未見上星的報道。
五院在研發(fā)操作系統(tǒng)的同時，已部署芯片等核心器件的研制工作。
（三）芯片等核心器件的研發(fā)
1、502所PK 772所
在康拓紅外資產(chǎn)注入文件披露之前，502所全資子公司軒宇空間的宇航級智能芯片研發(fā)能力未被人識。券商研報等公開資料，更多地提到九院772所，即北京微電子技術(shù)研究所研發(fā)的宇航級芯片。
從公開報道可知，772所生產(chǎn)的CPU芯片已有十余年的歷史，2003年首顆芯片上天，似乎比502所更早；媒體報道，2012年6月16日，神舟九號飛船成功發(fā)射，與天宮一號交會對接，九院為神舟九號提供了箭載計算機等17種31臺計算機產(chǎn)品、14種軟件、33種2376只集成電路產(chǎn)品；2015年新一代北斗導航衛(wèi)星成系統(tǒng)地使用772所研發(fā)的國產(chǎn)芯片，屬國內(nèi)首次。
772所最早上天的可能并非SoC芯片，或并非CPU芯片，而是一種ASIC即定制芯片，成本高，開發(fā)周期長。其官網(wǎng)公布了SoC微處理器型號及其產(chǎn)品手冊，有兩個抗輻射產(chǎn)品，更多的是軍標級微控制器產(chǎn)品，也未披露具體的計算性能和抗輻射數(shù)據(jù)，且772所從未提及操作系統(tǒng)產(chǎn)品。
502所旗下軒宇空間官網(wǎng)，其SoC系列CPU產(chǎn)品明確標明計算能力和抗輻射指標，顯得較為自信。可見，772所與502所的確存在競爭關(guān)系，或者是互相備份的關(guān)系，或各有所長。不過，502所包括操作系統(tǒng)的成系統(tǒng)能力似乎后來居上，或略勝一籌。
2018年2月，國務院國資委官網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)報道，五院北斗三號副總設(shè)計師高益軍介紹說，“北斗三號衛(wèi)星計算任務最大的高性能運算中心使用了‘中國芯’——五院自主研制的我國第一片抗輻照四核片上系統(tǒng)芯片SoC2012。”，“除了“中國芯”，北斗三號衛(wèi)星還注入了“中國魂”——五院擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的計算機操作系統(tǒng)SpaceOS2。”。
2、國際先進水平成系統(tǒng)的宇航級芯片
軒宇空間官網(wǎng)介紹的芯片產(chǎn)品，包括CPU、SiP、PROM可編程只讀存儲芯片、SRAM靜態(tài)隨機存儲芯片、1553B總線控制器、AD/DA轉(zhuǎn)換芯片、按口驅(qū)動芯片等，其中SoC片上系統(tǒng)CPU均采用三模冗余設(shè)計，加上502所的三機熱備份SpaceOS操作系統(tǒng)，生產(chǎn)不同需求的宇航級星載計算機是分分鐘的事。
軒宇空間的CPU芯片SoC2008，研發(fā)歷史近十年，首次應用于2012年10月發(fā)射的實踐-9B衛(wèi)星星載計算機的主份核心芯片，是國內(nèi)第一款在軌飛行的SoC芯片。該芯片基于SPARC V8體系結(jié)構(gòu)，面向空間應用的高性能、低功耗的32位抗輻射片上系統(tǒng)芯片，計算性能超過86MIPS@100MHz。
SoC2012
截至2016 年年底，共有 500套以上SoC2008 片上系統(tǒng)用于二代導航衛(wèi)星、探月衛(wèi)星、小衛(wèi)星、微小衛(wèi)星平臺的控制計算機、星敏感器、交會對接敏感器、CMG 等電子產(chǎn)品中。
公司第二款產(chǎn)品四核SoC2012，2015年首飛，性能指標超過了歐洲和美國的同期同類產(chǎn)品，處于國內(nèi)最高水平和國際先進水平。
SoC2012內(nèi)部集成四個SPARC V8內(nèi)核，性能超過了300MIPS 80FLOPS@100MHz，功耗不大于2瓦，基于SoC2012設(shè)計的新一代抗輻射加固星載計算機，其體積、重量和功耗只有同類傳統(tǒng)星載計算機產(chǎn)品的一半，性能是現(xiàn)有產(chǎn)品的20~60倍，可以滿足衛(wèi)星對高性能、高可靠、小型化的進一步需求。
截至2016年年底， 共有 200套以上 SoC2012 片上系統(tǒng)用于二代導航衛(wèi)星、探月衛(wèi)星等的控制計算機、敏感器等電子產(chǎn)品中。
軒宇空間第三款產(chǎn)品是異構(gòu)多核SoC2016芯片，是國內(nèi)第一款面向衛(wèi)星控制、數(shù)據(jù)處理、圖像處理一體化綜合應用的異構(gòu)多核SoC產(chǎn)品。集成SPARC V8架構(gòu)高性能LEON4處理器核和DSP數(shù)字信號處理器、浮點處理器、1553B總線、CAN總線、SpaceWire總線、DMA控制器等。
SoC2016計算性能超過800MIPS 200MFLOPS@200MHz，功耗不大于3瓦，性能指標達到國際先進水平。
SoC2016應該定位于計算需求較高的大衛(wèi)星平臺，其官網(wǎng)未披露應用時間及其衛(wèi)星、空間站名稱。SoC2008、SoC2012產(chǎn)品，應該定位于小衛(wèi)星平臺的應用。
除開芯片以外，基于SoC產(chǎn)品形成了多款SiP星載計算機模塊，集成了SoC2008、SRAM、FLASH等9顆芯片，將運算、控制、接口、存儲等功能芯片陶瓷封裝于一個模塊中，實現(xiàn)了復雜系統(tǒng)功能的高密度異質(zhì)集成，體積、重量、功耗降低80%以上，達到國際先進水平。
3、出口及其出口限制
SoC2012已批量出口俄羅斯近200片，是俄官方批準的宇航應用處理器之一。軒宇空間坦誠，SoC2016芯片屬于限制出口產(chǎn)品，友好國家的俄方僅可獲取SoC2012、SoC2008。
（四）芯片架構(gòu)
星載計算機系統(tǒng)中處理器性能的穩(wěn)定與可靠占有重要地位。在世界范圍內(nèi)星載計算機系統(tǒng)中處理器架構(gòu)只有兩種，一種是由美國使用的POWERPC架構(gòu)，另一種是歐洲主導的SPARC架構(gòu)，而嵌入式領(lǐng)域的ARM、MIPS、X86等架構(gòu)，不能夠應用于宇宙空間的高溫、低溫、高真空、高輻射以及可維護性差星載計算環(huán)境中。
SPARC 微處理器結(jié)構(gòu)是歐空局為了擺脫美國對其空間研發(fā)能力的制約而獨立開發(fā)的。軒宇空間官網(wǎng)披露的SoC宇航CPU，采用了SPARC V8結(jié)構(gòu)，三模冗余設(shè)計，其中的SoC2016集成LEON4處理器核。
二、機載計算機
（一）操作系統(tǒng)
中航電子旗下的中航機載系統(tǒng)有限公司官網(wǎng)，披露其系統(tǒng)及產(chǎn)品，包括國產(chǎn)飛行控制系統(tǒng)、機載計算機與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、火力控制與指揮系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)。其中的機載計算機與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)披露了核心操作系統(tǒng)“天脈CoreOS”的簡要情況。公開媒體還有“天脈ACoreOS”操作系統(tǒng)的報道，我們猜測很可能是軍用和民用的區(qū)別。
官方媒體報道，2002年由中航計算所發(fā)起，空軍總體論證單位需求牽引，研發(fā)“天脈CoreOS”，分為天脈1和天脈2操作系統(tǒng)；該系統(tǒng)2014年定型，完全獨立自主研發(fā)、掌握全部源代碼后者是分區(qū)操作系統(tǒng)。“天脈CoreOS”支持國內(nèi)外處理器芯片，提供運行時庫、VxWorks兼容組件、OpenGL圖形支持、實時數(shù)據(jù)庫、TCP/IP協(xié)議棧、BIT管理支持、高可靠文件系統(tǒng)等擴展功能組件。
機載計算機系統(tǒng)
我國的主力戰(zhàn)機J10驗證機1994年首飛、J20驗證機2011年首飛，估計J20、J10C可以趕上天脈CoreOS或天脈ACoreOS。
（二）核心器件
中航集團披露的機載計算機及其核心芯片的信息非常有限，可以肯定的是，中航系統(tǒng)的機載計算機系統(tǒng)掌握的是設(shè)計和集成能力，其中的CPU、GPU及存儲等核心器件的研發(fā)和生產(chǎn)全部靠外協(xié)。
好在相關(guān)上市公司的招股書及定期報告有些相關(guān)的披露，國內(nèi)芯片廠商官網(wǎng)也有一些的公開信息，可以大致推斷國產(chǎn)CPU、GPU等芯片的技術(shù)水平及應用時間。
1、GPU
景嘉微的招股書披露，20世紀90年代以來，隨著DSP、FPGA和GPU技術(shù)的發(fā)展，圖形顯控模塊經(jīng)歷了三個主要里程碑。上世紀80年代至2007年前后，我國機載顯示處在CRT電光顯示儀表與有源矩陣液晶顯示器過度的階段；至2014年前后，航空機載系統(tǒng)的核心器件采用高配進口的GPU商用芯片，為了防范風險，往往自主編寫驅(qū)動程序。
2007年1月，景嘉微完成基于VxWorks操作系統(tǒng)的ATI Mobility Radeon系列GPU圖形處理芯片驅(qū)動程序的研發(fā)，已成功應用于我國空軍主力戰(zhàn)機。不久，又解決了ATI 生產(chǎn)的顯卡M9、M72、M96驅(qū)動程序，填補了基于OpenGL在VxWorks嵌入式系統(tǒng)的三維數(shù)字地圖的國內(nèi)空白，處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，解決了商用級圖形處理芯片軍用化的重大難題。
2009年7月，景嘉微首款GPU圖形顯控模塊通過技術(shù)鑒定審，2014年量產(chǎn)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的GPU-JM5400，打破外國芯片在我國軍用GPU領(lǐng)域的壟斷，實現(xiàn)了軍用GPU的國產(chǎn)化。
M9是ATI公司在2002年9月推出的圖形處理芯片，JM5400在工藝、外存帶寬及容量、接口等優(yōu)于M9。JM5400采用固定流水線的架構(gòu)設(shè)計，支持OpenGL1.3規(guī)范，片上封裝兩組DDR3存儲器，每組位寬32位，共1GB容量，顯存帶寬為12.8GB/s，內(nèi)核頻率550MHz，像素填充率為2.2G pixels/s，采用PCI接口。
2019年初，景嘉微第二款GPU產(chǎn)品JM7200實現(xiàn)量產(chǎn)并取得第一個訂單，支持可通用編程體系架構(gòu)，具備opencl計算加速功能。公司該款芯片是通用GPU，應該不是軍用的。
由此，可以判斷機載顯控系統(tǒng)在2014年前后，已經(jīng)實現(xiàn)支持多路視頻和圖像疊加輸出、2D/3D數(shù)字地圖顯示、畫面旋轉(zhuǎn)等功能，提升了飛行員的態(tài)勢感知能力，基本與國際接軌。景嘉微坦陳，我國的GPU水平還落后國際先進水平大致10年。
2、CPU
我國CPU廠家還沒有上市公司，未見公開報道，那款CPU明確應用于機載計算機系統(tǒng)。有一點可以肯定，我國機載計算機CPU自主可控的路徑與GPU類似，前期采用進口高配的商用芯片，驅(qū)動程序國內(nèi)編制；龍芯、飛騰等國內(nèi)廠家的技術(shù)水平達到一定程度以后，優(yōu)先選擇國產(chǎn)CPU。
龍芯CPU最早于2001年5月，中科院計算所龍芯課題組正式成立，2006年3月18日首款主頻超過1GHz的通用CPU龍芯2E（代號CZ70）流片成功；2006年10月，中法兩國在北京簽署了與意法半導體公司關(guān)于龍芯處理器的戰(zhàn)略合作協(xié)議；2007年7月，龍芯2F（代號PLA80）流片成功，是龍芯第一款產(chǎn)品芯片；2009年9月，我國首款四核CPU龍芯3A（代號PRC60）流片成功，主要面向工控和終端等領(lǐng)域；2012年10月，八核32納米龍芯3B1500流片成功，龍芯3號系列龍芯3號系列為64位多核系列處理器, 主要面向桌面和服務器等領(lǐng)域；2015年8月，龍芯新一代高性能處理器架構(gòu)GS464E發(fā)布，繼續(xù)使用意法半導體的28nmFDSOI工藝制造芯片。
龍芯
龍芯3A系列產(chǎn)品，主頻800MHz-1GHz，40nm CMOS-65nm CMOS，40mm*40mm FCBGA封裝，主要面向工控和終端等領(lǐng)域。龍芯3A中的某一款最有可能被機載計算機選中，從2012年流片推算的量產(chǎn)時間應該在2014年左右。2015年3月31日發(fā)射的北斗導航衛(wèi)星，首次使用龍芯1E和龍芯1F抗輻照的處理器。
國內(nèi)存儲芯片尚可，上市公司有兆易創(chuàng)新等，這里不多贅述。
通過上面的梳理，機載計算機從操作系統(tǒng)到CPU、GPU等，較成熟的時間應該在2014年前后，總體上與國際先進水平約有10年的差距。中航系統(tǒng)掌控設(shè)計和操作系統(tǒng)，核心器件靠外協(xié)配套。
星載計算機航天集團的掌控能力較強，基本是大而全，從操作系統(tǒng)到核心器件系統(tǒng)內(nèi)都能自主生產(chǎn)，其技術(shù)水平已在2014年前后完成追趕，目前幾乎處在與國際先進水平并跑的階段，原始創(chuàng)新還需要時日。
機載計算機
星載、機載計算機系統(tǒng)的可靠性，除開操作及其核心器件以外，還有一些外在的加固方式，與我們常見的計算機有完全不同的外形。
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