我國星載、機載計算機和核心器件相關公司及水平
2019-04-06 12:31:52 未知康拓紅外的資產注入文件，披露航天科技集團旗下軒宇空間生產星載宇航級芯片系列產品；軒宇空間的大股東是中國空間技術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所已開發星載操作系統及星載計算機。
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有限公司官網，其核心器件在中航官網及旗下上市公司沒有找可信的研發信息。
計算機系統及其芯片從可靠性、環境適用性角度分為民用級、工業級、普軍級、宇航級。民用級是大家熟悉的，手機的、PC的，工業級是用于工業控制的系統，普軍級包括戰斗機機載計算機所需的系統及CPU、GPU及存儲器等芯片，宇航級芯片是應用于衛星、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。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品信息。
一、星載計算機及其核心器件
（一）操作系統
20世紀90年代，中國的衛星通常采用程序控制的方式來執行指令，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。
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、空間站建設等，此類復雜任務不斷地對計算機系統及其軟件管理提出了新要求，持續研發中國自主可控、高計算能力的星載計算機及其操作系統是很自然的事情。
“上天”的操作系統需要適應惡劣太空環境，發射及回收沖擊、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SpaceOS星載操作系統，披露了幾個節點的應用。2006年，SpaceOS1操作系統成功在軌運行，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內存管理等更為復雜的功能。
2009年以來，國家規劃的航天任務越來越復雜，比如嫦娥三號的巡視器要實現月面行走，其控制任務愈發復雜，需要相適應的操作系統。
五院研發的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，該操作系統可以和國際上最先進的類似產品相媲美。
天宮一號
天宮、神州、嫦娥已是重達數噸的大家伙。2013年，五院已開始SpaceOS3的研發工作。
（二）操作系統內核
五院星載計算機首席專家華更新研究員總結說：“我國自主研發的空間計算機的操作系統SpaceOS，已經從引進、消化、吸收，逐步過渡到當前的自主可控。”。
有專業人士撰文認為，SpaceOS的代碼編寫借鑒了美國風河系統公司VxWorks653系統，VxWorks最早于1983 年設計開發。
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，的確超越了老師，熱備份所需的通訊、協調和判斷能力遠高于冷備份。媒體也報道過，航天九院771所研發了驪山九天嵌入式操作系統，但未見上星的報道。
五院在研發操作系統的同時，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
1、502所PK 772所
在康拓紅外資產注入文件披露之前，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，即北京微電子技術研究所研發的宇航級芯片。
從公開報道可知，772所生產的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臺計算機產品、14種軟件、33種2376只集成電路產品；2015年新一代北斗導航衛星成系統地使用772所研發的國產芯片，屬國內首次。
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，開發周期長。其官網公布了SoC微處理器型號及其產品手冊，有兩個抗輻射產品，更多的是軍標級微控制器產品，也未披露具體的計算性能和抗輻射數據，且772所從未提及操作系統產品。
502所旗下軒宇空間官網，其SoC系列CPU產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所的確存在競爭關系，或者是互相備份的關系，或各有所長。不過，502所包括操作系統的成系統能力似乎后來居上，或略勝一籌。
2018年2月，國務院國資委官網轉發報道，五院北斗三號副總設計師高益軍介紹說，“北斗三號衛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芯片SoC2012。”，“除了“中國芯”，北斗三號衛星還注入了“中國魂”——五院擁有完全自主知識產權的計算機操作系統SpaceOS2。”。
2、國際先進水平成系統的宇航級芯片
軒宇空間官網介紹的芯片產品，包括CPU、SiP、PROM可編程只讀存儲芯片、SRAM靜態隨機存儲芯片、1553B總線控制器、AD/DA轉換芯片、按口驅動芯片等，其中SoC片上系統CPU均采用三模冗余設計，加上502所的三機熱備份SpaceOS操作系統，生產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，研發歷史近十年，首次應用于2012年10月發射的實踐-9B衛星星載計算機的主份核心芯片，是國內第一款在軌飛行的SoC芯片。該芯片基于SPARC V8體系結構，面向空間應用的高性能、低功耗的32位抗輻射片上系統芯片，計算性能超過86MIPS@100MHz。
SoC2012
截至2016 年年底，共有 500套以上SoC2008 片上系統用于二代導航衛星、探月衛星、小衛星、微小衛星平臺的控制計算機、星敏感器、交會對接敏感器、CMG 等電子產品中。
公司第二款產品四核SoC2012，2015年首飛，性能指標超過了歐洲和美國的同期同類產品，處于國內最高水平和國際先進水平。
SoC2012內部集成四個SPARC V8內核，性能超過了300MIPS 80FLOPS@100MHz，功耗不大于2瓦，基于SoC2012設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星載計算機產品的一半，性能是現有產品的20~60倍，可以滿足衛星對高性能、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 片上系統用于二代導航衛星、探月衛星等的控制計算機、敏感器等電子產品中。
軒宇空間第三款產品是異構多核SoC2016芯片，是國內第一款面向衛星控制、數據處理、圖像處理一體化綜合應用的異構多核SoC產品。集成SPARC V8架構高性能LEON4處理器核和DSP數字信號處理器、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星平臺，其官網未披露應用時間及其衛星、空間站名稱。SoC2008、SoC2012產品，應該定位于小衛星平臺的應用。
除開芯片以外，基于SoC產品形成了多款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，實現了復雜系統功能的高密度異質集成，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品，友好國家的俄方僅可獲取SoC2012、SoC2008。
（四）芯片架構
星載計算機系統中處理器性能的穩定與可靠占有重要地位。在世界范圍內星載計算機系統中處理器架構只有兩種，一種是由美國使用的POWERPC架構，另一種是歐洲主導的SPARC架構，而嵌入式領域的ARM、MIPS、X86等架構，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境中。
SPARC 微處理器結構是歐空局為了擺脫美國對其空間研發能力的制約而獨立開發的。軒宇空間官網披露的SoC宇航CPU，采用了SPARC V8結構，三模冗余設計，其中的SoC2016集成LEON4處理器核。
二、機載計算機
（一）操作系統
中航電子旗下的中航機載系統有限公司官網，披露其系統及產品，包括國產飛行控制系統、機載計算機與網絡系統、火力控制與指揮系統、雷達系統。其中的機載計算機與網絡系統披露了核心操作系統“天脈CoreOS”的簡要情況。公開媒體還有“天脈ACoreOS”操作系統的報道，我們猜測很可能是軍用和民用的區別。
官方媒體報道，2002年由中航計算所發起，空軍總體論證單位需求牽引，研發“天脈CoreOS”，分為天脈1和天脈2操作系統；該系統2014年定型，完全獨立自主研發、掌握全部源代碼后者是分區操作系統。“天脈CoreOS”支持國內外處理器芯片，提供運行時庫、VxWorks兼容組件、OpenGL圖形支持、實時數據庫、TCP/IP協議棧、BIT管理支持、高可靠文件系統等擴展功能組件。
機載計算機系統
我國的主力戰機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，中航系統的機載計算機系統掌握的是設計和集成能力，其中的CPU、GPU及存儲等核心器件的研發和生產全部靠外協。
好在相關上市公司的招股書及定期報告有些相關的披露，國內芯片廠商官網也有一些的公開信息，可以大致推斷國產CPU、GPU等芯片的技術水平及應用時間。
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技術的發展，圖形顯控模塊經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，往往自主編寫驅動程序。
2007年1月，景嘉微完成基于VxWorks操作系統的ATI Mobility Radeon系列GPU圖形處理芯片驅動程序的研發，已成功應用于我國空軍主力戰機。不久，又解決了ATI 生產的顯卡M9、M72、M96驅動程序，填補了基于OpenGL在VxWorks嵌入式系統的三維數字地圖的國內空白，處于國內領先地位，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鑒定審，2014年量產具有完全自主知識產權的GPU-JM5400，打破外國芯片在我國軍用GPU領域的壟斷，實現了軍用GPU的國產化。
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、接口等優于M9。JM5400采用固定流水線的架構設計，支持OpenGL1.3規范，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產品JM7200實現量產并取得第一個訂單，支持可通用編程體系架構，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在2014年前后，已經實現支持多路視頻和圖像疊加輸出、2D/3D數字地圖顯示、畫面旋轉等功能，提升了飛行員的態勢感知能力，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。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，驅動程序國內編制；龍芯、飛騰等國內廠家的技術水平達到一定程度以后，優先選擇國產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于龍芯處理器的戰略合作協議；2007年7月，龍芯2F（代號PLA80）流片成功，是龍芯第一款產品芯片；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域；2015年8月，龍芯新一代高性能處理器架構GS464E發布，繼續使用意法半導體的28nmFDSOI工藝制造芯片。
龍芯
龍芯3A系列產品，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年流片推算的量產時間應該在2014年左右。2015年3月31日發射的北斗導航衛星，首次使用龍芯1E和龍芯1F抗輻照的處理器。
國內存儲芯片尚可，上市公司有兆易創新等，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。中航系統掌控設計和操作系統，核心器件靠外協配套。
星載計算機航天集團的掌控能力較強，基本是大而全，從操作系統到核心器件系統內都能自主生產，其技術水平已在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，原始創新還需要時日。
機載計算機
星載、機載計算機系統的可靠性，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。
