俄羅斯沒有高端芯片,為什么能造出一流武器?
自2018年“芯片封鎖”事件爆發(fā)以來,這幾年,芯片一直成為大家經(jīng)常談?wù)摰脑掝},今天就來講講俄羅斯沒有高端芯片,為什么也能造出一流武器。
現(xiàn)代先進(jìn)武器裝備為何越來越依賴高端芯片
什么是高端芯片?這在國際上并無嚴(yán)格定義和統(tǒng)一說法。現(xiàn)在人們一般所說芯片是指在硅塊上集成的電路。那么高端芯片就是泛指在普通芯片基礎(chǔ)上又有質(zhì)的飛躍,就是集成度更高,速度更快,功能更強(qiáng),甚至可以現(xiàn)場編程的數(shù)字邏輯電路或?qū)S秒娐贰,F(xiàn)代武器裝備早在上世紀(jì)90年代就廣泛采用各種芯片。
但新世紀(jì)以來進(jìn)入信息化戰(zhàn)爭和網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)爭時(shí)代,武器系統(tǒng)中電子設(shè)備的比重迅速增加,對高端芯片的需求也迅速增加。
以美國第五代戰(zhàn)機(jī)F-35為例,它被稱為世界上第一款完全按照信息化作戰(zhàn)的要求設(shè)計(jì)的戰(zhàn)斗機(jī),因?yàn)樗梢耘c目前美軍的作戰(zhàn)體系實(shí)現(xiàn)“無縫兼容”。作戰(zhàn)時(shí)F-35是作為一個(gè)信息作戰(zhàn)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)而存在。機(jī)上裝備的綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的就是最大限度地增強(qiáng)飛行員對整個(gè)戰(zhàn)場態(tài)勢的感知能力;其單機(jī)的電子戰(zhàn)能力甚至能達(dá)到專業(yè)電子戰(zhàn)機(jī)的性能。
一旦發(fā)生戰(zhàn)爭,F(xiàn)-35在美軍的作戰(zhàn)體系中,能夠與空中、海上所有美國武器裝備共享信息。它如何做到這些呢?國外權(quán)威的《簡氏防務(wù)年鑒》上說它“渾身上下都裝了芯片”!
在導(dǎo)彈、雷達(dá)和空天防御武器領(lǐng)域,用得最多的高端芯片,除了常用的高速高精度ADC/DAC芯片外,大致還有三方面,一是武器計(jì)算機(jī)本身芯片。尤其是彈上、機(jī)上計(jì)算機(jī),對芯片的要求極其嚴(yán)苛。二是通訊芯片;是很多武器通信控制中心的支柱。如美國薩德中的C2BMC,靠它實(shí)現(xiàn)全球聯(lián)網(wǎng)。第三要算美國雷達(dá)中大量采用的,美商務(wù)部屢屢點(diǎn)名的DSP(數(shù)字信號處理)和FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)芯片了。
現(xiàn)代武器系統(tǒng)中的電子設(shè)備,其主要任務(wù)簡言之就是接受信息,經(jīng)處理和快速運(yùn)算后輸出指令,去控制執(zhí)行部件。以現(xiàn)代雷達(dá)為例,其數(shù)據(jù)率高達(dá)每秒數(shù)十次,也就是零點(diǎn)幾秒就要運(yùn)算完一次。因此要求信息處理芯片具有實(shí)時(shí),快速,大容量計(jì)算功能。目前最常用的算法是卷積運(yùn)算和傅立葉變換。
這二種運(yùn)算都是大量的相乘和累加的迭代過程,用現(xiàn)代信號處理芯片最簡便?,F(xiàn)代信號處理芯片自1982年推出至今,已經(jīng)歷五代產(chǎn)品,它與過去高速微處理器有很大的不同:一是它能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成32位乘法和累加運(yùn)算,時(shí)間只需1-2納秒;二是多功能;且可并行處理;三是采用所謂“哈佛結(jié)構(gòu)”。
它是一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。具有一條獨(dú)立的地址總線和一條獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線, 兩條總線由程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分時(shí)共用。這樣也就克服了數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠款i,極大地提高了運(yùn)算速度。
至于FPGA,它包含大量門電路,使芯片更集成化,速度更快,可靠性更高。尤其是具有系統(tǒng)內(nèi)可再編程(可再配置)的能力,包括可編程邏輯塊,可編程I/O和可編程內(nèi)部連線。作為信息處理,F(xiàn)PGA大有取代DSP的趨勢。
廣大的設(shè)計(jì)人員是芯片的用戶,當(dāng)然是“拿來主義”。譬如FPGA或DSP,美國著名的FPGA廠商,如Xilinx(中文名賽靈思公司)、Altera公司等都在中國設(shè)立銷售機(jī)構(gòu),供貨充足,服務(wù)周全,連開發(fā)工具都已為你準(zhǔn)備好。
每推出一個(gè)新型號就免費(fèi)為你培訓(xùn),大 大方便你的設(shè)計(jì)工作,甚至可以做出很多“創(chuàng)新”。當(dāng)然這些公司賺得盆滿缽滿,這大約就是一些人所說的“雙贏”。一位資深院士說得好:現(xiàn)在不少成果都是建立在使用國外芯片基礎(chǔ)上得到的;而且動(dòng)輒宣稱世界第一,這不就是“拿別人昨天的東西來打扮自已的明天”!
我們從S-300已公開的資料圖片中看到(如俄羅斯售給希臘的S-300-2系統(tǒng)),它的火控雷達(dá)信號處理也采用FFT技術(shù)。雷達(dá)每一距離通道也是通過FFT運(yùn)算實(shí)現(xiàn)多普勒速度支路。但俄是用小規(guī)模集成電路(IC)來組成。
一個(gè)距離通道就得做成一個(gè)機(jī)柜,而美國只需用一片F(xiàn)PGA或DSP芯片(以及高速高精度ADC/DAC芯片)和一塊印制電路板。所以俄羅斯的電子設(shè)備常給人以傻、大、粗的感覺,常被國內(nèi)一些學(xué)者瞧不起。但俄有他的辦法,并不妨礙他的S-300和S-400成為世界一流的防空導(dǎo)彈系統(tǒng)。
為什么我們造不出美國人那樣的芯片?
我從沒有從事過半導(dǎo)體和芯片的專業(yè)。沒有資格對當(dāng)前芯片問題說三道四。但能從用戶角度反映一些使用情況和意見。2018年4月18日,即美國宣布“禁售”令的第二天,中科院計(jì)算所召開一場在京專家圓桌會(huì)議,會(huì)議的名稱就是“為什么我們造不出美國人那樣的芯片?”。但據(jù)到會(huì)《經(jīng)濟(jì)觀察報(bào)》記者的報(bào)道,會(huì)上專家們討論了一整天,眾說紛紜,還是沒能得出一個(gè)正面回答。
不過會(huì)議還是反映了一些重要信息。例如有專家舉中國的超級計(jì)算機(jī)為例,它以運(yùn)算速度最快在國際比賽中多次拿到第一。
但據(jù)該專家透露,前面六次用的都是美國的芯片(作者注:應(yīng)指“天河二號”超級計(jì)算機(jī)的六連冠,使用了80000塊英特爾公司的Xeon)。2015年4月美國商務(wù)部決定向中國有關(guān)四個(gè)單位禁售有關(guān)芯片后,2016年研發(fā)的“神威·太湖之光”超級計(jì)算機(jī)才 “搭載了全國產(chǎn)的芯片”(作者注:應(yīng)為國產(chǎn)CPU“申威26010”。所謂“搭載”是否指用了一部分?)。最后在國際比賽中以每秒9.3億億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度再次奪冠。因此該專家說“禁售”也是一劑催化劑,使科研人員有了危機(jī)感,在某種程度上就加速了中國自主芯片的發(fā)展。
大家知道,芯片產(chǎn)業(yè)是個(gè)需要前期大量資金和人才投入的行業(yè),是個(gè)投資回報(bào)周期比較長的行業(yè);更是需要薪火相傳,幾代人堅(jiān)持不懈,辛勤勞動(dòng),迭代創(chuàng)新的積累,才能發(fā)展到今天的巔峰。
會(huì)上就有專家指出,目前國際上的半導(dǎo)體行業(yè)巨頭幾乎都在上個(gè)世紀(jì)七八十年代起步,用漫長的時(shí)間和巨量的人才投入,換來了今天的技術(shù)積累。中國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)遺憾地錯(cuò)過了一個(gè)黃金的年代,改革開放后,雖然我們也沒少花力氣,并且在中低檔芯片領(lǐng)域也取得令世人矚目的成就。但對高端芯片的開發(fā),要靠市場競爭機(jī)制,就很難趕上美國的水平了。
到了上世紀(jì)90年代,也曾有一些有遠(yuǎn)見的科學(xué)家如倪光南等人主張自主核心技術(shù),提出要瞄準(zhǔn)美國的主要核心芯片(如英特爾的Xeon),攻克高端芯片技術(shù)難關(guān);并提出不怕多次失敗,最終定能取勝。
但也有一些專家和經(jīng)濟(jì)學(xué)家認(rèn)為做芯片不如買芯片,也就是所謂“用市場換技術(shù)”論;并說不用擔(dān)心美國會(huì)輕易放棄中國這樣巨大市場和巨額利潤。一些主張市場導(dǎo)向的領(lǐng)導(dǎo)也顧忌投入大,風(fēng)險(xiǎn)大。這就使中國的芯片產(chǎn)業(yè)再次遺憾地錯(cuò)過了一個(gè)機(jī)遇。
最近臺灣一家媒體(中時(shí)電子報(bào))發(fā)表了題為“兩岸半導(dǎo)體啟示錄”一文,對這個(gè)問題發(fā)表直截了當(dāng)?shù)目捶ā?strong>文章大意是:兩岸都很重視半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),起步也差不多(同時(shí)分別從日本的NEC和美國RCA引進(jìn)生產(chǎn)線)。大陸政府對半導(dǎo)體的支持還遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過臺灣。半導(dǎo)體技術(shù)是門需要刻苦和長期聚焦鉆研的學(xué)問。尖端技術(shù)攻關(guān)需要科技人員有高度敬業(yè)精神。但現(xiàn)在,在制程和高檔集成電路方面,大陸的確還比不上臺灣(?)。
原因之一是大陸年輕科技人員都在國有企業(yè),沒有危機(jī)感。自然也沒有緊迫感,又怕艱苦,不去也不需要去深入鉆研其中的深?yuàn)W原理和關(guān)鍵技術(shù)。一部分年輕人敬業(yè)精神太差,熱衷于盡快發(fā)財(cái)。一些媒體有自吹自擂的習(xí)慣,自認(rèn)為早已是世界第一。文章最后提出“謙虛地學(xué)與問并長期聚焦專注,是成功的不二法門”。這篇文章提出的論點(diǎn)還是客觀的,值得我們思考。
從武器裝備角度來看當(dāng)前芯片問題,我總覺得有些專家學(xué)者的考慮缺乏一個(gè)重要因素,就是“戰(zhàn)備”。美國人就把芯片看作一種戰(zhàn)備物資。每次對我們制裁、禁售都借口“出于國家安全”。當(dāng)今美國的大戰(zhàn)略是遏制中國,他能允許中美雙贏的局面長期下去嗎?這就使我們想起上世紀(jì)80年代,國內(nèi)曾就我國要不要搞自己的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)展開辯論。
有些學(xué)者表示反對,理由是全世界都在利用美國的GPS,搞北斗耗資大,即使建成將來市場也競爭不過美國。再則GPS不可能關(guān)閉或加密,這樣美國自己也沒法使用了。但90年代后的一些局部戰(zhàn)爭,以及一些國家的軍事演習(xí),美國都有針對性地關(guān)閉GPS有關(guān)功能,并施放加密干擾,證明主張北斗上馬的同志的意見是正確的。
前蘇聯(lián)和俄羅斯微電子、 芯片技術(shù)落后的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)
前蘇聯(lián)和俄羅斯微電子技術(shù)和芯片水平差,原因復(fù)雜。但據(jù)俄文獻(xiàn)說法,主要原因有三:一是上世紀(jì)60年代世界性的由電子管轉(zhuǎn)向半導(dǎo)體。原蘇聯(lián)高層聽信了半導(dǎo)體抗核輻射遠(yuǎn)不如電子管的說法,竭力主張發(fā)展小型電子管。這就使蘇聯(lián)從一開始就錯(cuò)過黃金機(jī)遇。
二是蘇聯(lián)推行一段時(shí)間的“三進(jìn)制”(即 1,0,-1而不是二進(jìn)制的1,0),與國際普遍推行的二進(jìn)制不兼容,浪費(fèi)了很多時(shí)間和精力。三是原蘇聯(lián)為了平衡各加盟國利益,將微電子產(chǎn)業(yè)分布各加盟國。
蘇聯(lián)解體后導(dǎo)致半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)碎片化。加以俄經(jīng)歷十年經(jīng)濟(jì)休克時(shí)期,經(jīng)濟(jì)恢復(fù)遲緩,無力全面重振昔日輝煌。所以在核心技術(shù)問題上犯方向性錯(cuò)誤,損失常常是巨大的。他山之石可以攻玉,這些教訓(xùn)使我們避免重蹈覆轍。
俄沒有高端芯片為何仍能頻頻 推出世界一流的新武器裝備?
從2014年烏克蘭危機(jī)后至今,俄羅斯經(jīng)受西方一輪又一輪的制裁,但卻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,有第五代戰(zhàn)機(jī)蘇-57投產(chǎn),有第四代防空系統(tǒng)S-400的服役,第五代防空系統(tǒng)S-500打靶成功,以及新一代戰(zhàn)略反導(dǎo)系統(tǒng)A-235戰(zhàn)斗值班等等。
西方記者渲染:俄羅斯“頻頻發(fā)出令人不寒而栗的提醒!”。所以有讀者提出疑問,俄基礎(chǔ)工業(yè)水平差,微電子技術(shù)又一直是俄羅斯的短板。俄羅斯推出這些世界一流的新武器,又缺乏世界一流的微電子技術(shù)和高端芯片。俄羅斯又強(qiáng)調(diào)自力更生基本上不使用外國的元器件(西方也禁售高端電子器件)。俄羅斯科技人員是如何解決這一矛盾的?
我曾在“俄尖端武器研發(fā)為何沒有芯片危機(jī)?”一文中初步剖析俄如何解決這個(gè)矛盾。簡言之就是依靠“自主創(chuàng)新”的思想。再具體說,一是靠科技人員“揚(yáng)長避短”的設(shè)計(jì)思想。充分利用俄在導(dǎo)彈飛行力學(xué)、慣性制導(dǎo)技術(shù)和器件,發(fā)動(dòng)機(jī),微波電真空技術(shù),模擬電路等基礎(chǔ)技術(shù)優(yōu)勢,依靠俄科技人員聰明才智,彌補(bǔ)數(shù)字技術(shù)的不足。這種彌補(bǔ)不是簡單的替代,而是一種創(chuàng)新。
如作者在“芯片危機(jī)”一文中曾舉例,俄用他激晶體振蕩器作為中頻信號積累,其體積甚至比集成電路還小,就是一個(gè)典型的成功例子。俄科技人員揚(yáng)長避短,一方面是出于無奈,但另方面卻促使模擬電路技術(shù)有了新的發(fā)展和進(jìn)步。
第二是靠科技人員“系統(tǒng)第一”的設(shè)計(jì)思想。后者就是指“武器部件的水平可以一般,但系統(tǒng)水平,包括武器系統(tǒng)性能指標(biāo)和武器可靠性必須一流”。例如在空天防御武器領(lǐng)域,從俄高層領(lǐng)導(dǎo)到導(dǎo)彈系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師,他們清醒地認(rèn)識到俄的基礎(chǔ)工業(yè)遠(yuǎn)遜于美國,應(yīng)該實(shí)事求是發(fā)展自己的空天防御武器。
他們有二條不成文的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:
一條是不能要求武器系統(tǒng)指標(biāo)全面超過美國,或者項(xiàng)項(xiàng)指標(biāo)世界第一。俄沒有力量全面和美國拼比。所以要抓住主要指標(biāo),解決主要矛盾,使主要指標(biāo)世界領(lǐng)先。
第二不能要求系統(tǒng)中所有設(shè)備和部件都是一流的,但要求各個(gè)設(shè)備自主創(chuàng)新,盡量做到揚(yáng)長避短。主要追求實(shí)效和穩(wěn)定、高可靠,而不刻意追求采用先進(jìn)元器件和先進(jìn)技術(shù),不在乎外貌有點(diǎn)“傻、大、粗”。然后由總師們綜合出主要性能突出,水平世界一流的防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)。這一不成文法則被西方一些文獻(xiàn)譽(yù)為俄羅斯研發(fā)武器的“金科玉律”。
作者認(rèn)為這一點(diǎn)對我們很有啟示作用。前一階段,我國的科技界表現(xiàn)出某種浮躁情緒,就是各行各業(yè)都要全面趕超美國,并宣稱有很多方面已經(jīng)或早已超過美國。實(shí)際上就拿高端芯片來說,要承認(rèn)我們和美國的差距是需要長期艱苦奮斗才可能趕上的。
即使到那時(shí)也不能設(shè)想所有高端品種芯片全部趕超美國,事實(shí)上只要一些主要品種趕上或接近世界一流水平就很不錯(cuò)了。當(dāng)然核心技術(shù)必須掌握在自己手中。武器研發(fā)人員追求武器水平世界一流,他不在乎所用芯片水平是否世界第一。
要自主創(chuàng)新還得有敢于創(chuàng)新的精神。比如俄S-300系統(tǒng)的設(shè)計(jì),他們敢于創(chuàng)新的精神還是很值得我們借鑒的。首先是波段選擇,美國的愛國者使用的是C波段。而俄技術(shù)人員提出用更高的X波段,以進(jìn)一步提高雷達(dá)的性能。但在當(dāng)時(shí)有很大冒險(xiǎn)性。不僅是元器件研制和供應(yīng)都很困難。
相控陣?yán)走_(dá)需要的關(guān)鍵調(diào)試設(shè)備“X波段大型天線近場測試系統(tǒng)”的制作也沒有把握(要求在幾米大的測試架上的采樣頭在任意點(diǎn)作三維移動(dòng)時(shí),定位精度不大于百分之一的波長,即0.3mm)。但俄羅斯敢于搶先占領(lǐng)這一技術(shù)高點(diǎn),并且是世界上第一個(gè)研制出大型X波段的近場測試系統(tǒng)。
另外關(guān)于相控陣?yán)走_(dá)天線饋電方式,美國學(xué)者和工程界一直主張用分支饋電(通過大量電纜或波導(dǎo)分支)方式,否定空間饋電方式。但俄科技人員在空間饋電方面取得重大突破和成功。本世紀(jì)初一次國際雷達(dá)年會(huì)上,美國雷達(dá)專家巴登聽了俄羅斯總師葉夫勒莫夫的報(bào)告,知道空間饋電已在S-300上正式采用時(shí),他大加贊揚(yáng)俄科技人員的創(chuàng)新精神和毅力。并在會(huì)上作了這樣一段有意思的講話:
西方的相控陣?yán)走_(dá)研制者們,自1960年以來就一直全神貫注于分支饋電的設(shè)計(jì),都傾向于忽視和拒絕這種空間饋電的途徑?!?。到1988年時(shí)還自以為是認(rèn)為空間饋電技術(shù)不夠成熟?!?。在1993-1994年由IEEEE相控陣天線發(fā)展的詳細(xì)科目大綱中甚至沒有提及空間饋電陣列。西方雷達(dá)工程界的這種態(tài)度把發(fā)展的空間饋電陣列技術(shù)全部留給了俄羅斯工程師們,使他們得以精力充沛地進(jìn)入這個(gè)空白之地。
由于俄基礎(chǔ)科研非常扎實(shí),大家相信,只要俄經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步好轉(zhuǎn),他的微電子技術(shù)和高端芯片技術(shù)一定會(huì)有新的發(fā)展和騰飛。否則低水平的微電子技術(shù)或有可能成為俄進(jìn)一步發(fā)展信息化、網(wǎng)絡(luò)化武器的瓶頸。所以我們借鑒俄發(fā)展尖端武器的經(jīng)驗(yàn),主要學(xué)習(xí)人家自主創(chuàng)新和敢于創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思想和精神,而不是去仿效他的具體做法。
“用市場換技術(shù)”之路走不通
我國微波電子管等核心器件走的彎路 也說明 “用市場換技術(shù)”之路走不通。
其實(shí)類似此次中興事件的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)并不是第一次。上世紀(jì)80-90年代,當(dāng)美蘇等國正在化大力氣研發(fā)新一代微波大功率電子管,以裝備新一代大功率雷達(dá)時(shí),我們卻強(qiáng)調(diào)市場經(jīng)濟(jì),敲鑼打鼓地去關(guān)閉掉不賺錢的電子管廠,大學(xué)里關(guān)閉不受學(xué)生歡迎的電真空專業(yè)(據(jù)說是微波有害,電真空材料有害)。
一些專家則發(fā)愁后繼無人。在有些人腦中形成一個(gè)似是而非的概念:電子管要比晶體管落后,晶體管要比集成電路落后,集成電路又比芯片落后。需要的話可以花錢去國外市場買。
直到后來西方嚴(yán)禁向我國出售大功率微波電子管時(shí),才明白過來。俄科技人員在這方面比我們聰明,他們的微波電真空技術(shù)水平很高,獨(dú)樹一幟,在促進(jìn)俄先進(jìn)武器的發(fā)展上起了重大作用。
“愛國科學(xué)家齊發(fā)力 中國芯很快將崛起”
我國每年都由工信部舉辦“中國集成電路產(chǎn)業(yè)促進(jìn)大會(huì)”,2016和2017年二屆我的一位學(xué)生都參加了。他回來后向我們轉(zhuǎn)達(dá)大會(huì)情況和我國芯片產(chǎn)業(yè)的尷尬處境。2017年我國集成電路產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達(dá)5000億人民幣,約占全球份額的11%,而我國的臺灣卻占到16%。按營業(yè)收入排隊(duì),全球前20名大半導(dǎo)體企業(yè),大陸一家沒有,而臺灣有臺積電等三家入圍。
我國每年進(jìn)口的美國半導(dǎo)體產(chǎn)品,主要是高端芯片,達(dá)2300億美元,堪比我軍一年的經(jīng)費(fèi)。美國的幾家芯片巨頭在中國市場無一例外賺得盆滿缽滿,但多年來還多次以國家安全為由,揮起知識產(chǎn)權(quán)大棒,一會(huì)要禁售這家,一會(huì)要制裁那家,目的就是扼殺我國的芯片產(chǎn)業(yè),而將核心技術(shù)永遠(yuǎn)掌握在他們手中。
“芯片事件”,固然是壞事,但處理得當(dāng)也很有可能成為我國高端芯片發(fā)展的再一次黃金機(jī)遇。據(jù)我學(xué)生所說,二次會(huì)上很多科技人員表示要摩拳擦掌,大干一番。會(huì)上更有一批海歸人員,他們中有些在國外從事芯片技術(shù)多年,回國想用自己專長報(bào)效祖國。而且還號召仍在國外的同事不要錯(cuò)過機(jī)遇。他們在會(huì)上還提出“愛國科學(xué)家齊發(fā)力 中國芯很快將崛起”的口號。
科技之爭歸根結(jié)底就是人才之爭,只要政策對頭,重視人才,團(tuán)結(jié)一切可以團(tuán)結(jié)的力量,相信中國高端芯片很快將崛起。
來源:世界先進(jìn)制造技術(shù)論壇
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