愛國科學(xué)家齊發(fā)力 中國芯很快將崛起

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?，F(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)算和富利哀變換。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和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(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器和數(shù)據(jù)存儲器分時(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?。文章大意是：兩岸都很重視半?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。

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。

此次“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?？萍贾疇帤w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。