航空微電子及關(guān)鍵技術(shù)

以集成電路為核心的微電子技術(shù)，在軍事通信、軍事指揮、軍事偵察、電子干擾和反干擾、無(wú)人機(jī)、軍用飛機(jī)、導(dǎo)彈，雷達(dá)、自動(dòng)化武器系統(tǒng)等方面得到廣泛應(yīng)用，覆蓋了軍事信息領(lǐng)域的方方面面。因此，現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)又被稱(chēng)為“芯片之戰(zhàn)”。出于國(guó)防裝備的需要，世界軍事強(qiáng)國(guó)不僅重視通用微電子技術(shù)發(fā)展，也十分重視專(zhuān)用微電子技術(shù)的發(fā)展。這是因?yàn)閷?zhuān)用微電子產(chǎn)品不僅在國(guó)防裝備中應(yīng)用廣泛，而且對(duì)國(guó)防裝備的作戰(zhàn)效能起著關(guān)鍵作用。美國(guó)提出，在其防務(wù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)中，集成電路是最重要的因素。20世紀(jì)80年代美國(guó)就將集成電路列為戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。決定航空電子系統(tǒng)成本和技術(shù)的關(guān)鍵和核心，是以航空關(guān)鍵集成電路和元器件為核心的航空微電子技術(shù)和產(chǎn)品。

當(dāng)前微電子科學(xué)技術(shù)一個(gè)重要的發(fā)展方向，就是由集成電路（IC）向集成系統(tǒng)（IS）轉(zhuǎn)變，并由此產(chǎn)生了微系統(tǒng)。微系統(tǒng)有兩重含義：一是將電子信息系統(tǒng)集成到硅芯片上，即信息系統(tǒng)的芯片集成——片上系統(tǒng)或System on-a-Chip（SoC）。另一含義就是微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）和微光機(jī)電系統(tǒng)。

SoC將一個(gè)基于PCB上實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能盡可能的轉(zhuǎn)化為基于功能、性能高度集成的基于硅的系統(tǒng)級(jí)芯片實(shí)現(xiàn)。因此，SoC盡可能多的集成系統(tǒng)的功能，可以減小系統(tǒng)體積重量，提高系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的可靠性，并能降低系統(tǒng)的制造成本。

MCM（Multi-Chip Module）是利用先進(jìn)的微組裝技術(shù)將多個(gè)（2個(gè)或以上）集成電路管芯及其他微型元器件組裝在單一封裝外殼內(nèi)，形成具有一定部件或系統(tǒng)功能的高密度微電子組件?；贛CM基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的系統(tǒng)級(jí)封裝SIP（System in Package），是將整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中所有的電路管芯和其他微型元器件組裝在單一封裝外殼內(nèi)的技術(shù)。MCM/SIP技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用將是突破傳統(tǒng)封裝固有瓶頸的一種有效途徑，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)集成電路的封裝密度、處理速度、體積、重量及可靠性等方面提出新的應(yīng)用要求。

上世紀(jì)90年代，美國(guó)NASA為實(shí)現(xiàn)太空飛船小型和微型化提出先進(jìn)飛行計(jì)算機(jī)計(jì)劃（AFC），將MCM 作為在微電子領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位的重要技術(shù)加以發(fā)展，并確定其為2010年前重點(diǎn)發(fā)展的十大軍民兩用高新技術(shù)之一。 日本一直以來(lái)都是MCM 技術(shù)的推崇者，他們建立的MCM技術(shù)協(xié)會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)多芯片組件的發(fā)展與應(yīng)用。

雖然SoC可以集成多種功能IP，但多工藝混合的IP難以采用SoC在單一硅片上實(shí)現(xiàn)， 因此雖然SoC發(fā)展迅速，但并不能取代MCM/SIP技術(shù)，一定程度上來(lái)講，MCM/SIP技術(shù)是對(duì)SoC實(shí)現(xiàn)小型化的重要補(bǔ)充。因此，SoC/MCM（SIP）技術(shù)固有的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，是航空電子系統(tǒng)低功耗、高性能、高可靠、超小型化的發(fā)展的永恒追求，也是航空電子系統(tǒng)發(fā)展迫切需要的核心技術(shù)之一。

航空微電子產(chǎn)業(yè)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

航空電子系統(tǒng)所用關(guān)鍵集成電路與元器件的基本上可以分為四大類(lèi)別：通用高端芯片、航空專(zhuān)用集成電路、機(jī)載任務(wù)子系統(tǒng)專(zhuān)用處理芯片、航空核心元器件。

1、通用高端芯片，主要是指處理類(lèi)、存儲(chǔ)類(lèi)、電源類(lèi)、A/D、D/A、OP等類(lèi)別的集成電路。高端通用芯片決定航空電子系統(tǒng)的整體性能，是航空系統(tǒng)中不可缺少的一類(lèi)重要器件。由于武器裝備發(fā)展的需求超前于我國(guó)集成電路的研制和國(guó)產(chǎn)化，各項(xiàng)主戰(zhàn)裝備進(jìn)入設(shè)計(jì)定型時(shí)，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)無(wú)“芯”可用的狀況，導(dǎo)致定型裝備的高端通用芯片基本依賴(lài)于進(jìn)口，在重點(diǎn)型號(hào)中幾款用量大的CPU芯片大都要依靠進(jìn)口，只有少數(shù)是國(guó)產(chǎn)化的CPU芯片，而且性能都比較低。

2、航空專(zhuān)用集成電路，主要包是指總線網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，以及使用MCM、SIP設(shè)計(jì)的模塊。航空專(zhuān)用集成電路一般分為兩種：第一種是滿(mǎn)足航空標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和規(guī)范的專(zhuān)用電路，如支持ARINC429協(xié)議、1553B協(xié)議、光纖通道FC-AE協(xié)議等的電路，它決定了航空電子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。這類(lèi)芯片主要是總線協(xié)議處理類(lèi)芯片，是航空電子系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)”，遍布飛機(jī)的各個(gè)部件和角落。第二種是滿(mǎn)足飛機(jī)應(yīng)用環(huán)境要求的專(zhuān)用集成電路。這類(lèi)芯片是面向航空電子系統(tǒng)的應(yīng)用需求特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的芯片。歐美新一代飛機(jī)研制中，廣泛使用了SoC/MCM（SIP）技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能、高可靠性、超小型化的最終目標(biāo)。為了達(dá)到F-22等新一代飛機(jī)綜合核心處理機(jī)（ICP）對(duì)“性能/體積”方面的要求，美國(guó)“寶石臺(tái)”計(jì)劃中定義了多達(dá)12種MCM。

3、機(jī)載任務(wù)子系統(tǒng)專(zhuān)用處理電路，主要包括彈載計(jì)算機(jī)小型化核心芯片、頭顯定位處理系統(tǒng)芯片、頭/平顯畸變校正芯片、機(jī)載專(zhuān)用遠(yuǎn)程激光測(cè)距芯片以及機(jī)載防撞系統(tǒng)綜合信號(hào)處理芯片等。機(jī)載任務(wù)子系統(tǒng)專(zhuān)用處理電路是決定航電任務(wù)子系統(tǒng)或設(shè)備某些特定性能的專(zhuān)用集成電路，如彈載計(jì)算機(jī)、頭顯定位處理系統(tǒng)芯片、頭/平顯畸變校正芯片、機(jī)載專(zhuān)用遠(yuǎn)程激光測(cè)距芯片和機(jī)載防撞系統(tǒng)綜合信號(hào)處理芯片。目前國(guó)內(nèi)該類(lèi)任務(wù)子系統(tǒng)多采用專(zhuān)用電路板卡實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)主要在于體積大、功耗高、集成度低、數(shù)據(jù)處理時(shí)間長(zhǎng)等。

4、航空核心元器件，包括航空專(zhuān)用傳感器、制導(dǎo)與導(dǎo)航器件、連接器、斷路器、T/R組件等，這是在航電系統(tǒng)或設(shè)備中有重要作用的元器件，如光電探測(cè)器、光電收發(fā)器、航空連接器、航空專(zhuān)用壓力傳感器敏感元件及處理芯片、GNC電路、相控陣?yán)走_(dá)中的超薄三維集成射頻模塊等。

航空微電子國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展

以航空關(guān)鍵集成電路和元器件為核心的航空微電子技術(shù)和產(chǎn)品，具有以下特點(diǎn)：品種多、用量少、環(huán)境可靠性要求高；研發(fā)、驗(yàn)證及全機(jī)壽命維護(hù)周期長(zhǎng)；對(duì)體積、功耗、壽命、性能要求高；投資巨大，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大。

上述特點(diǎn)與微電子產(chǎn)業(yè)要求的批量經(jīng)濟(jì)規(guī)律相違背，為了降低裝備成本，國(guó)外率先開(kāi)始了通用商用芯片（COTS）應(yīng)用于軍事工業(yè)的研究。根據(jù)美國(guó)國(guó)防部“保持信息優(yōu)越性”的戰(zhàn)略要求，國(guó)防科學(xué)部需要提供可信任的、長(zhǎng)期的、及時(shí)供應(yīng)的集成電路以及持續(xù)提高芯片處理能力和獲取軍事價(jià)值信息的新方法。美國(guó)國(guó)防部針對(duì)商用芯片如何應(yīng)用于軍事需求，也非常慎重。美國(guó)國(guó)防科學(xué)委員會(huì)和美國(guó)國(guó)會(huì)認(rèn)為芯片的離岸制造是一種安全隱患。在目前高度全球化的集成電路產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈中，產(chǎn)品定義和代碼屬于可信范圍，IP、庫(kù)、EDA工具屬于半可信，加工制造屬于不可信。美國(guó)國(guó)防預(yù)研局（DARPA）于2006年啟動(dòng)了芯片可信任（Trust in IC）計(jì)劃，意圖找到一種對(duì)芯片的評(píng)估和測(cè)試方法以確認(rèn)芯片的安全性和可信性，內(nèi)容涉及包括IC的設(shè)計(jì)、制造和封裝。

為支撐航空工業(yè)發(fā)展需求，基于對(duì)航空專(zhuān)用微電子產(chǎn)業(yè)的認(rèn)識(shí)，為保持在航空工業(yè)技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家各主要飛機(jī)制造公司都有自己微電子技術(shù)研發(fā)力量和產(chǎn)業(yè)鏈，一般包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、封裝和測(cè)試等各個(gè)環(huán)節(jié)。

國(guó)內(nèi)集成電路相關(guān)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)環(huán)境薄弱，航空微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于系統(tǒng)的應(yīng)用需求，航空電子系統(tǒng)大量使用商業(yè)器件且高端芯片大都依靠進(jìn)口。但事實(shí)上商用集成電路和元器件無(wú)法完全滿(mǎn)足軍事及航空應(yīng)用的需求，且存在重大技術(shù)、安全隱患：

不能滿(mǎn)足持久、可控的自主保障能力

戰(zhàn)爭(zhēng)情況下能否依賴(lài)別人？庫(kù)存能夠支持多久的戰(zhàn)爭(zhēng)？

能否具備航空武器全壽命周期保障性？

惡劣環(huán)境、各種“極端”條件下，不能滿(mǎn)足系統(tǒng)功能完整性、確定性

必須考慮惡劣環(huán)境、各種極端條件系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性和瞬態(tài)可靠性；

惡劣環(huán)境、特殊需求的關(guān)鍵物理指標(biāo)的滿(mǎn)足。

不能滿(mǎn)足未來(lái)信息化裝備在惡劣應(yīng)用環(huán)境下對(duì)高性能、高可靠等需求

嵌入式高性能計(jì)算機(jī)可以達(dá)到100GFlops量級(jí)，網(wǎng)絡(luò)帶寬需求可以達(dá)到100Gb/S，存儲(chǔ)容量100G，即3個(gè)100G的需求，2020年可能達(dá)到3個(gè)1000G；

軍事需求對(duì)于實(shí)時(shí)性、可靠性等都有嚴(yán)格的要求，商用器件難以滿(mǎn)足。

系統(tǒng)應(yīng)用支撐能力

航空電子系統(tǒng)是復(fù)雜軟硬一體、高安全性的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)于開(kāi)發(fā)環(huán)境及各種EDA工具、開(kāi)發(fā)過(guò)程、驗(yàn)證過(guò)程手段和方法學(xué)都提出高安全性的要求。

商用產(chǎn)品可能存在安全隱患

總結(jié)

在競(jìng)爭(zhēng)激烈的21世紀(jì)，面向新一代飛機(jī)研制，國(guó)內(nèi)以中航計(jì)算所為代表的相關(guān)單位，基于目前新一代飛機(jī)航空專(zhuān)用集成電路需求牽引，以機(jī)載總線網(wǎng)絡(luò)接口芯片（高速1553B/FC/AFDX/ARINC659/Mil-1394）、機(jī)彈載計(jì)算機(jī)小型化和航空多媒體研制為核心，以先進(jìn)的SoC/SIP（MCM）/ASIC（IP） /FPGA（SOPC）為技術(shù)手段，采取以設(shè)計(jì)為核心的Fabless/Chipless發(fā)展模式，開(kāi)展航空專(zhuān)用集成電路技術(shù)和產(chǎn)品的研制工作，已經(jīng)具備一定的研制能力，但仍然沒(méi)有建立完整的航空專(zhuān)用集成電路的技術(shù)和產(chǎn)品譜系，尚有很多關(guān)鍵技術(shù)有待突破，加之國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，航空專(zhuān)用集成電路的研發(fā)還處于艱難的初級(jí)階段。

“一代器件，一代整機(jī)，一代裝備”形象地說(shuō)明了集成電路的重要性。沒(méi)有先進(jìn)、可靠的航空專(zhuān)用器件與集成電路就談不上有先進(jìn)、可靠的航空武器裝備。大力發(fā)展航空微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，借鑒國(guó)外發(fā)展的先進(jìn)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，盡快建立我國(guó)大航空、強(qiáng)航空配套的一個(gè)自主創(chuàng)新、能力不斷提高、產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)體系，不僅是突破國(guó)外產(chǎn)品和技術(shù)封鎖的需要，更是實(shí)現(xiàn)航空電子系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)、核心技術(shù)自主保障、取得航空產(chǎn)業(yè)技術(shù)和商業(yè)成功的發(fā)展需要。這對(duì)于保障航空武器裝備國(guó)防實(shí)力，推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步，具有極其重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)意義。