賀晙華、吳強(qiáng)、賈靜、楊蘭喬、趙乙螢 /北京航天自動控制研究所

加快航天事業(yè)發(fā)展是我國現(xiàn)階段的重要戰(zhàn)略，元器件、基礎(chǔ)部組件及原材料等基礎(chǔ)物資是航天事業(yè)發(fā)展的前提保證。尤其是“后疫情時代”的國際環(huán)境、中美貿(mào)易競爭及西方國家大規(guī)模集成電路出口限制的共同作用下，元器件自主可控能力便成為高速發(fā)展過程中至關(guān)重要的工作之一。但我國電子工業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱，宇航型號核心元器件和大規(guī)模通用芯片長期依靠進(jìn)口，宇航型號關(guān)鍵及重要元器件（后簡稱關(guān)重件）的自主保障形勢已極為嚴(yán)峻。以“長征”七號運(yùn)載火箭為例，控制系統(tǒng)關(guān)鍵單機(jī)產(chǎn)品使用的關(guān)重件，不論是數(shù)量還是種類上，均未能實現(xiàn)100%國產(chǎn)化，導(dǎo)致關(guān)重元器件技術(shù)指標(biāo)及產(chǎn)品供應(yīng)受制于人；與此同時，目前使用的主流進(jìn)口元器件中，已識別出存在I、II 類禁運(yùn)、停產(chǎn)風(fēng)險的元器件達(dá)上百種，嚴(yán)重影響了宇航型號批產(chǎn)和高密度發(fā)射任務(wù)。因此，實施關(guān)重元器件國產(chǎn)化，謀求自主可控，擺脫受制于人的局面已勢在必行。

一、關(guān)重元器件自主可控總體思路

元器件的自主可控包括“可控”和“自主”2個層面——“可控”是指元器件供應(yīng)過程中，即使存在不利的外在因素，依然能夠充足穩(wěn)定供應(yīng)的能力；“自主”是指元器件供應(yīng)不存在受制于人的情況，能夠獨(dú)立自主的提供所需元器件。元器件的自主可控與元器件的國產(chǎn)化也存在一定區(qū)別，后者僅是自主可控的一個層面。元器件自主可控實際上是系統(tǒng)性工程，除了要求掌握元器件生產(chǎn)的核心技術(shù)，還要求元器件生產(chǎn)單位擁有配套設(shè)備研制生產(chǎn)能力。

可控航天元器件：元器件研制不是完全獨(dú)立自主的，存在一定的制約，但此種限制是在可承受范圍內(nèi)存在的；尚未擺脫對國外技術(shù)、工藝的依賴性，未完全實現(xiàn)自主可控。從風(fēng)險識別角度而言，應(yīng)判斷國產(chǎn)元器件與進(jìn)口器件的風(fēng)險程度等級，綜合考慮依賴性產(chǎn)生的風(fēng)險并積極考慮降低風(fēng)險的措施。

自主航天元器件：元器件研制的各個生產(chǎn)全周期可獨(dú)立自主進(jìn)行，相關(guān)環(huán)節(jié)運(yùn)用到的所有材料、技術(shù)、設(shè)備等配套產(chǎn)品均為自主所有。用戶可獲得安全、充足的元器件供應(yīng)保障。航天元器件自主主要側(cè)重于元器件產(chǎn)品研制的自主性，解決元器件研制全過程的受制要素，是解決元器件產(chǎn)品受制于人的根本。

宇航型號元器件發(fā)展必須要經(jīng)歷從依賴進(jìn)口到先可控后自主的轉(zhuǎn)變，逐步、分階段的完成元器件產(chǎn)品全自主化，即在保障可控的基礎(chǔ)上，謀求長遠(yuǎn)的利益，逐步實現(xiàn)自主的目標(biāo)。

二、基于自主可控的元器件管理模式

1.建立健全元器件優(yōu)選目錄

宇航型號元器件優(yōu)選目錄機(jī)制可以規(guī)范元器件種類，便于設(shè)計人員在工程實際中對成熟度等級高的元器件進(jìn)行選用，節(jié)約設(shè)計成本和應(yīng)用驗證資源。宇航型號元器件優(yōu)選目錄應(yīng)分層級設(shè)置，形成任務(wù)大總體層級、集團(tuán)公司層級、研究院層級的分層級元器件優(yōu)選目錄，根據(jù)元器件自身成熟度等級，逐層級分類別精簡。對于自主可控能力強(qiáng)的元器件，可優(yōu)先編入優(yōu)選目錄清單。

根據(jù)總體任務(wù)應(yīng)用差異，設(shè)置相應(yīng)的元器件參數(shù)指標(biāo)，如耐高溫、抗輻射及質(zhì)量等級等要求都有較大差異。上述差異在飛行產(chǎn)品與地面支持系統(tǒng)產(chǎn)品的需求上尤為明顯。此外，關(guān)鍵重要單機(jī)與一般單機(jī)對元器件的需求也存在著很大的差異。需要根據(jù)工程實際，制訂相應(yīng)使用場景的元器件優(yōu)選目錄。

優(yōu)選目錄應(yīng)該根據(jù)器件性能的發(fā)展不斷迭代，棄舊納新，持續(xù)完善。但在棄除、新增優(yōu)選目錄元器件時，應(yīng)嚴(yán)格履行相應(yīng)的審批流程，詳細(xì)管理元器件優(yōu)選目錄各類型元器件的性能指標(biāo)、質(zhì)量等級、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及封裝形式等屬性，嚴(yán)格控制元器件選用目錄元器件的技術(shù)狀態(tài)及特征。

2.“一用多研”研發(fā)管理模式

“一用多研”研發(fā)管理模式是指針對總體單位提出的元器件需求由多個元器件研制單位共同承接，需求提出方對元器件研發(fā)項目提出總體要求，多家承研單位獨(dú)立研發(fā)，通過增加競爭環(huán)境提高元器件自主可控研發(fā)成功率。

采用“一用多研”管理模式能夠解決當(dāng)前“一用一研”定制式研發(fā)過程中出現(xiàn)的元器件承研單位供貨能力不足和供貨價格不斷增高的現(xiàn)狀，提升元器件自主可控研發(fā)能力。“一用多研” 管理模式的核心是形成元器件研發(fā)競爭環(huán)境，通過多家元器件研制單位的競爭解決“一用一研”定制模式存在的問題，建立研發(fā)競爭環(huán)境有助于激發(fā)元器件承研單位的創(chuàng)新力、提升供貨能力并穩(wěn)定供貨價格。堅持“一用多研”的管理理念還應(yīng)當(dāng)實行供貨盈利管理，元器件研發(fā)階段承研單位應(yīng)自行投入研發(fā)經(jīng)費(fèi)，改變過去“一用一研”定制模式中用戶單位的研發(fā)經(jīng)費(fèi)全部投入某一家承研單位的管理思路。管理模式的轉(zhuǎn)變使得元器件承研單位只有在項目研發(fā)成功后通過穩(wěn)定持續(xù)的供貨方式逐漸收回研發(fā)成本并實現(xiàn)盈利，在此競爭模式下承研單位的主要精力會集中在研發(fā)能力建設(shè)和供貨能力提升方向?！耙挥枚嘌小苯鉀Q了“一用一研”管理模式中存在的問題，適應(yīng)宇航領(lǐng)域當(dāng)前高密度發(fā)射形勢下元器件自主可控管理需求。

3.持續(xù)推進(jìn)“迭代更新”的元器件選用管理模式

元器件“迭代更新”選用管理模式是在面臨新型號設(shè)計時，直接選用“迭代更新”后的元器件完成設(shè)計工作，改變傳統(tǒng)設(shè)計中直接沿用成熟設(shè)計的元器件選用方式，可以激發(fā)新型號的設(shè)計創(chuàng)新，進(jìn)一步推動型號系統(tǒng)設(shè)計和元器件應(yīng)用的協(xié)調(diào)發(fā)展。

元器件“迭代更新”選用管理的核心思想是新型號在方案或初樣設(shè)計過程中，對新型元器件創(chuàng)新應(yīng)用，通過鼓勵新型號選用，保持型號設(shè)計及元器件應(yīng)用技術(shù)的同步發(fā)展。新型號任務(wù)成功后，對新型元器件進(jìn)行成熟度分析，并對元器件優(yōu)選目錄進(jìn)行增補(bǔ)剔除工作，把新選用的具有一定成熟度的高性能元器件納入元器件優(yōu)選目錄管理，推動元器件“迭代更新”，棄舊納新，在保持成熟穩(wěn)定的情況下實現(xiàn)元器件設(shè)計應(yīng)用革新。

4.完善元器件應(yīng)用驗證管理

為了提高自主可控元器件應(yīng)用驗證覆蓋的全面性，承研單位應(yīng)當(dāng)對元器件研發(fā)全流程進(jìn)行驗證。對自主可控元器件，尤其是大規(guī)模集成電路的應(yīng)用驗證技術(shù)主要分為板級驗證技術(shù)、半實物仿真驗證的系統(tǒng)級應(yīng)用驗證及原型樣機(jī)級的應(yīng)用驗證。

（1）板級應(yīng)用驗證

使用自主可控元器件形成單板級樣件進(jìn)行驗證，通過硬件與軟件相配合，在單板正常工作的條件下，驗證單板級樣件對外部各種環(huán)境情況、電信號激勵、物理接口、數(shù)據(jù)總線等，對單板級所有功能模塊進(jìn)行應(yīng)用測試。

（2）元器件半實物仿真驗證

根據(jù)實際使用環(huán)境中元器件的環(huán)境力學(xué)特性、電特性，搭建半實物仿真平臺，通過Pspice、Labview 等仿真軟件搭建半實物仿真環(huán)境，以模擬使用環(huán)境或物理極限，驗證元器件在相應(yīng)條件下的功能指標(biāo)參數(shù)，提升元器件應(yīng)用驗證的覆蓋性。

元器件半實物仿真平臺是指采用包含硬件特性庫的仿真軟件，配合以被測元器件為核心的最小電路系統(tǒng)，考慮元器件特性并參考系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，開展半實物仿真系統(tǒng)（見圖1）。仿真設(shè)備以信號發(fā)生器為信號源，通過傳感器獲取元器件在仿真系統(tǒng)中的運(yùn)行結(jié)果，再利用試驗控制臺相關(guān)接口與仿真設(shè)備互聯(lián)，監(jiān)控仿真全流程，并使用試驗控制臺嵌入的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析試驗結(jié)果，發(fā)送結(jié)果至支持系統(tǒng)進(jìn)行儲存、顯示。

圖1 半實物仿真系統(tǒng)組成和連接關(guān)系

在半實物仿真平臺上預(yù)留被測元器件的對外功能接口，可以根據(jù)不同的使用工況，由仿真設(shè)備提供相應(yīng)的模擬信號，以涵蓋被測元器件實際應(yīng)用中的情況，進(jìn)一步提高應(yīng)用驗證覆蓋性和可靠性。

（3）依托宇航型號進(jìn)行單機(jī)級的應(yīng)用驗證

以型號為依托，以自主可控元器件為核心，形成實際工程應(yīng)用的原理樣機(jī)，通過系統(tǒng)級綜合試驗、匹配試驗及電磁兼容試驗考察元器件在系統(tǒng)環(huán)境中的使用情況，進(jìn)一步驗證元器件的功能和性能。

三、自主可控元器件的質(zhì)量管理

1.制定頂層規(guī)章制度

制定元器件質(zhì)量管理的頂層規(guī)章，完善全流程質(zhì)量控制細(xì)則。通過頂層設(shè)計，強(qiáng)化元器件全生命周期的質(zhì)量管理，使元器件立項、研制、生產(chǎn)、鑒定、應(yīng)用驗證及處置環(huán)節(jié)透明可視，進(jìn)一步保障自主可控元器件質(zhì)量管理有規(guī)可依、有據(jù)可循。

2.強(qiáng)化設(shè)計和試驗驗證

對于不可原位替代的自主可控元器件，研制單位應(yīng)結(jié)合整機(jī)單位及系統(tǒng)需求，提高設(shè)計的向下兼容能力，設(shè)計及研制過程中充分利用熱仿真、力學(xué)仿真、EMC 仿真等手段，確保優(yōu)化封裝后的自主可控元器件能夠滿足整機(jī)的應(yīng)用要求及可靠性要求。

3.開展可靠性提升試驗和補(bǔ)充驗證

為避免設(shè)計缺陷因試驗樣本量少而出現(xiàn)統(tǒng)計學(xué)偏差，可針對大規(guī)模集成電路、IGBT 大功率器件及BGA 封裝等關(guān)重器件開展可靠性提升試驗，增加實驗樣本量，減少統(tǒng)計誤差，確定被測元器件特性邊界。

對已用于工程實際的元器件，應(yīng)結(jié)合實際工況及使用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行補(bǔ)充試驗、舉一反三等工作，重點(diǎn)驗證匹配性或單點(diǎn)、不可測不可檢特性，進(jìn)一步提升元器件使用可靠性。

4.加強(qiáng)承研單位的過程質(zhì)量控制

需求提出單位應(yīng)在研制初期，將元器件總體質(zhì)量要求及技術(shù)條件傳遞至元器件承研單位，并在元器件研制全流程中，設(shè)置強(qiáng)制檢驗環(huán)節(jié)，對承研單位方案設(shè)計、原理驗證、流片等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)制驗收工序，檢驗關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)的性能及質(zhì)量一致性，強(qiáng)化特殊工藝、關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，確保元器件批次內(nèi)、批次間的一致性。

5.加強(qiáng)需求、研制雙方溝通

為解決元器件的單機(jī)選用率低的問題，避免“研而不用”的尷尬情況，元器件承研方應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)與需求方的溝通，充分交流元器件性能、材料、工藝、封裝及環(huán)境適應(yīng)性等指標(biāo)。需求提出方應(yīng)結(jié)合以往工程實際中選用的進(jìn)口器件的實際使用情況，協(xié)助承研單位進(jìn)行自主可控工作，在試用后及時反饋意見，形成閉環(huán)研制，促進(jìn)自主可控元器件的迭代更新。承研單位在進(jìn)行自主可控元器件方案設(shè)計時也應(yīng)征求需求方的實際使用要求，充分了解需求方的性能指標(biāo)、接口特性、力學(xué)熱學(xué)環(huán)境特性等，確保新研元器件滿足需求方使用要求。

整機(jī)單位也應(yīng)優(yōu)化單機(jī)設(shè)計流程，通過優(yōu)化系統(tǒng)級使用環(huán)境，彌補(bǔ)部分自主可控元器件性能不足的問題，保證系統(tǒng)級使用不因個別元器件指標(biāo)降低而存在風(fēng)險。此外，整機(jī)單位及總體單位可加強(qiáng)微系統(tǒng)集成技術(shù)研究（如特定算法專用處理芯片、推廣IP 核使用），彌補(bǔ)自主可控帶來的重量、功耗等使用層面的問題，進(jìn)而減少對FPGA、PowerPC、DSP 等大規(guī)模、高端進(jìn)口芯片的依賴。

隨著我國航天高密度發(fā)射和國際環(huán)境的變化，元器件自主可控勢在必行，避免受制于人的局面。同時應(yīng)當(dāng)鼓勵自主可控元器件的工程使用，形成自主創(chuàng)新、優(yōu)選應(yīng)用、迭代更新的良性循環(huán)，促進(jìn)自主可控元器件產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。