倪光南，朱新忠

（1.中國科學院 計算技術研究所，北京 100190；2.上海航天電子技術研究所，上海 201109）

0 引言

隨著基礎工業(yè)能力的發(fā)展，我國信息技術和電子信息產(chǎn)業(yè)的整體水平已有較大提高，但在關鍵軟硬件的設計與工藝等方面與世界先進水平仍有較大差距［1］。推進關鍵軟硬件自主可控，構建自主創(chuàng)新體系，已成為推動我國電子信息產(chǎn)業(yè)由大到強的戰(zhàn)略選擇。關鍵軟硬件的自主可控，核心在于電子元器件的自主研制與基礎軟件的內(nèi)核全面自主可控。

2006 年《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》確定，通過核高基科技重大專項的實施，彌補我國電子信息產(chǎn)業(yè)基礎能力薄弱等問題，目標在高端通用芯片、基礎軟件和核心電子器件領域基本形成具有國際競爭力的高新技術研發(fā)與創(chuàng)新體系［2-3］。隨著國家的相關持續(xù)投入，我國關鍵軟硬件產(chǎn)品譜系已得到較大完善，核心技術自主可控能力大幅提升［4］。

隨著國際局勢演變與中美貿(mào)易摩擦升級，中興、華為等多家中國高科技企業(yè)被美國列入實體禁運清單，核心技術受制于人已成為制約我國電子信息產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展的瓶頸，自主可控道路已成為我國關鍵軟硬件發(fā)展的核心共識［4］?；谇捌谠陉P鍵軟硬件自主可控能力建設的持續(xù)投入與顯著效果，我國應在核心電子元器件、操作系統(tǒng)軟件等核心技術的自主可控能力上繼續(xù)投入，提升我國電子信息產(chǎn)業(yè)的核心競爭力。

1 電子信息產(chǎn)業(yè)形勢現(xiàn)狀

2018 年以來，隨著中美摩擦升級與國際形勢惡化，美國對華策略逐漸從貿(mào)易戰(zhàn)升級至科技戰(zhàn)，美國相繼將中興、華為、?？档雀呖萍计髽I(yè)列入實體清單，制裁其使用進口核心元器件、電子設計自動化（Electronic Design Automation，EDA）工具等，我國信息領域相關產(chǎn)業(yè)受到嚴重影響。為遏制我國電子信息產(chǎn)業(yè)向高端、核心領域發(fā)展，以美國為首的西方國家已對中國開展全面制裁［5］。

在此背景之下，中國海關總署于2019 年1 月提供的數(shù)據(jù)顯示，中國集成電路進口額首破2 萬億元人民幣，連續(xù)數(shù)年位居國家進口種類首位。而國內(nèi)電子產(chǎn)業(yè)的關鍵軟硬件產(chǎn)品，大部分仍依靠國外進口，距離實現(xiàn)全面自主可控仍有較大差距［6］。同時，由于國家間利益沖突，進口元器件可能會在設計、制造、封裝、測試等環(huán)節(jié)被人為植入后門，因而會被竊取重要商業(yè)數(shù)據(jù)，甚至摧毀關鍵設備。

民用領域尚且如此，軍用領域更無須多言。軍事設備的自主可控直接關系到國防軍事安全，若不能實現(xiàn)關鍵軟硬件自主可控，會始終處于受制于人、被動挨打的局面。我國正在加快構建軍用核心電子元器件、基礎軟件的自主創(chuàng)新機制，在軍事裝備發(fā)展新時期，各方通力合作促進產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同攻關，構建信息安全和軍用裝備自主可控的戰(zhàn)略新生態(tài)。

在國產(chǎn)軍用核心元器件方面，我國已在中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、現(xiàn)場可編程邏輯陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）、數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）、存儲器等核心電子器件領域逐步形成自主可控能力［7-8］，見表1。CPU 方面，龍芯、航天772 所研制的國產(chǎn)CPU 已大量應用于關鍵基礎設施以及軍事裝備系統(tǒng)［9-10］。在FPGA 產(chǎn)品領域，國內(nèi)復旦微電子、紫光同創(chuàng)、成都華微等公司已完成國產(chǎn)7 系列FPGA 研制，穩(wěn)步追趕國際先進水平［11-13］。在存儲器領域，長江存儲等公司已成功研制NOR FLASH、NAND FLASH 等國產(chǎn)存儲器，后續(xù)逐步在存儲容量、讀寫速率等方面取得突破。

表1 國產(chǎn)核心電子器件研制進展Tab.1 Research of key electronic components in China

在國產(chǎn)基礎軟件方面，EDA 設計工具、嵌入式操作系統(tǒng)也在逐步推動自主可控進程。在EDA 工具方面，北京華大九天軟件有限公司已能提供1/3 產(chǎn)業(yè)所需EDA 解決方案，實現(xiàn)28 nm 及以上制程工藝全覆蓋，基本滿足目前軍用元器件的設計需求［14］。在嵌入式操作系統(tǒng)方面，我國翼輝等全自主嵌入式操作系統(tǒng)已在各領域型號產(chǎn)品中逐步開展應用［15］。

雖然我國在芯片設計的自主可控方面已取得重大突破，但在芯片基礎制造能力方面仍與國際領先水平有差距較大。相較于臺積電、Intel 已成熟的7 nm 制程工藝，我國中芯國際等公司僅實現(xiàn)28 nm工藝代工，在制造工藝與制造裝備的自主研制均處于起步階段。光刻機、刻蝕機、清洗機、切割機等工序設備，以及光刻膠、高純度水等基礎材料均嚴重依賴進口［4］。

2 上海航天技術研究院自主可控總體思路

隨著我國航天事業(yè)快速發(fā)展，嫦娥五號、天問一號等重大型號任務相繼取得成功，我國正在由“航天大國”向“航天強國”穩(wěn)步邁進，宇航裝備不斷向高集成度、多功能、低功耗方向發(fā)展，迫切需要高性能、小型化、低功耗、高可靠的電子元器件。宇航元器件是支撐裝備發(fā)展和國家安全的重要戰(zhàn)略資源，西方各國對華實施嚴厲的技術封鎖和產(chǎn)品禁運，導致當前航天重大工程和武器裝備使用的高性能宇航元器件嚴重依賴進口，受制于人。

上海航天技術研究院作為我國涵蓋領域最全的航天總體研究院，覆蓋導彈系統(tǒng)、運載火箭、衛(wèi)星、飛船和探測器5 大領域，應用核心元器件與基礎軟件的種類也最為廣泛。長期以來，上海航天技術研究院以型號實際需求牽引關鍵軟硬件的自主可控工作，推動國產(chǎn)電子元器件、基礎軟件在型號的實際應用。

在元器件自主可控方面，上海航天技術研究院基于國內(nèi)廠家研制能力的提升，采取從易到難的分步實施策略，從分立器件到接口電路，最終實現(xiàn)CPU、DSP、FPGA 等核心器件的自主可控。1）基于型號選用進口元器件的實際情況，牽引國內(nèi)廠家對標進口器件功能、性能開展研制，在保障型號任務的同時，提升各廠家器件研制能力，堅定其為航天型號配套的信心；2）根據(jù)型號任務的發(fā)展，主動提出器件研制需求，積極策劃、立項，推動廠家正向研制產(chǎn)品；3）面向新技術發(fā)展趨勢，上海航天技術研究院主動梳理微系統(tǒng)產(chǎn)品需求，根據(jù)實際應用特點開展微系統(tǒng)架構設計，推動單機功能的芯片化集成。

在基礎軟件方面，以往型號軟件的底層開發(fā)模式隨著裝備復雜化、智能化要求已不再適用，上海航天技術研究院已逐步走向基于嵌入式操作系統(tǒng)的星上應用軟件開發(fā)模式。由于國產(chǎn)宇航領域操作系統(tǒng)仍不成熟，對星載操作系統(tǒng)的應用也面臨道路抉擇。1）基于已有進口或開源操作系統(tǒng)內(nèi)核開展國產(chǎn)操作系統(tǒng)研制，通過引進、消化、吸收的模式推進自主可控；2）開展全自主內(nèi)核國產(chǎn)操作系統(tǒng)研制，并基于領域特點開展宇航應用開發(fā)與可靠性加固，滿足宇航應用要求。

3 上海航天技術研究院自主可控取得成就

“十一五”以來，我國相繼啟動“核高基”等重大科技專項工作，支持國內(nèi)各廠家開展宇航用關鍵軟硬件的自主研制。經(jīng)過20 多年的持續(xù)投入與自主奮斗，已在核心硬件自主研制、基礎軟件支撐配套和工藝平臺能力建設等方面取得重要突破。我國宇航領域長期堅持自主可控原則，在型號研制過程中均要求優(yōu)先選用國產(chǎn)元器件，已形成國產(chǎn)器件驗證與應用的平臺能力［16］。

作為宇航領域關鍵軟硬件的最重要用戶，上海航天技術研究院大力推動國產(chǎn)核心元器件與操作系統(tǒng)軟件的應用驗證與型號裝備工作，積極策劃新品立項與型譜研制，在解決型號自主可控的同時，支撐我國核心元器件研制能力的提升。

上海航天技術研究院作為宇航裝備自主可控的責任主體，一直致力于型號自主可控、元器件應用驗證等方面工作，率先開展了X 波段空間行波管放大器、國產(chǎn)抗輻照SM1750 處理器和國產(chǎn)抗輻照SM28F256 PROM 存儲器等多款器件應用驗證與首次在軌應用。在型號研制之余，上海航天技術研究院承擔百余項各級應用驗證項目，從器件應用驗證原理中，科學設計驗證試驗，從驗證試驗中提煉驗證方法，突破了器件級、板級、系統(tǒng)級應用驗證技術，形成應用驗證指南500 余項、通用驗證裝置200余套；建立了應用驗證平臺，有效提升了國產(chǎn)元器件的質量和可靠性；指導設計師根據(jù)元器件特性使用國產(chǎn)元器件，扭轉設計師對國產(chǎn)元器件“進口元器件插拔替換”的想法；加速元器件從新品研制到工程成熟應用的過程，促進國產(chǎn)元器件在宇航型號上的推廣應用和自主保障能力的提高［17］。

作為核高基、型譜、新品項目最具影響力的用戶單位，上海航天技術研究院參與國產(chǎn)元器件研制的全過程，主動開展新研元器件的應用驗證，支撐國家項目考核與驗收［9］。在國產(chǎn)元器件型號應用方面積極探索新模式、新思路。2015 年9 月，基于自主研發(fā)的浦江一號，積極開展了26 項國產(chǎn)器件的在軌集成示范應用，地面與在軌同步考核，為國產(chǎn)SM28F256 型PROM、三維封裝存儲器等核心關鍵元器件積累了豐富的在軌數(shù)據(jù)，成功推動在氣象、對地觀測、空間科學等衛(wèi)星型號的全面應用［10］。2019 年，以S 頻段天地一體化應答機、星敏感器為試點，基于國產(chǎn)元器件開展100%國產(chǎn)化單機的研制工作，并通過鑒定，已為各型號實現(xiàn)配套。

在國產(chǎn)操作系統(tǒng)方面，考慮內(nèi)核安全性與后續(xù)可擴展性，上海航天技術研究院為響應國家全面自主可控的要求，選擇了直接研制內(nèi)核全自主國產(chǎn)操作系統(tǒng)的“一步到位”道路。上海航天技術研究院成功研制風云翼輝（AIC-OS）嵌入式操作系統(tǒng)，并于2020 年2 月在新技術試驗衛(wèi)星C 星、D 星成功首飛，目前已在軌正常工作16 個月。同時，風云翼輝于2020 年5 月通過專家組現(xiàn)場審查，成為進入裝發(fā)軟硬件名錄的唯一大型實時、自主可控嵌入式操作系統(tǒng)。風云翼輝嵌入式操作系統(tǒng)的成功研制與應用，支撐了星上嵌入式軟件高效、高可靠的根本要求，彌補了我國航天領域操作系統(tǒng)空白。同時，上海航天技術研究院正在逐步推動風云翼輝嵌入式操作系統(tǒng)在船舶、導彈等領域的應用，推進我國基礎軟件建設事業(yè)。

4 重點發(fā)展建議

多年來我國宇航領域切實推動自主可控工作，在一定時期內(nèi)發(fā)揮較大作用，適應裝備自主、安全發(fā)展要求。然而，面對新時代自主可控要求與宇航型號發(fā)展需求，目前自主可控思路、現(xiàn)狀仍不能滿足要求，本文從以下3 個方面提出重點發(fā)展建議。

4.1 支持核心器件正向研制

目前，我國宇航領域核心元器件的自主可控缺乏自頂向下的系統(tǒng)設計和持續(xù)路線，未形成真正意義上的產(chǎn)品體系［18］。更重要的是，我國宇航元器件標準長期借鑒國外成熟標準，與國內(nèi)基礎與實現(xiàn)條件結合不夠緊密，發(fā)揮作用較為有限。并且我國宇航元器件的研制，主要對標進口器件的功能性能指標，以跟仿研制與反向設計的模式為主，往往出現(xiàn)仿制成功即落后于人的被動局面。

我國尚未實現(xiàn)核心電子元器件的彎道超車。因此，要立足國內(nèi)設計、工藝、生產(chǎn)水平，結合宇航型號實際需求開展核心元器件的功能定義與正向設計，形成自主產(chǎn)品體系。根據(jù)型號需求開展航天微系統(tǒng)架構設計，通過國產(chǎn)芯粒、自主IP 核等構建國產(chǎn)微系統(tǒng)產(chǎn)品，實現(xiàn)長期困擾宇航裝備信息安全的核心信息元器件國產(chǎn)化和自主保障問題。推動新型自主架構核心產(chǎn)品的研制與應用，在類腦芯片、人工智能加速芯片和存算一體芯片等領域實現(xiàn)突破，支撐型號產(chǎn)品跨越式發(fā)展。

4.2 提升“研用”轉化能力

“十一五”以來，隨著我國基礎工業(yè)水平與微電子科學技術的發(fā)展，宇航領域部分元器件已實現(xiàn)自主研制并形成產(chǎn)品譜系，然而部分器件在應用環(huán)節(jié)仍然出現(xiàn)問題，設計師對國產(chǎn)元器件的可靠性、適應性仍存有擔心，導致大部分航天裝備上典型關鍵單機的核心元器件仍然是進口產(chǎn)品，國產(chǎn)元器件缺乏應用機會，研制水平、生產(chǎn)規(guī)模和應用能力發(fā)展緩慢［19-21］。

航天科技集團率先提出應用驗證是元器件研用轉化的關鍵所在。為避免國產(chǎn)元器件研而不用、應用水平低下導致上機率較低的問題，通過航天領域電子元器件、基礎軟件等產(chǎn)品的應用驗證工作，實現(xiàn)研用結合，從元器件、單機、系統(tǒng)各層面，全方位、多角度評價考核國產(chǎn)基礎軟硬件的可靠性，找到薄弱環(huán)節(jié)和缺陷，協(xié)助產(chǎn)品研究單位改進提升，提高設計師應用水平，促進我國高端微電子產(chǎn)業(yè)和航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

同時，通過“十二五”“十三五”期間國家的大力支持，已在應用驗證的標準規(guī)范、通用流程等方面形成完善的制度。為了進一步提升“研用轉換”能力，后續(xù)應推動應用驗證向設計前端控制轉變，在充分了解器件應用需求的前提下，在器件設計、研制過程中，對關鍵參數(shù)加嚴控制，實現(xiàn)國產(chǎn)器件研制完成后的型號直接應用，縮減從研制到應用的傳統(tǒng)流程。

4.3 推動國產(chǎn)操作系統(tǒng)應用

隨著宇航型號任務愈發(fā)繁重，尤其是互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星等巨型星座的啟動實施，研制周期已成為制約型號研制的重要瓶頸。基于傳統(tǒng)星上嵌入式軟件的開發(fā)流程需耗費大量人力資源與開發(fā)周期的現(xiàn)狀，嵌入式操作系統(tǒng)的應用已成為航天型號的重要發(fā)展方向。

然而，目前國家對于國產(chǎn)操作系統(tǒng)應用的支持力度不足，對選用裝發(fā)名錄內(nèi)軟件的剛性不夠，部分型號仍在選用進口操作系統(tǒng)開展軟件研制。推動內(nèi)核全自主嵌入式操作系統(tǒng)的應用，通過系統(tǒng)提供的應用庫函數(shù)、航天標準服務組件以及標準驅動接口，可支撐星上嵌入式軟件的快速、高效開發(fā)。同時，保證航天裝備安全性、可靠性、可維護性與可擴展性，是推動我國宇航事業(yè)發(fā)展與自主可控進程的重要途徑。

5 結束語

關鍵軟硬件的自主可控是國家政治、軍事、經(jīng)濟實力和科學技術水平的重要體現(xiàn)，也是我國由“航天大國”邁向“航天強國”的必經(jīng)之路。自主可控工作是一項艱巨的系統(tǒng)工程，亟需在觀念上、機制上、管理上實現(xiàn)突破，在基礎軟硬件研制、應用驗證能力建設、國產(chǎn)操作系統(tǒng)應用等方面取得進一步成果。