俄国没有高端芯片,为什么却能造出一流武器?

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  依靠“自主创新”的思想,要自主创新还得有敢于创新的精神。
  现代先进武器装备为何越来越依赖高端芯片
  信息化战争和网络化战争时代,武器系统中电子设备的比重迅速增加,对高端芯片的需求也迅速增加。以美国第五代战机F-35为例,它被称为世界上第一款完全按照信息化作战要求设计的战斗机,因为它可以与目前美军的作战体系实现“无缝兼容”。作战时,F-35是作为信息作战的一个节点而存在。机上装备的综合电子战系统,其设计目的就是最大限度地增强飞行员对整个战场态势的感知能力,其单机的电子战能力甚至能达到专业电子战机的性能。一旦发生战争,F-35在美军的作战体系中能够与空中、海上所有美国武器装备共享信息。它如何做到这些呢?国外权威的《简氏防务年鉴》上说它“浑身上下都装了芯片”!
  在导弹、雷达和空天防御武器领域,用得最多的高端芯片,除了常用的高速高精度ADC/DAC芯片外,大致还有三方面:一是武器计算机本身芯片;二是通讯芯片;第三要算美国雷达中大量采用的,美商务部屡屡点名的DSP(数字信号处理)和FPGA(现场可编程门阵列)芯片了。
  现代武器系统中的电子设备,其主要任务简言之就是接受信息,经处理和快速运算后输出指令,去控制执行部件。以现代雷达为例,其数据率高达每秒数十次,也就是零点几秒就要运算完一次。因此要求信息处理芯片具有实时、快速和大容量计算功能。
  至于FPGA,它包含大量门电路,使芯片更集成化,速度更快,可靠性更高。尤其是具有系统内可再编程(可再配置)的能力,包括可编程逻辑块、可编程I/O和可编程内部连线。作为信息处理,FPGA大有取代DSP的趋势。
  众多的设计人员是芯片的用户,当然是“拿来主义”。例如美国著名的FPGA厂商赛灵思公司(Xilinx)、Altera公司等都在中国设立销售机构,供货充足,服务周全,连开发工具都已为你准备好。每推出一个新型号就免费为你培训,大大方便你的设计工作,甚至可以做出很多“创新”。当然这些公司赚得盆满钵满,这大约就是一些人所说的“双赢”。一位资深院士说得好:现在不少成果都是建立在使用国外芯片基础上得到的;而且动辄宣称世界第一,这不就是“拿别人昨天的东西来打扮自己的明天”!
  我们从8-300已公开的资料图片中看到(如俄罗斯售给希腊的8-300-2系统),它的火控雷达信号处理采用FFT技术。雷达每一距离通道也是通过FFT运算实现多普勒速度支路。但俄国是用小规模集成电路(IC)来组成。一个距离通道就得做成一个机柜,而美国只需用一片FPGA或DSP芯片(以及高速高精度ADC/DAC芯片)和一块印制电路板。所以俄罗斯的电子设备常给人以“傻、大、粗”的感觉,常被国内一些学者瞧不起。但俄国有他的办法,并不妨碍他的8-300和8-400成为世界一流的防空导弹系统。
  为什么我们造不出美国人那样的芯片?
  2018年4月18日,即美国宣布对我国通讯企业采取出口管制的第二天,中科院计算所召开一场在京专家圆桌会议,会议的名称就是“为什么我们造不出美国人那样的芯片?”。有专家举中国的超级计算机为例,它以运算速度最快的能力在国际比赛中多次拿到第一。但据该专家透露,前面六次用的都是美國的芯片(作者注:应指“天河二号”超级计算机的六连冠,使用了80000块英特尔公司的Xeon)。2015年4月美国商务部决定向中国有关四个单位禁售有关芯片后,2016年研发的“神威·太湖之光”超级计算机才“搭载了国产的芯片”(作者注:应为国产CPU“申威26010”。所谓“搭载”是否指用了一部分?),最后在国际比赛中以每秒9.3亿亿次的浮点运算速度再次夺冠。因此该专家说“禁售”也是一剂催化剂,使科研人员有了危机感,在某种程度上加速了中国自主芯片的发展。
  有专家指出,目前国际上的半导体行业巨头几乎都在二十世纪七八十年代起步,用漫长的时间和巨量的人才投入,换来了今天的技术积累。中国的半导体产业遗憾地错过了一个黄金的年代,改革开放后,虽然我们也没少花力气,并且在中低档芯片领域也取得令世人瞩目的成就。但对高端芯片的开发,要靠市场竞争机制,就很难赶上美国的水平了。
  20世纪90年代,倪光南院士等人主张自主核心技术,提出要瞄准美国的主要核心芯片(如英特尔的Xeon),攻克高端芯片技术难关;并提出“不怕多次失败,最终定能取胜”。但也有一些专家和经济学家认为做芯片不如买芯片,也就是所谓“用市场换技术论”;并说不用担心美国会轻易放弃中国这样巨大市场和巨额利润。一些主张市场导向的领导也顾忌投入大,风险大,这就使中国的芯片产业再次遗憾地错过了一个好机遇。
  最近中国台湾一家媒体(《中时电子报》)发表了题为《两岸半导体启示录》一文,对这个问题发表直截了当的看法。文章大意是两岸都很重视半导体产业,起步也差不多(同时分别从日本的NEC和美国RCA引进生产线)。大陆政府对半导体的支持还远远超过中国台湾。尖端技术攻关需要科技人员有高度敬业精神。但现在,在制程和高档集成电路方面,大陆的确还比不上中国台湾,原因之一是大陆年轻科技人员都在国有企业,没有危机感和紧迫感,又怕艰苦,不去也不需要去深入钻研其中的深奥原理和关键技术。一部分年轻人敬业精神太差,热衷于尽快发财。一些媒体有自吹自擂的习惯,自认为早已是世界第一。文章最后提出“谦虚地学与问并长期聚焦专注,是成功的不二法门”。这篇文章提出的论点还是客观的,值得我们思考。
  从武器装备角度来看当前芯片问题,我总觉得有些专家学者的考虑缺乏一个重要因素,就是“战备”。美国人就把芯片看作一种战备物资。每次对我们制裁、禁售都借口“出于国家安全”。当今美国的大战略是遏制中国,他能允许中美双赢的局面长期下去吗?这就使我们想起20世纪80年代,国内曾就我国要不要搞自己的北斗导航系统展开辩论。有些学者表示反对,理由是全世界都在利用美国的GPS,搞北斗耗资大,即使建成将来市场也竞争不过美国。再则GPS不可能关闭或加密,这样美国自己也没法使用了。但20世纪90年代后的一些局部战争,以及一些国家的军事演习,美国都有针对性地关闭GPS有关功能,并施放加密干扰,证明主张北斗上马的同志的意见是正确的。   俄没有高端芯片为何仍能频频推出世界一流的新武器装备?
  从2014年乌克兰危机后至今,俄罗斯经受西方一轮-又一轮的制裁,但却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,有第五代战机苏-57投产,有第四代防空系统S-400的服役,第五代防空系统S-500打靶成功,以及新一代战略反导系统A-235战斗值班等等。西方记者渲染:“俄罗斯频频发出令人不寒而栗的提醒!”有读者提出疑问,俄基础工业水平差,又缺乏世界一流的微电子技术和高端芯片。俄罗斯科技人员是如何解决这一矛盾的?
  我曾在《俄尖端武器研发为何没有芯片危机?》一文中初步剖析俄如何解决这个矛盾。简言之就是依靠“自主创新”的思想。
  一是靠科技人员“扬长避短”的设计思想。充分利用俄在导弹飞行力学、惯性制导技术和器件、发动机、微波电真空技术、模拟电路等基础技术优势,依靠俄科技人员聪明才智,弥补数字技术的不足。这种弥补不是简单的替代,而是一种创新。如笔者在《芯片危机》一文中曾举例,俄用他激晶体振荡器作为中频信号积累,其体积甚至比集成电路还小,这就是一个典型的成功例子。俄科技人员扬长避短,一方面是出于无奈,另一方面却促使模拟电路技术有了新的发展和进步。
  二是靠科技人员“系统第一”的设计思想。后者就是指“武器部件的水平可以一般,但系统水平,包括武器系统性能指标和武器可靠性必须一流”。例如,在空天防御武器领域,从俄高层领导到导弹系统总设计师,他们清醒地认识到俄的基础工业远逊于美国,应该实事求是发展自己的空天防御武器。他们有两条不成文的设计准则:一条是不能要求武器系统指标全面超过美国,或者项项指标世界第一。俄没有力量全面和美国比拼,所以要抓住主要指标,解决主要矛盾,使主要指标世界领先。第二不能要求系统中所有设备和部件都是一流的,但要求各个设备自主创新,尽量做到扬长避短。主要追求实效性和稳定性,而不刻意追求采用先进元器件和先进技术,不在乎外貌有点“傻、大、粗”。这一不成文准则被西方一些文献誉为俄罗斯研发武器的“金科玉律”。
  笔者认为这一点对我们很有启示作用。前一阶段,我国的科技界表现出某种浮躁情绪,试图让各行各业都要全面赶超美国,并宣称自己有很多方面已经或早已超过美国。实际上就拿高端芯片来说,要承认我们和美国的差距是需要长期艰苦奋斗才可能赶上的。即使到那时也不能设想所有高端品种芯片全部赶超美国,事实上只要有一些主要品种赶上或接近世界一流水平就很不错了。当然核心技术必须掌握在自己手中。武器研发人员追求武器水平世界一流,他们不在乎所用芯片水平是否世界第一。
  要自主创新还得有敢于创新的精神。比如,俄S-300系统的设计,他们敢于创新的精神也非常值得我们借鉴。首先是波段选择,美国的爱国者使用的是C波段。而俄技术人员提出用更高的X波段,以进一步提高雷达的性能。但这样的做法在当时有很大冒险性。不仅是元器件研制和供应都很困难,相控陣雷达需要的关键调试设备“X波段大型天线近场测试系统”的制作也没有把握。但俄罗斯敢于抢先占领这一技术高点,并且成为世界上第一个研制出大型X波段的近场测试系统的国家。
  另外,关于相控阵雷达天线馈电方式,美国学者和工程界一直主张用分支馈电(通过大量电缆或波导分支)方式,否定空间馈电方式。但俄科技人员则在空间馈电方面取得更重大的突破和成功。21世纪初一次国际雷达年会上,美国雷达专家巴登听了俄罗斯总师叶夫勒莫夫的报告,知道空间馈电已被S-300正式采用时,他大加赞扬俄科技人员的创新精神和毅力。
  我国微波电子管等核心器件走的弯路也说明“用市场换技术”之路走不通
  其实类似此次中兴事件的经验教训并不是第一次。二十世纪八九十年代,当美苏等国正在花大力气研发新一代微波大功率电子管,以装备新一代大功率雷达时,我们却强调市场经济,敲锣打鼓地去关闭不赚钱的电子管厂,大学里取消不受学生欢迎的电真空专业(据说微波有害,电真空材料有害)。认为需要的话可以花钱去国外市场买。直到后来西方严禁向我国出售大功率微波电子管时,才明白过来。俄科技人员在这方面比我们聪明,他们的微波电真空技术水平很高,独树一帜,在促进俄先进武器的发展上起了重大作用。
  “爱国科学家齐发力‘中国芯’很快将崛起”
  我国每年都由工信部举办“中国集成电路产业促进大会”,我的一位学生参加了2016年和2017年两届。他回来后向我们转达了大会情况和我国芯片产业的尴尬处境。2017年我国集成电路产业产值达5000亿人民币,约占全球份额的11%,而我国的中国台湾地区却占到16%。按营业收入排队,全球前20名大半导体企业,大陆一家没有,而中国台湾地区有台积电等三家入围。我国每年进口的美国半导体产品,主要是高端芯片,进口额达2300亿美元,堪比我军一年的经费。美国的几家芯片巨头在中国市场无一例外赚得盆满钵满,但多年来还多次以国家安全为由,挥起知识产权大棒,一会儿要禁售这家,一会儿要制裁那家,目的就是扼杀我国的芯片产业,而将核心技术永远掌握在他们手中。
  此次“芯片事件”固然是坏事,但处理得当也很有可能再一次成为我国高端芯片发展的黄金机遇。据我学生所说,二次会上很多科技人员摩拳擦掌,表示要大干一番。会上更有一批海归人员,他们中有些在国外从事芯片技术多年,回国想利用自己的专长报效祖国。他们还号召仍在国外的同事不要错过机遇,在会上提出“爱国科学家齐发力中国芯很快将崛起”的口号。科技之争归根结底就是人才之争,只要政策对头,重视人才,团结一切可以团结的力量,相信中国高端芯片将很快崛起。
  (作者单位:航天科工二院)
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