從武器裝備的觀點看當(dāng)前芯片問題
航天科工二院 郭衍瑩
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)計的戰(zhàn)斗機(jī)，因為它可以與目前美軍的作戰(zhàn)體系實現(xiàn)“無縫兼容”。作戰(zhàn)時F-35是作為一個信息作戰(zhàn)的一個節(jié)點而存在。機(jī)上裝備的綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計目的就是最大限度地增強(qiáng)飛行員對整個戰(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，一是武器計算機(jī)本身芯片。尤其是彈上、機(jī)上計算機(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,也就是零點幾秒就要運算完一次。因此要求信息處理芯片具有實時，快速，大容量計算功能。目前最常用的算法是卷積運算和富利哀變換。這二種運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：一是它能在一個指令周期內(nèi)完成32位乘法和累加運算，時間只需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)。具有一條獨立的地址總線和一條獨立的數(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。每推出一個新型號就免費為你培訓(xùn)，大大方便你的設(shè)計工作，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運算實現(xiàn)多普勒速度支路。但俄是用小規(guī)模集成電路（IC）來組成。一個距離通道就得做成一個機(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)。
