太空“深度游”離不了的小伙伴
——片上系統(tǒng)芯片（SoC）推動(dòng)先進(jìn)航天系統(tǒng)發(fā)展
嫦娥登月，玉兔入懷，嫦娥系列的成功是航天技術(shù)高速發(fā)展的縮影，亦是航天系統(tǒng)高新技術(shù)成功應(yīng)用的典范，帶動(dòng)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。其中，微電子行業(yè)作為基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，更是得到了更快更好的發(fā)展。
微電子領(lǐng)域在日常生活中有很多常見(jiàn)產(chǎn)品，例如Intel公司的I系列CPU處理器、蘋(píng)果公司中支持Iphone、Ipad的A系列處理器，這些產(chǎn)品在各自的系統(tǒng)領(lǐng)域中發(fā)揮了巨大的核心作用。而航天系統(tǒng)自己的核心處理芯片，就是SoC。
SoC小家伙身為何物?
SoC（System on Chip）即片上系統(tǒng)，是一種系統(tǒng)級(jí)的嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)，以超深亞微米工藝和IP（集成電路知識(shí)產(chǎn)權(quán)）核技術(shù)為支撐，將系統(tǒng)的全部功能集成到同一芯片中。典型的SoC一般包含微處理器（CPU、DSP等）、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘復(fù)位管理、外圍設(shè)備、總線等功能模塊，基于不同的具體應(yīng)用SoC芯片還包括專(zhuān)用的處理模塊，例如雷達(dá)處理、圖像處理、語(yǔ)音處理、通信協(xié)議處理等。
傳統(tǒng)的集成電路芯片多是功能專(zhuān)一、功能固定，實(shí)現(xiàn)一個(gè)處理系統(tǒng)需要多種集成電路芯片協(xié)同工作，與之相比，SoC具有功能強(qiáng)大、體積小、功耗低等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)處理系統(tǒng)往往只需要一種SoC芯片即可。SoC技術(shù)是當(dāng)前超大規(guī)模集成電路（VLSI）的發(fā)展趨勢(shì)，為集成電路產(chǎn)業(yè)和集成電路應(yīng)用技術(shù)提供了前所未有的廣闊市場(chǎng)和難得的發(fā)展機(jī)遇。近10年多來(lái)的民用市場(chǎng)上3C類(lèi)（計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子）產(chǎn)品在功能、體積、性能以及產(chǎn)品研制周期上的高速發(fā)展，很大程度上得益于SoC設(shè)計(jì)技術(shù)的普及以及SoC芯片產(chǎn)品的大量應(yīng)用。當(dāng)前全球主要的半導(dǎo)體供應(yīng)商與集成電路設(shè)計(jì)商的主要產(chǎn)品均已從過(guò)去單一的元器件形式轉(zhuǎn)向了SoC類(lèi)型的芯片，這其中就包含了諸如TI、Xilinx、ADI、高通等。
SoC在民用上得到廣泛而深刻的應(yīng)用，在航天技術(shù)領(lǐng)域電子平臺(tái)上也逐步得到推廣。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)等都要求裝備數(shù)字化、集成化、小型化和智能化。為了上述技術(shù)特征的付諸實(shí)施，傳統(tǒng)的基于模擬分離器件組成的電子系統(tǒng)被基于SoC芯片為核心的新型嵌入式電子系統(tǒng)所取代，這種趨勢(shì)已在包括國(guó)外先進(jìn)軍事武器裝備如數(shù)字通信系統(tǒng)、導(dǎo)航與定位系統(tǒng)、遠(yuǎn)程制導(dǎo)系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。
大國(guó)研發(fā)的必備項(xiàng)目
國(guó)外對(duì)SoC技術(shù)研究起步較早，目前取得了大量的科研成果，部分已應(yīng)用到具體的設(shè)備系統(tǒng)中。20世紀(jì)90年代，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)在X2000計(jì)劃中提出，要將未來(lái)空間飛行器的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存貯、電源管理和控制、通訊功能以及傳感器接口(如溫度、電壓以及各種科學(xué)儀器)等集成在邊長(zhǎng)為2cm-3cm的專(zhuān)用芯片上。美國(guó)國(guó)防部在2000年軍用關(guān)鍵技術(shù)中對(duì)未來(lái)SoC進(jìn)行了描述，除了模擬、數(shù)字電路外，SoC還將包括RF器件、光學(xué)器件等。
在歐洲，SoC的技術(shù)水平亦相當(dāng)高，如法國(guó)TIMA實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的集射頻器件、光纖產(chǎn)品、MEMS傳感器、放大器等為一體的SoC產(chǎn)品。
從國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的SoC發(fā)展規(guī)劃，可以清楚地看到：航天及武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究機(jī)構(gòu)都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到SoC技術(shù)的重要性，已經(jīng)組織了相應(yīng)的SoC技術(shù)研究，并且已經(jīng)推出了基于SoC芯片的系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)，并且已經(jīng)逐步應(yīng)用到工程中。
軍用微電子的發(fā)展是由應(yīng)用軍用裝備（主要是導(dǎo)彈和航天器）的發(fā)展需要而發(fā)展的。由于受整機(jī)軍工產(chǎn)品對(duì)元器件的高可靠性、多品種、小批量、新型、特殊、專(zhuān)用、保密等要求，受總體發(fā)展的牽引，國(guó)外微電子的研究幾乎無(wú)一例外的與軍工大集團(tuán)集合在一起，或是集團(tuán)公司的一部分。大的軍工集團(tuán)一般都有自己的微電子研究生產(chǎn)機(jī)構(gòu)。如美國(guó)空間公司有自己的微電子研究實(shí)驗(yàn)室，休斯頓公司有微電子部，洛克希德？馬丁公司有自己的微電子中心；德國(guó)、法國(guó)的航空航天公司、俄羅斯的航空航天企業(yè)都有自己的微電子專(zhuān)用集成電路制造單位或研究中心，他們都是為內(nèi)部整機(jī)配套服務(wù)的。
而作為中國(guó)航天技術(shù)領(lǐng)域中的核心要素，由技術(shù)人員所從事的裝備載荷飛行器平臺(tái)系統(tǒng)中，復(fù)合成像、高分辨率衛(wèi)星成像等系統(tǒng)，都需要通過(guò)基于SoC芯片的嵌入式電子系統(tǒng)所帶來(lái)的功能和性能上的優(yōu)勢(shì)。可以說(shuō)，大力有效的在航天航空應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行SoC技術(shù)和產(chǎn)品的推廣與發(fā)展，是未來(lái)我國(guó)先進(jìn)航天系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
治療體積功耗“病”的良藥
在航天設(shè)備中采用SoC芯片技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的，隨著航天應(yīng)用需求的增多，設(shè)計(jì)的算法日益復(fù)雜，但是航天產(chǎn)品對(duì)體積、系統(tǒng)功耗又有非常嚴(yán)格的要求。SoC產(chǎn)品則成為解決需求與體積功耗的矛盾的“良藥”。隨著先進(jìn)生產(chǎn)工藝的發(fā)展，SoC芯片單位面積上可以實(shí)現(xiàn)的邏輯功能越來(lái)越多，在每個(gè)平方毫米的單位上可以擺放百萬(wàn)門(mén)級(jí)甚至更多的晶體管，這正符合航天產(chǎn)品體積小、功能強(qiáng)的需求。
從另一方面來(lái)看，國(guó)產(chǎn)SoC芯片是中國(guó)獨(dú)立自主設(shè)計(jì)完成的，擁有全部的獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可以避免核心技術(shù)受制于人的尷尬，批量使用時(shí)在產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性上也具有競(jìng)爭(zhēng)力。
但應(yīng)清醒認(rèn)識(shí)到，面對(duì)航天系統(tǒng)研制周期短、設(shè)計(jì)任務(wù)重、需求變更頻繁的問(wèn)題，目前SoC芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中仍然有許多的技術(shù)難點(diǎn)。研究人員堅(jiān)信，隨著SoC芯片設(shè)計(jì)核心團(tuán)隊(duì)的建立，將逐步蕩平各種問(wèn)題，早日為航天事業(yè)提供出成系列的SoC產(chǎn)品。
