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我們一直強調高端芯片的價值,俄羅斯卻反其道而行之,追本溯源
發布時間:2018-08-10
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半导体芯片下的尖端武器

 

我們都在強調什麽是高端半導體芯片,這些高端芯片又是如何設計出的?其實對于武器這個方面,真是這樣嗎?這個問題我先保留自己的看法,因爲或許俄羅斯在這一方面更有發言權。

 

絕大多數設計人員是半導體芯片的用戶,當然是“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公司等都在中國設立銷售機構,供貨充足,服務周全,連開發工具都已爲你准備好。每推出一個新型號就免費爲你培訓,大大方便你的設計工作,甚至可以做出很多“創新”。當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:現在不少成果都是建立在使用國外半導體芯片基礎上得到的;而且動辄宣稱世界第一,這不就是“拿別人昨天的東西來打扮自已的明天”!

 

所以我們現在要講,什麽是高端半導體芯片?這在國際上並無嚴格定義和統一說法。現在人們一般所說半導體芯片是指在矽塊上集成的電路。那麽高端半導體芯片就是泛指在普通半導體芯片基礎上又有質的飛躍,就是集成度更高,速度更快,功能更強,甚至可以現場編程的數字邏輯電路或專用電路。現代武器裝備早在上世紀90年代就廣泛采用各種半導體芯片。但新世紀以來進入信息化戰爭和網絡化戰爭時代,武器系統中電子設備的比重迅速增加,對高端半導體芯片的需求也迅速增加。以美國第五代戰機F-35爲例,它被稱爲世界上第一款完全按照信息化作戰的要求設計的戰鬥機,因爲它可以與目前美軍的作戰體系實現“無縫兼容”。作戰時F-35是作爲一個信息作戰的一個節點而存在。機上裝備的綜合電子戰系統設計目的就是最大限度地增強飛行員對整個戰場態勢的感知能力;其單機的電子戰能力甚至能達到專業電子戰機的性能。一旦發生戰爭,F-35在美軍的作戰體系中,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?國外權威的《簡氏防務年鑒》上說它“渾身上下都裝了半導體芯片”!

 

半导体芯片细节图

 

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。因此要求信息处理半导体芯片具有实时,快速,大容量计算功能。目前最常用的算法是卷积运算和富利哀变换。这二种运算都是大量的相乘和累加的迭代过程,用现代信号处理半导体芯片最简便。现代信号处理半导体芯片自1982年推出至今,已经历五代产品,它与过去高速微处理器有很大的不同:一是它能在一个指令周期内完成32位乘法和累加运算,时间只需1-2纳秒;二是多功能;且可并行处理;三是采用所谓“哈佛结构”。它是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线, 两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。这样也就克服了数据流传输的瓶颈,极大地提高了运算速度。

 

這個時候,作爲鄰居的俄羅斯,卻又給我們抛出了一個問題,俄沒有高端半導體芯片爲何仍能頻頻推出世界一流的新武器裝備?

 

從2014年烏克蘭危機後至今,俄羅斯經受西方一輪又一輪的制裁,但卻仍能一批又一批推出世界一流的新武器。如在空天防禦方面,有第五代戰機蘇-57投産,有第四代防空系統S-400的服役,第五代防空系統S-500打靶成功,以及新一代戰略反導系統A-235戰鬥值班等等。西方記者渲染:俄羅斯“頻頻發出令人不寒而栗的提醒!”。所以有讀者提出疑問,俄基礎工業水平差,微電子技術又一直是俄羅斯的短板。俄羅斯推出這些世界一流的新武器,又缺乏世界一流的微電子技術和高端半導體芯片。俄羅斯又強調自力更生基本上不使用外國的元器件(西方也禁售高端電子器件)。俄羅斯科技人員是如何解決這一矛盾的?

 

我想,第一當然是靠科技人員“系統第一”的設計思想。後者就是指“武器部件的水平可以一般,但系統水平,包括武器系統性能指標和武器可靠性必須一流”。例如在空天防禦武器領域,從俄高層領導到導彈系統總設計師,他們清醒地認識到俄的基礎工業遠遜于美國,應該實事求是發展自己的空天防禦武器。他們有二條不成文的設計准則:一條是不能要求武器系統指標全面超過美國,或者項項指標世界第一。俄沒有力量全面和美國拼比。所以要抓住主要指標,解決主要矛盾,使主要指標世界領先。第二不能要求系統中所有設備和部件都是一流的,但要求各個設備自主創新,盡量做到揚長避短。主要追求實效和穩定、高可靠,而不刻意追求采用先進元器件和先進技術,不在乎外貌有點“傻、大、粗”。然後由總師們綜合出主要性能突出,水平世界一流的防空導彈武器系統。這一不成文法則被西方一些文獻譽爲俄羅斯研發武器的“金科玉律”。

 

第二,就是靠科技人員“揚長避短”的設計思想。充分利用俄在導彈飛行力學、慣性制導技術和器件,發動機,微波電真空技術,模擬電路等基礎技術優勢,依靠俄科技人員聰明才智,彌補數字技術的不足。這種彌補不是簡單的替代,而是一種創新。如作者在“半導體芯片危機”一文中曾舉例,俄用他激晶體振蕩器作爲中頻信號積累,其體積甚至比集成電路還小,就是一個典型的成功例子。俄科技人員揚長避短,一方面是出于無奈,但另方面卻促使模擬電路技術有了新的發展和進步。

 

俄羅斯武器看起來有點“傻大個”,但是主要性能卻一點不含糊,這就是因爲俄羅斯工程師沒有要求樣樣指標超過美國,但牢牢抓住了主要指標世界一流的這個“金科玉律”。

 

讓人印象深刻的是,上世紀八九十年代,當美蘇大力研發新一代微波大功率電子管,以裝備新一代大功率雷達時,有些國家嫌棄電子管産業不賺錢,遂安排相關廠家轉産,院校也不再設電真空專業,不少人腦海裏還形成似是而非的概念:電子管要比晶體管落後,晶體管要比集成電路落後,集成電路又比芯片落後。到後來,當一些大國嚴控大功率微波電子管出口和技術輸出,人們才明白其中的門道。從這意義上看,不能僅憑概念來規劃和領導科技事業。只有重視基礎研究,重視自主創新,才能把核心技術牢牢掌握在自己手中

 

關于這兩點,在前一階段,我國的科技界表現出某種浮躁情緒,就是各行各業都要全面趕超美國,並宣稱有很多方面已經或早已超過美國。實際上就拿高端半導體芯片來說,要承認我們和美國的差距是需要長期艱苦奮鬥才可能趕上的。即使到那時也不能設想所有高端品種半導體芯片全部趕超美國,事實上只要一些主要品種趕上或接近世界一流水平就很不錯了。當然核心技術必須掌握在自己手中。武器研發人員追求武器水平世界一流,他不在乎所用半導體芯片水平是否世界第一。

 

或許,這就爲什麽俄羅斯爲什麽會保持大國不變的一個真理吧,我們聽到了很多消息說俄羅斯如何如何窮困,和我們中國比較又是怎樣怎樣動亂,但是,其實我們每個人心裏都在對俄羅斯表示敬意,爲什麽呢?或許你再回頭看看文章,便能從其中窺見真理。