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“芯片危机”会卷土重来吗?再论“俄尖端武器

[导读]:以美国爱国者防空导弹系统中的相控阵雷达为例。美国人的设计、原;则,就是利用最!先进的技术,采用最先进的元器件,达到最先进的水平。它用一部雷达(多功能相控阵雷达)完...

以美国爱国者防空导弹系统中的相控阵雷达为例。美国人的设计、原;则,就是利用最!先进的技术,采用最先进的元器件,达到最先进的水平。它用一部雷达(多功能相控阵雷“达)完成搜索、跟踪、照射、指导、火控等多种:功能。而在雷。达中用、了大量高端:芯片。除了天馈系!统中的R/S(收/发)微波芯片外,视频以下电路基本上都采用高端数字芯片。除了必须用“的高速高精度ADC/DAC芯片外,大致;还有三方面,一是计算机芯片,大都是厂家”设计的专用ASIC。二是通讯?芯片;是很多武器通信控制中心的支柱。类似美国萨德”中的、C2BMC,靠它实现与其它爱国者雷达联网。第三要算微波以下信号处理部分大量密集采用的,美商务部曾屡屡点名的DSP(数字信号处理)和FPGA(现场可编程门阵列)一类芯片了。

雷达采用高端芯片后明显好处首;先是体积重量大大!减轻,使武器、更轻巧、灵活。这对某些武器装。备是!至关重要“的。其次,运行速度,大大提高,使性能指“标大幅度提:高。最后,使武器更易于捡测、维修;从而提高了武器总!体性!能。

雷达:中以、信号处理部分用数字芯片最多。所谓信号处理就是将收到的目标信号从噪声中提取出来,测出它的距离、角度和速度,然后向导弹发出控制信号(指令)。大家知道,过去老雷达?的信号!处理是利用许多距离通道和数目众多的速度通道(多普勒滤波器”),接收到的目标信;号落、入哪个距离通道和哪个速度滤波器中,就能知道;目标的位置和速”度。老方法”不仅设;备累赘,且速度!较慢,精度有限。现代雷达的信号处:理改用数字运算方法。而最常用的算法。是和富利哀变,换(FFT)运算,可以快速算,出目。标信?号的多普勒频率有多。大,然后根据多普勒效应的公”式推、算出目标速度。

这种运算其实就是大量的相乘和累加的迭代过程。目前一些先进雷达的数据率高达每秒数十次也就是不到零点一秒整机就要完成一次运算和控制。因此要求信息处理芯片具有实时,快速,大容。量计?算功能。用现代信号处:理芯片最。简便不过“了。国外的数字信号处理?芯片(DSP芯片)水平首推美国公司;产品。从1982年问世至今,已经历五代产,品,它与过;去高速微处:理器有本质的不同:一是它、能在一个指令周期内完成32位乘法和累加:运算,时间还不到1纳秒;二是多功?能;且可并行处理;三是采用;所谓“哈佛结构”。它具有一条独立的地址总线和?一;条独立的数;据总线,且各有各的存储器。这样也就克服了数据、流传输的瓶颈,极大提高运“算速度。近年来DSP芯片技术不“断提高(最高时钟可达1GHz),产品不断更新。例如最,新资料,某国外公。司的产、品,在100MHz操作指令下,完成32位1024FFT全部运算,仅需50微:妙。

至于上世纪80年代末兴起的新型FPGA,它包含大量可编程的门电路(可多至20000门以上)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?重置)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,DSP很多应用领域被FP!GA所取代。

从应用角度?来看,DSP适用于系?统较低取样速率、低数据率、多条件操作和复杂的多算法任务;系统使用浮点。而FPAG适用于系统高速取样速率、高数据率、框图:方式编程、处理?任务。固定或重“复。系统使,用定!点。所以二者“作用可以”互补。实际!上目前常用的软件平台就是FP、GA+D:SP结构。FP。GA主要;对高速数据进行预处?理,降低数据的,速率,然后将数据送给DS、P,去实现”复杂“的算法。

美国的爱国者-3和俄罗斯的S-“300-2相控雷达都采用先进的脉冲多普勒体制。我们,从已公开的资料和图片中“看到(例如俄罗斯售给希腊的S-”300-2系统),二者的信号处理!也都广泛采:用FFT技术。雷达每一距离通道也是通过FFT运算来实现多普勒速度支路。但美国用的是DSP或FPGA芯片,每个距离通道只需用一片FPGA或DSP芯片和一块印制电路板(上有高速ADC/DAC芯片和电源控制) 。而俄罗斯的雷达则,主要有二种方式,一种是用小规模集成电路(IC)来构成FFT电路;另一种是中频积累电路”加上模拟式滤波器组成(理论证、明这二者是等效的)。无论哪一种方式,它的一个距离通道就得做成一个不小的机柜。所以俄罗斯没有高端芯片,虽也能做出先进设备,但给人直观首先是“傻大粗”。有人“粗略计算,因S-300-2的距;离通道至少!有24个,(每个距离通道又有很多:速度通?道),仅此一项,如果用芯,片来。实现FF、T,比起、俄罗斯,的办法,至少可缩;小体“积三分!之一。不过在”总体性能指标方面,由于俄罗斯科技人员的聪明才智和努力,包括采取;自主创新,扬长避短等措:施,在主要方面基本上”已克服了没有高;端芯片带来的缺陷,从总体言基本上达到与爱国者同等水平。

众:所周知,自苏联解体后,俄罗斯”经济一直!不算景气;他的、GDP;已连;续多年没有进入世:界排名前十位。在军工方面,微电子技术、和精密控制技术一直是俄罗斯的短板。而且从原苏联起一直强调,武器中基本上不使用外国的元器件(事实是西方也禁止向俄出售高端电子器件)。俄罗斯缺乏世界一流高端芯片和微电子器件,却能连连推”出世界一流的新武器,俄罗斯科技人员是如何解决这一矛盾的?

我们从大量资料中看到,他们就是依靠“自主创新”的思想。具体说,一是,靠科技“人,员“扬长避短”的设计思想。充分利用俄自己在微波电路、模拟电路、微波电,真空技:术、惯性制导技术和器件;等基础技术方面优势,依靠俄科技人!员聪明才智,弥补微电子技术的不足。这种弥补不!是简单的替代,而常常是、一种创新。作者;将在下:面举一个典型的成,功例子:俄在、S-300雷达中曾用他激晶体振荡器(模拟电路)”作为中频信号积累,其体积虽比芯片要大,但比一般集成电路要小,可以替FFT的基本功能。由此可见,俄科技人员采取扬长避短。方针,一方面固然是出于无奈,但另方面却促使它的模。拟电路技术达到前所没有”的高水平。

二是靠俄罗斯有一”支世界一流的系统设计队伍。他们的设计思想是“系统第一”;具体说就是指“武器中各部件的水平可以一般(个别甚至可以较差),但系统水平,包括武器主要的系统性能指标和武器可靠性必须一流”。譬如在空天防御武器领域,他们的设计准则是:1,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“国拼比。但可以抓住主要指标,解决主要矛?盾,使主要指标世界领,先。2,不能要求武器系统中所有设备和部件都是一、流的,但要求各个设备尽量“做:到扬长避短。要追、求实效尤其是高稳定、高可靠,而不刻意追求采用先进元器件和先进技术,不要在乎外貌 “傻、大、粗”。最后:由总师。们!综合;出主要性能。突:出,水平世界一流的防空导“弹武器系统。

美国;有那么一批雷达专家(包括几位著名老专家)?专门研究俄罗斯,雷达的优势和软肋,并积累大量资料和数据。他们认为,俄罗,斯S-300雷达系统是一个“高性能,低成本,低功耗”的设计。它至少在!以下?四个系“统设计;方面,大胆采取的自主创!新的举措:(1)采”用X波段、(爱国、者为C波段),敢于站在高起点。使系统性能指标的提高有。很大潜力。(2)用多部雷达,而不是像爱国者用一部雷达完成搜索、跟踪、照射、指导、火控等“多功能。这样可使每部“雷达都:达到最:佳性能。如搜索雷达可以将天线方向图压低,并将天线架设于桅杆上,大大提高搜索低空飞行目标的能力(;最低作用距离可至5米,称世;界第一?)。当然缺点是,系统较“累赘”。(3)冲破经典雷达理论的框框,大胆采用脉冲。重复。频率很高(高达几百千赫兹)的脉冲多普勒体制。使其雷达能在大空域内对;付高速机动目标和杂波干扰的能力。(4)采取措施努力降低系统射频损耗,如微波传输用低损耗波导,天馈系统采用独特的收发隔离技术等。美国专家、估计,其天馈系统总的微波损耗约为5dB。这个5dB的,概念是指天馈系统要消耗总的微波功率的三分之二,只有三”分之?一的功率传播至空间,成为有效功率。但爱国者雷达天馈系统的损耗可高达7-12dB。理论计算表明,微波损耗每降低1dB,就可使雷达作用距离增加6%。

俄罗斯这些出”奇制胜的招数,大大降低由于没有高端芯片。带来的缺。陷。俄武器设备虽傻大粗,并不妨碍他的S-300以及后来的S-400、S-500等成为世界一流的防空导弹系统。这也使普京总统说线日,沙特的炼油厂遭受也门武装的无人机和巡航导弹袭击,部署在,附近的多套爱国者、PAC-2和-3系统居然连目标都没有发现。于是普京亲自出来说线:吧,可保你平安。无事!国际上一些专家、也公认,普京“所说并非假话。

美国一位军工专家甘斯勒教授在《21世纪国防工业军备竞技场》一书中说过:“俄罗斯先进武;器具有低成“本,高效能“的突出优点。它在:使用中特别易于维护和维修,可靠性高。具有杰出的标准化水平,这已根深“蒂固植,根于俄:罗斯文化:中,并延续到21世纪的。武器发展中” 。有的文献还大谈俄罗”斯武?器的魅力,归纳起”来是:实用,可靠,低成本,高效能,易于维修。

俄罗!斯科技人。员?富:于钻研精、神。为了扬长:补短,他们,在模拟电路设计方面往往有:一些巧妙构思。下面举个典型“例子。

俄罗斯雷达要实现脉冲多?普勒,又没有高端芯,片,他们就创新地用较简单的模拟电路。-中频积分器来实现中频相参积累(理论上等效FFT)。这种中频积分器实际上是一个外激晶体振荡器,它平!时不振荡,而自!身谐振频率则调谐;在、中频频率;只要输入中频信号,它就会被激励而振荡。如果外加的是中频脉冲,在脉冲持续期间,晶振工作!并作增幅振荡。而在中。频脉冲;间歇期间,晶振停止工作,但由于“它的Q值、非常高,输出?能维持在等幅振荡!值不变。待下一个脉冲到来时,振荡幅度再进一?步增:大。然后又维、持?在更高的等幅振荡值。如此晶振输出随着脉冲不断到来而不断上升,这就实现了中;频!脉冲积累(图1)。这种中频积分器的主要性能指标(速度、精度等)可与数字积累比!美。

据报道,即使“是俄罗斯的S-400、S-500仍保留不少分立元件构成的模拟电路和模”块。他们强调“继承中?渐进创:新发?展”道路。原型号,的一些非关:键,部件,只要?稳定可靠,就不要轻易更新换代。当然对关键部。分,他们还是不惜,花大力气,不断改进和更新。

对于模拟电路技术,我总认为国内尤其高校?老师:们有一些误解;一是模拟,电路已经落后,所以有的高校已经取消这门基础课。二是模拟,电路可靠性一定、比数,字电路差。实际上。我认,为,模拟电路?作为“一种基础技术,在相当长一“段时间内不会“穷途末路”。现在国内毕业大学生到单位工作后常常遇到大量模拟电路问题,而这些毕业生:解决实际问题的能力太差,更不,用说有所创?新,有所发明了。

先从FPGA说起。美国著名的FPGA厂商有Xilinx(中文名赛灵思公司产品称Virtex系列)、Altera(产品称Stratix系列)、Act,el(产品称PROAsic”系列),三大家,垄断世界90%以上市场。前二者。都在中国设立销售机构,供货充足,服务周全,连开发工具都:为。你准备好。每推出“一个新型号还免费为你!培训,大大方便你的、设计工作。

目前FPGA技术还在不断发展。据Xili?n、x公司称,最新上:市的kinte!x,采用16nm;芯片;厂家还可根据你的需求在一片芯片上集成上万个逻辑阵列块,上千个18×18位乘法,收发频率,高达几十个GHz。甚至可以帮你做出很多“创新”。当然这些公司赚得?盆满钵满。而广大的,设计人员。是芯。片的用户,他们当然:是“拿来主义”;甚至还认。为是“双赢”。

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FPGA芯片既然在雷达等应用中举足轻重,必然存在安全隐“患,何况,美国商务部早已对它点过名。保不准哪!天出现“芯片危机”,此言;并非耸人,听闻。那么为何不早早实现国产。化。据业内人士。

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