十年磨一剑,中国“芯”在太空闪烁

2021-09-22 11:43| 发布者: | 查看: |

人物简介
 

赵元富,研究员,博导,长期从事微电子技术研究和芯片研制。针对空间辐射环境,带领团队攻克了航天集成电路抗辐射加固的重大技术难题,走出了我国集成电路抗辐射设计加固技术路线。成谱系研制多款核心芯片,为应用卫星、空间探索等航天工程的创新发展做出巨大贡献;实现了我国航天元器件首次出口,使我国航天芯片走出国门。
 

芯片专家赵元富。受访者供图

 

传承
 

前段时间,我给新来的员工讲课。当时我讲的题目就叫“扎根航天沃土,传承航天精神”。我想告诉他们,航天是一片沃土,选择它是值得的。探索太空是人类神圣的事业,它永远对人类散发出强大的吸引力。航天是一个民族、一个国家实现自强自立的基石,所以,我对他们说,有良好的环境条件,有需要你们研究完成的国家工程项目,有党和人民的大力扶持,来到航天这个领域,只要沉下心来学,带着责任感和使命感,每个人的人生价值就一定能得到实现。
 

芯片之于电子设备,如同大脑之于人。作为电子系统的核心、信息产业的基石,被誉为“现代工业粮食”的芯片,其重要性无可比拟。
 

2020年6月23日,“北斗三号收官之星”搭载长征三号乙运载火箭成功发射升空,这标志着北斗三号全球卫星导航系统部署的全面完成。
 

由中国航天科技集团第九研究院科技委副主任赵元富和其团队研发的集成电路,在该星所有的集成电路中占比超过50%,为北斗三号核心元器件实现100%国产提供了有力保障。
 

弹箭星船器,谱系航天芯。这一切,对于赵元富来说,是挑战,也是突破。他心里明白,在科技创新与发展这条漫长的道路上,唯有“死磕”,才能纾困解难。
 

因为收音机迷上微电子
 

恢复高考后的第三年,赵元富成功“上岸”。因家庭职业与医学有关,在填报志愿时,他写下了位于上海的解放军第二军医大学。
 

“那个时候,其实没有想这么仔细,当时获取信息的来源也比较少,后来受别人的影响,就重新改填志愿,选择了浙江大学无线电工程系半导体物理和器件专业。”赵元富说,也正是“一念之差”,才让他在研发芯片的道路上越走越远。
 

实际上,对“半导体”的疑惑和兴趣来源于一台“能说能唱”的收音机。赵元富出生于江西省进贤县,当时一台半导体收音机对普通家庭而言是个大物件。一个小小的半导体盒子,可以接收电波信号,还能切换频道,播出声音。这让赵元富想弄明白,这个半导体收音机的魔力从何而来?
 

走进浙江大学校门后,赵元富的疑惑解开了,但对于半导体这个专业领域来说,他依旧是个新兵。1983年,赵元富报考研究生选择投身我国航天微电子奠基人黄敞先生门下,就读于当时的西北电讯工程学院(现西安电子科技大学),继续深造。1986年,他继续拜师黄敞先生,在航天771所攻读博士,从此与航天事业结下不解之缘,并成为我国最早开展集成电路抗辐射加固技术研究的少数博士研究生之一。黄敞先生要求“研究生做课题不能纸上谈兵,不能脱离实际仅做计算机模拟,要结合所里的重点型号任务,学会从设计到工艺到测试到封装,全流程都要懂”。利用771所国内领先的集成电路研制平台,在导师黄敞的指导下,他在集成电路设计、工艺、封装、测试、器件仿真等全流程得到了系统的培养和锻炼,并取得了多项研究成果。1992年,他带领团队开发了栅氧化层工艺加固和场区版图设计加固相结合的总剂量加固技术,作为国内首创获1992年航空航天部科技进步一等奖。从此,集成电路抗辐射加固技术研究就成为他几十年至今的全部事业。
 

赵元富告诉新京报记者,航天用的芯片,会因空间辐射而损伤,导致卫星等航天器功能紊乱甚至出现致命故障,因此必须进行抗辐射加固。抗辐射加固芯片技术是航天核心技术的重要组成,是太空探索的共性基础技术。
 

据他介绍,芯片实现抗辐射性能主要有两种方式,一是工艺加固,通过改变芯片的制造材料和工艺条件,降低芯片对辐射的敏感度,需要建设投资巨大的专用工艺线。二是设计加固,即在芯片设计阶段,通过各种巧妙的方法,使成品后的芯片具有阻隔、吸收、分流、掩蔽、猝熄等将辐射产生的危害化于无形的能力,这种方式无需专用工艺线。
 

基于我国专用工艺线无法满足航天急需的国情,赵元富带领团队攻克了“设计加固”的多项重大技术难题,谱系化研制成功抗辐射加固集成电路,并广泛应用于各类航天型号,引领了设计加固技术的发展,走出了中国特色的集成电路抗辐射加固技术路线。
 

2012年9月,赵元富和设计人员探讨技术问题。受访者供图
 

国产芯片助卫星重回正轨
 

为深入了解世界抗辐射加固芯片技术前沿,1996年赵元富跨出国门,进行为期两年的访问交流,主要研究新器件、新结构和新材料的辐射性能。“出国期间,参加了不少与芯片和抗辐射相关的顶尖国际会议,真实感受到了高水平研究的学术氛围,了解该领域前沿技术的发展,对个人技术研究起到非常好的作用。”赵元富说。
 

但出国留学让赵元富有一种在外做客的感觉,对于一些核心项目的讨论与实践,他常常被拒之门外。在学习接近尾声时,国外的导师希望他留校开展研究工作,并提出为他办理有关手续及提供优厚待遇。但当时航天772所正处于从基础建设转向全面科研的关键时期,一直怀着学成报国信念的他,毅然回国,投身于圆梦航天“芯”的事业。
 

国外的学习经历令他的视野更加开阔,给予他很多启发。1999年,赵元富结合航天772所无工艺生产线的实际情况,作为课题负责人提出了“低功耗、低压CMOS器件和集成电路的辐射效应”项目,开启了“设计加固”的探索。
 

紧接着,在赵元富策划下,带领团队承担了我国首个集成电路抗辐射加固设计技术的预研项目。后来又紧密围绕航天装备需求,针对北斗导航等重点型号,开展了数十款抗辐射加固集成电路研制。2003年,两款专用芯片随北斗卫星上天,这是国产抗辐射加固大规模集成电路首次成功在轨应用。
 

让赵元富永远忘不了的是2007年的一个冬天。在刚刚与火箭分离的一颗北斗卫星上,控制卫星姿轨设备中的芯片是赵元富团队研究的产品。但这一装有国产芯片的设备在当时只是个备份,是否能用上,赵元富心里打着鼓。“用不上是最好的,要是改用备份的,说明卫星出现了问题。”赵元富说。
 

他没想到的是,一个铃声急促的电话,让他瞬间紧张了起来。卫星空调系统失效,星内温度骤降到零下63℃,主份设备在该温度下无法启动。
 

“只能启动备份设备,硬着头皮上,但我们成了!”赵元富回忆。
 

回想起这次难忘的经历,赵元富说,虽然在研制前就知道自己是个“备胎”,但扎实做好工作,“备胎”在关键时刻发挥“主份”作用,这为他们产品的推广应用起到了良好的示范作用。
 

十年磨一剑 研制“国产航天CPU”
 

“以前我们进口别人家芯片的时候,很被动。人家说不卖给你了,你就得去找另一家。当你换了芯片,与它配套的相关软件等都要换,工作量极大。”赵元富感慨。
 

像北斗这样的长期批产卫星需要稳定供货源,进口的芯片一旦断供,卫星批产必将受到严重影响,不再是找货源替换那么简单,从整星的设计上都要更改,因为整个电子系统都变了。只有货源在自己手上才能控制断供的风险。
 

2009年,针对非加固芯片在轨发生单粒子故障的严峻局面,赵元富团队临危受命,首次研制多款百万门级抗辐射加固专用芯片,为北斗等卫星稳定可靠工作发挥了关键作用。在“北斗二号卫星工程”获国家科技进步特等奖的主要完成单位名单中,团队所在单位航天772所赫然在列。
 

北斗工程是我国自主研发建设的重点航天工程,也是国产航天集成电路产品谱系化应用的引领者。航天芯片的应用也不是一蹴而就的。
 

2011年,赵元富当时所在的772所承担起新一代北斗导航卫星近40款国产电路的研制任务。“每次辐射试验花的时间也比较久,为了不出现差错,团队成员们常常饿了吃泡面,困了打地铺。”赵元富说。同年,我国首款抗辐射加固CPU历经种种考验,实现上星应用。
 

在接受记者采访时,赵元富用“十年磨一剑”来形容CPU研制的历程。研制抗辐射加固CPU很难,难在其复杂度高,难在其需要嵌入软件,进行软硬协同设计,更难在帮用户建立信心——它实在太关键了,稍有差池,整个型号任务将以失败告终。为了将其做好,赵元富团队把芯片的验证工作放在与设计同等高度,边研究边验证,通过验证再修改调整研究。这个研制过程花了十年,十年里只有投入没有产出,只有怀疑没有掌声,赵元富团队以一股咬定青山不放松的韧劲,终于圆了几代航天人“国产CPU”之梦。
 

凭着坚持不懈、刻苦攻关的精神,赵元富带领团队开发了抗辐射加固单元库,构建了研制平台,研制成功抗辐射加固微处理器、FPGA、专用电路、总线、转换器和存储器等各类产品数百款,基本构建了我国航天芯片产品谱系;因为没有专用生产线的束缚,这些产品性能指标与国际先进水平相当,一些甚至更优,可以说实现了我国抗辐射加固芯片跨越发展。目前,这些产品的应用已覆盖国内重点航天工程,包括北斗导航、载人航天、月球探测、火星探测等,用户单位涉及航天科技集团、中科院和中国电科等所属企业近百家。2018年,赵元富作为第一完成人的成果“集成电路单粒子加固技术及应用单粒子”获国家技术发明一等奖。
 

从被禁运到出口的重大转折
 

在实现抗辐射加固芯片自主可控的同时,赵元富团队也一直希望跻身国际市场,在国际化的过程中不断提升技术水平与产品竞争力。
 

2012年,赵元富拿着自产的芯片到了国外。“以前出国是为了进口设备和产品,这次是为了把我们自己的东西推介出去,心情是很不一样的。确实有自豪感。”赵元富说,一开始,还有点担心,觉得自己的产品国际知名度不高,怕感兴趣的客户不多。
 

但让他出乎意料的是,外方反响热烈。赵元富说,报名参加推介会的人员一再增多,会议室也一改再改,从30人的会议室到100人,再到最后的300人,推介会当日座无虚席,极大增加了自己对产品出口的信心。
 

2014年,第十届中国国际航空航天博览会上,赵元富团队研制的抗辐射加固芯片喜获国外订单,这是我国抗辐射加固芯片首次进入国际市场,实现了从被禁运到出口的重大转折。赵元富团队研制的产品还经国外公司严格检验后认证合格,使中国抗辐射加固集成电路首次进入欧洲航天供应链,已出口法国、德国、瑞士和西班牙等。
 

匠人心声
 

新京报:你在取得成就的过程中,是如何呈现匠心精神的?
 

赵元富:一个芯片,上面集结了几百亿个晶体管,这是一个极其复杂的系统,要把它做好,就需要细心的设计。我认为,匠心精神就是我国老一辈航天科研工作者凝练而成的工作作风——“严慎细实”。我们做任何事的时候,都需要这四个字,要把质量放在第一位。按照老话来讲,就是把活干细。
 

新京报:在你的生活和工作中,哪些东西是你一直坚守的?
 

赵元富:从我个人的角度来说,我觉得有两点。第一,要坚持不断地学习。我很喜欢看书,各种类型的书都会涉猎。只要把书看进去了,你就会主动思考,思考就是一种学习能力。第二,我坚信团队的力量。我们做项目工程的,一定要把自己融入集体,形成有效沟通,才能保障每个环节不出差错,真正干成事。
 

新京报:什么时候是你认为最艰难的时候?能够坚持下去的原因是什么?
 

赵元富:在攻克某项技术难关时,就会有很多不顺利。印象最深的就是,刚开始做技术研究,虽然有了些突破,但是等到我们真正来定义一个CPU产品,才发现这儿也缺,那儿也缺。这时我会先尝试着释放压力,并多与同事们沟通交流,总是能找到办法的。坚持的原因,来源于责任和对职业的热爱吧。
 

新京报:你希望未来还取得怎样的成就,对于未来有怎样的期待?
 

赵元富:我们的北斗已经完全实现了核心器件的国产。下一步,除了能更好地发挥航天芯片的支撑作用外,还要想办法更好地发挥出它的引领作用,这也是我们未来期待的和想要实现的。
 

注:本文转载自网络,如有侵权,请联系删除
 
QQ在线咨询
售前咨询热线
13926975768
售后服务热线
400 693 8006
返回顶部