“芯片危急”会卷土重来吗？——再论“俄尖端武器缘何没有芯片危急？”
郭衍莹
序言
我于2018年8月9日曾在环球网上揭橥了“从武器装备的不雅观点看当前芯片问题”一文（后有多家网站转载；有的将题目改为“俄尖端武器缘何没有芯片危急？”），受到不少读者的关注。很多读者认为，俄罗斯经济实力弱，微电子技能掉队，又缺少高端芯片，现又受北约制裁和重压，但仍能不断推出一批又一批天下一流的武器；只管中俄系统编制不同，但俄罗斯的履历教训仍有很多值得我们借鉴之处。这一年多来，虽然从表面上看芯片危急彷佛有所缓和，但中美贸易摩擦并未得到本色性办理。特朗普几次再三扬言：“这次贸易制裁不是结束，而是开端！
”。比来只管新冠病毒还在美国和全天下肆虐，美国遏制中国的企图一刻也没有消停。一些政客还不断制造舆论，扬言要在疫情过后钻营中美经济上完备脱钩。可以预见，新一轮的摩擦和更严厉的芯片制裁或在不久再度上演。而新的制裁将更着重于军用高端芯片（由于美国产品更具有垄断性）。为此我根据读者见地又做了些调研。这篇“再论”，便是想在原文根本上和大家作些进一步磋商；务求把一些基本问题弄清楚（如没有高端芯片对武器前辈性影响多大？俄采纳哪些主要方法填补没有高端芯片带来的毛病？发展军用高端芯片家当难点在那里？等等）。文中所举例子虽以国皮毛控阵雷达（俄S-300雷达和美国爱国者雷达）为例，但它有一定代表性。由于尖端武器（导弹、战机等）中电子设备的比重越来越大。读者可以举一反三。
2005年莫斯科国际航展上展出的俄罗斯雷达：有S-300、S-400和道尔
美国爱国者防空导弹系统中的多功能相控阵雷达
一、美国尖端武器（以雷达为例）中利用高端芯片情形
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，便是利用最前辈的技能，采取最前辈的元器件，达到最前辈的水平。它用一部雷达（多功能相控阵雷达）完成搜索、跟踪、照射、辅导、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取高端数字芯片。除了必须用的高速高精度ADC/DAC芯片外，大致还有三方面，一是打算机芯片，大都是厂家设计的专用ASIC。二是通讯芯片；是很多武器通信掌握中央的支柱。类似美国萨德中的C2BMC，靠它实现与其它爱国者雷达联网。第三要算微波以下旗子暗记处理部分大量密集采取的，美商务部曾屡屡点名的DSP(数字旗子暗记处理)和FPGA(现场可编程门阵列)一类芯片了。
雷达采取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、灵巧。这对某些武器装备是至关主要的。其次，运行速率大大提高，使性能指标大幅度提高。末了，使武器更易于捡测、维修；从而提高了武器总体性能。
雷达中以旗子暗记处理部分用数字芯片最多。所谓旗子暗记处理便是将收到的目标旗子暗记从噪声中提取出来，测出它的间隔、角度和速率，然后引导弹发出掌握旗子暗记（指令）。大家知道，过去老雷达的旗子暗记处理是利用许多间隔通道和数目浩瀚的速率通道（多普勒滤波器），吸收到的目标旗子暗记落入哪个间隔通道和哪个速率滤波器中，就能知道目标的位置和速率。老方法不仅设备累赘，且速率较慢，精度有限。当代雷达的旗子暗记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，可以快速算出目标旗子暗记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率。
这种运算实在便是大量的相乘和累加的迭代过程。目前一些前辈雷达的数据率高达每秒数十次,也便是不到零点一秒整机就要完成一次运算和掌握。因此哀求信息处理芯片具有实时，快速，大容量打算功能。用当代旗子暗记处理芯片最简便不过了。国外的数字旗子暗记处理芯片（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实质的不同：一是它能在一个指令周期内完成32位乘法和累加运算，韶光还不到1纳秒；二是多功能；且可并行处理；三是采取所谓“哈佛构造”。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。这样也就战胜了数据流传输的瓶颈，极大提高运算速率。近年来DSP芯片技能不断提高（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奇妙。
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，速率更快，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很多运用领域被FPGA所取代。
从运用角度来看，DSP适用于系统较低取样速率、低数据率、多条件操作和繁芜的多算法任务；系统利用浮点。而FPAG适用于系统高速取样速率、高数据率、框图办法编程、处理任务固定或重复。系统利用定点。以是二者浸染可以互补。实际上目前常用的软件平台便是FPGA+DSP构造。FPGA紧张对高速数据进行预处理，降落数据的速率，然后将数据送给DSP，去实现繁芜的算法。
二、俄罗斯雷达没有高端芯片对武器前辈性的影响。
美国的爱国者-3和俄罗斯的S-300-2相控雷达都采取前辈的脉冲多普勒系统编制。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），二者的旗子暗记处理也都广泛采取FFT技能。雷达每一间隔通道也是通过FFT运算来实现多普勒速率岔路支路。但美国用的是DSP或FPGA芯片，每个间隔通道只需用一片FPGA或DSP芯片和一块印制电路板(上有高速ADC/DAC芯片和电源掌握) 。而俄罗斯的雷达则紧张有二种办法，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仿照式滤波器组成（理论证明这二者是等效的）。无论哪一种办法，它的一个间隔通道就得做成一个不小的机柜。以是俄罗斯没有高端芯片，虽也能做出前辈设备，但给人直不雅观首先是“傻大粗”。有人粗略打算，因S-300-2的间隔通道至少有24个，（每个间隔通道又有很多速率通道），仅此一项，如果用芯片来实现FFT，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，由于俄罗斯科技职员的聪明才智和努力，包括采纳自主创新，扬长避短等方法，在紧张方面基本上已战胜了没有高端芯片带来的毛病，从总体言基本上达到与爱国者同等水平。
三、 俄罗斯采纳哪些方法填补由于没有高端芯片（以及微电子技能掉队）带来的毛病？
众所周知，自苏联解体后，俄罗斯经济一贯不算景气；他的GDP已连续多年没有进入天下排名前十位。在军工方面，微电子技能和精密掌握技能一贯是俄罗斯的短板。而且从原苏联起一贯强调武器中基本上不该用外国的元器件（事实是西方也禁止向俄出售高端电子器件）。俄罗斯缺少天下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，俄罗斯科技职员是如何办理这一抵牾的？
我们从大量资料中看到，他们便是依赖“自主创新”的思想。详细说，一是靠科技职员“扬长避短”的设计思想。充分利用俄自己在微波电路、仿照电路、微波电真空技能、惯性制导技能和器件等根本技能方面上风，依赖俄科技职员聪明才智，填补微电子技能的不敷。这种填补不是大略的替代，而常常是一种创新。作者将不才面举一个范例的成功例子：俄在S-300雷达中曾用他激晶体振荡器（仿照电路）作为中频旗子暗记积累，其体积虽比芯片要大，但比一样平常集成电路要小，可以替FFT的基本功能。由此可见，俄科技职员采纳扬长避短方针，一方面固然是出于无奈，但另方面却匆匆使它的仿照电路技能达到前所没有的高水平。
二是靠俄罗斯有一支天下一流的系统设计军队。他们的设计思想是“系统第一”；详细说便是指“武器中各部件的水平可以一样平常（个别乃至可以较差），但系统水平，包括武器紧张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，不能哀求武器系统指标全面超过美国，或者项项指标天下第一。俄没有力量全面和美国拼比。但可以捉住紧张指标，办理紧张抵牾，使紧张指标天下领先。2，不能哀求武器系统中所有设备和部件都是一流的，但哀求各个设备只管即便做到扬长避短。要追求实效尤其是高稳定、高可靠，而不刻意追求采取前辈元器件和前辈技能，不要在乎外面 “傻、大、粗”。末了由总师们综合出紧张性能突出，水平天下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上风和软肋，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，低本钱，低功耗”的设计。它至少在以下四个别系设计方面，大胆采纳的自主创新的举措：（1）采取X波段（爱国者为C波段），敢于站在高出发点。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、辅导、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，大大提高搜索低空翱翔目标的能力（最低浸染间隔可至5米，称天下第一）。当然缺陷是系统较“累赘”。（3）冲破经典雷达理论的框框，大胆采取脉冲重复频率很高（高达几百千赫兹）的脉冲多普勒系统编制。使其雷达能在大空域内对付高速机动目标和杂波滋扰的能力。（4）采纳方法努力降落系统射频损耗，如微波传输用低损耗波导，天馈系统采取独特的收发隔离技能等。美国专家估计，其天馈系统总的微波损耗约为5dB。这个5dB的观点是指天馈系统要花费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。理论打算表明，微波损耗每降落1dB，,就可使雷达浸染间隔增加6%。
俄罗斯这些出奇制胜的招数，大大降落由于没有高端芯片带来的毛病。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等成为天下一流的防空导弹系统。这也使普京总统说话有了底气。如去年9月14日，沙特的炼油厂遭受也门武装的无人机和巡航导弹打击，支配在附近的多套爱国者PAC-2和-3系统居然连目标都没有创造。于是普京亲自出来说话，还是买我的S—400吧，可保你安然无事！
国际上一些专家也公认，普京所说并非假话。
四、俄罗斯武器脱销全天下的窍门：实用，可靠，低本钱，高效能，易于维修。
美国一位军工专家甘斯勒教授在《21世纪国防工业武备竞技场》一书中说过：“俄罗斯前辈武器具有低本钱，高效能的突出优点。它在利用中特殊易于掩护和维修，可靠性高。具有精彩的标准化水平，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，低本钱，高效能，易于维修。
俄罗斯科技职员富于研讨精神。为了扬长补短，他们在仿照电路设计方面每每有一些奥妙构思。下面举个范例例子。
俄罗斯雷达要实现脉冲多普勒，又没有高端芯片，他们就创新地用较大略的仿照电路－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；只要输入中频旗子暗记，它就会被勉励而振荡。如果外加的是中频脉冲，在脉冲持续期间，晶振事情并作增幅振荡。而在中频脉冲间歇期间，晶振停滞事情，但由于它的Q值非常高，输出能坚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。然后又坚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）。这种中频积分器的紧张性能指标（速率、精度等）可与数字积累比美。
据宣布，纵然是俄罗斯的S-400、S-500仍保留不少分立元件构成的仿照电路和模块。他们强调“继续中渐进创新发展”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。
对付仿照电路技能，我总认为海内尤其高校老师们有一些误解；一是仿照电路已经掉队，以是有的高校已经取消这门根本课。二是仿照电路可靠性一定比数字电路差。实际上我认为，仿照电路作为一种根本技能，在相称长一段韶光内不会“走投无路”。现在海内毕业大学生到单位事情后常常碰着大量仿照电路问题，而这些毕业生办理实际问题的能力太差，更不用说有所创新，有所发明了。
五、发展高端芯片家当（以FPGA和DSP为例）的难点在哪里？
先从FPGA提及。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）、Actel（产品称PROAsic系列）三大家，垄断天下90%以上市场。前二者都在中国设立发卖机构，供货充足，做事全面，连开拓工具都为你准备好。每推出一个新型号还免费为你培训，大大方便你的设计事情。
目前FPGA技能还在不断发展。据Xilinx公司称，最新上市的kintex，采取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。乃至可以帮你做出很多“创新”。当然这些公司赚得盆满钵满。而广大的设计职员是芯片的用户，他们当然是“拿来主义”；乃至还认为是“双赢”。
美国德州仪器公司的DSP芯片
FPGA芯片既然在雷达等运用中举足轻重，一定存在安全隐患，何况美国商务部早已对它点过名。保不准哪天涌现“芯片危急”，此言并非危言耸听。那么为何不早早实现国产化。据业内人士说，个中有不少实际困难。首先是国际市场完备被Xilinx、Altera等二三家公司所垄断。因此它的专利技能壁垒很高。目前为止，这些公司已有9000多项专利，构建了一道坚实的知识产权堡垒，大大地堵去世了其他公司追赶和钻营共享之路。例如当年英特尔也曾想挤入这一领域，它耗资了167亿美元收购阿尔特拉，但末了创造仅仅是得到进入FPGA领域的入场券。尤其是Xilinx，它从上世纪80年代开始，花费了30多年的韶光积累FPGA技能和履历，才能在该领域留下丰硕的技能和知识秘闻。并把其他公司远远抛在后面。
第二 ，只管FPGA在军事领域中运用前景广阔，但民用市场却很有限。一样平常民用产品很少须要这样大量而又高速的运算。因此它总的市场偏小：据资料环球半导体的市场总额为4000亿美元/年，而FPGA还不到100亿美金/年。而且用户购买如此方便，使企业家们和国家有关部门以为不值得投巨资去开辟新市场。改革开放前我国在军工界有一理论，叫“造船不如买船，买船不如租船”。现在某些人对待FPGA等高端芯片的态度有点像这种“租船论”的翻版！
美国仙林公司的FPGA芯片
再说DSP情形。它和FPGA情形很类似，当前国际上DSP芯片家当险些被美国几家公司所垄断。所不同的，是这些公司大都是美国的大公司。如德州仪器公司（TI），它霸占天下市场45%。它的TMS320C系列芯片脱销各国。其次是AT&T公司，霸占天下市场的29%。再其次是AD公司，霸占天下市场11%，虽是第三位，但在中国影响很大。它ADSP系列和Tiger SHARC系列（在中国外号叫“沙虎”），由于设计上一些优点，加以较高的性能价格比，深受用户欢迎。
另一不同于FPGA的情形是，DSP芯片有较大的民用市场，要比FPGA芯片广阔得多。据2016年国生手业报告称，当年DSP芯片56%运用于通讯领域，打算机占21%，军事上只占5%。不过通讯领域的56%中，很大一块是作军用的。
结语
1、鉴于国外对DSP和FPGA等高端芯片家当的垄断，从国防安全角度考虑，应刻不容缓发展自己的FPGA、DSP等高端芯片家当。这些武器装备须要的关键部件，不能像民用产品那像完备从市场效益出发考虑问题。最主要的是安全意识。
2、有些根本技能，例如仿照电路技能的教诲不能取消，乃至还要加强。上世纪我们电真空下马的教训该当记取。根本科技是不能临时抱佛脚的。
