“芯片危機(jī)”會卷土重來嗎？——再論“俄尖端武器緣何沒有芯片危機(jī)？”

前言

我于2018年8月9日曾在環(huán)球網(wǎng)上發(fā)表了“從武器裝備的觀點(diǎn)看當(dāng)前芯片問題”一文（后有多家網(wǎng)站轉(zhuǎn)載；有的將題目改為“俄尖端武器緣何沒有芯片危機(jī)？”），受到不少讀者的關(guān)注。很多讀者認(rèn)為，俄羅斯經(jīng)濟(jì)實(shí)力弱，微電子技術(shù)落后，又缺乏高端芯片，現(xiàn)又受北約制裁和重壓，但仍能不斷推出一批又一批世界一流的武器；盡管中俄體制不同，但俄羅斯的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)仍有很多值得我們借鑒之處。這一年多來，雖然從表面上看芯片危機(jī)似乎有所緩和，但中美貿(mào)易摩擦并未得到實(shí)質(zhì)性解決。特朗普一再揚(yáng)言：“此次貿(mào)易制裁不是結(jié)束，而是開端！”。近來盡管新冠病毒還在美國和全世界肆虐，美國遏制中國的企圖一刻也沒有消停。一些政客還不斷制造輿論，揚(yáng)言要在疫情過后謀求中美經(jīng)濟(jì)上完全脫鉤。可以預(yù)見，新一輪的摩擦和更嚴(yán)厲的芯片制裁或在不久再度上演。而新的制裁將更著重于軍用高端芯片（因?yàn)槊绹a(chǎn)品更具有壟斷性）。為此我根據(jù)讀者意見又做了些調(diào)研。這篇“再論”，就是想在原文基礎(chǔ)上和大家作些進(jìn)一步探討；務(wù)求把一些基本問題弄清楚（如沒有高端芯片對武器先進(jìn)性影響多大？俄采取哪些重要措施彌補(bǔ)沒有高端芯片帶來的缺陷？發(fā)展軍用高端芯片產(chǎn)業(yè)難點(diǎn)在那里？等等）。文中所舉例子雖以國外相控陣?yán)走_(dá)（俄S-300雷達(dá)和美國愛國者雷達(dá)）為例，但它有一定代表性。因?yàn)榧舛宋淦鳎▽?dǎo)彈、戰(zhàn)機(jī)等）中電子設(shè)備的比重越來越大。讀者可以觸類旁通。

2005年莫斯科國際航展上展出的俄羅斯雷達(dá)：有S-300、S-400和道爾

美國愛國者防空導(dǎo)彈系統(tǒng)中的多功能相控陣?yán)走_(dá)

一、美國尖端武器（以雷達(dá)為例）中使用高端芯片情況

以美國愛國者防空導(dǎo)彈系統(tǒng)中的相控陣?yán)走_(dá)為例。美國人的設(shè)計(jì)原則，就是利用最先進(jìn)的技術(shù)，采用最先進(jìn)的元器件，達(dá)到最先進(jìn)的水平。它用一部雷達(dá)（多功能相控陣?yán)走_(dá)）完成搜索、跟蹤、照射、指導(dǎo)、火控等多種功能。而在雷達(dá)中用了大量高端芯片。除了天饋系統(tǒng)中的R/S（收/發(fā)）微波芯片外，視頻以下電路基本上都采用高端數(shù)字芯片。除了必須用的高速高精度ADC/DAC芯片外，大致還有三方面，一是計(jì)算機(jī)芯片，大都是廠家設(shè)計(jì)的專用ASIC。二是通訊芯片；是很多武器通信控制中心的支柱。類似美國薩德中的C2BMC，靠它實(shí)現(xiàn)與其它愛國者雷達(dá)聯(lián)網(wǎng)。第三要算微波以下信號處理部分大量密集采用的，美商務(wù)部曾屢屢點(diǎn)名的DSP(數(shù)字信號處理)和FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)一類芯片了。

雷達(dá)采用高端芯片后明顯好處首先是體積重量大大減輕，使武器更輕巧、靈活。這對某些武器裝備是至關(guān)重要的。其次，運(yùn)行速度大大提高，使性能指標(biāo)大幅度提高。最后，使武器更易于撿測、維修；從而提高了武器總體性能。

雷達(dá)中以信號處理部分用數(shù)字芯片最多。所謂信號處理就是將收到的目標(biāo)信號從噪聲中提取出來，測出它的距離、角度和速度，然后向?qū)棸l(fā)出控制信號（指令）。大家知道，過去老雷達(dá)的信號處理是利用許多距離通道和數(shù)目眾多的速度通道（多普勒濾波器），接收到的目標(biāo)信號落入哪個(gè)距離通道和哪個(gè)速度濾波器中，就能知道目標(biāo)的位置和速度。老方法不僅設(shè)備累贅，且速度較慢，精度有限?，F(xiàn)代雷達(dá)的信號處理改用數(shù)字運(yùn)算方法。而最常用的算法是和富利哀變換（FFT）運(yùn)算，可以快速算出目標(biāo)信號的多普勒頻率有多大，然后根據(jù)多普勒效應(yīng)的公式推算出目標(biāo)速度。

這種運(yùn)算其實(shí)就是大量的相乘和累加的迭代過程。目前一些先進(jìn)雷達(dá)的數(shù)據(jù)率高達(dá)每秒數(shù)十次,也就是不到零點(diǎn)一秒整機(jī)就要完成一次運(yùn)算和控制。因此要求信息處理芯片具有實(shí)時(shí)，快速，大容量計(jì)算功能。用現(xiàn)代信號處理芯片最簡便不過了。國外的數(shù)字信號處理芯片（DSP芯片）水平首推美國公司產(chǎn)品。從1982年問世至今，已經(jīng)歷五代產(chǎn)品，它與過去高速微處理器有本質(zhì)的不同：一是它能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成32位乘法和累加運(yùn)算，時(shí)間還不到1納秒；二是多功能；且可并行處理；三是采用所謂“哈佛結(jié)構(gòu)”。它具有一條獨(dú)立的地址總線和一條獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線，且各有各的存儲器。這樣也就克服了數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠款i，極大提高運(yùn)算速度。近年來DSP芯片技術(shù)不斷提高（最高時(shí)鐘可達(dá)1GHz），產(chǎn)品不斷更新。例如最新資料，某國外公司的產(chǎn)品，在100MHz操作指令下，完成32位1024FFT全部運(yùn)算，僅需50微妙。

至于上世紀(jì)80年代末興起的新型FPGA，它包含大量可編程的門電路（可多至20000門以上）,使芯片更集成化，速度更快，可靠性更高。尤其是具有系統(tǒng)內(nèi)可再編程(可重置)的能力，包括可編程邏輯塊，可編程I/O和可編程內(nèi)部連線。作為信息處理，DSP很多應(yīng)用領(lǐng)域被FPGA所取代。

從應(yīng)用角度來看，DSP適用于系統(tǒng)較低取樣速率、低數(shù)據(jù)率、多條件操作和復(fù)雜的多算法任務(wù)；系統(tǒng)使用浮點(diǎn)。而FPAG適用于系統(tǒng)高速取樣速率、高數(shù)據(jù)率、框圖方式編程、處理任務(wù)固定或重復(fù)。系統(tǒng)使用定點(diǎn)。所以二者作用可以互補(bǔ)。實(shí)際上目前常用的軟件平臺就是FPGA+DSP結(jié)構(gòu)。FPGA主要對高速數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，降低數(shù)據(jù)的速率，然后將數(shù)據(jù)送給DSP，去實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法。