我国星载、机载计算机和核心器件相关公司及水平

2019-04-06 12:31:52 来源:未知
本文全部来自网络及相关上市公司披露的公开信息。

康拓红外的资产注入文件,披露航天科技集团旗下轩宇空间生产星载宇航级芯片系列产品;轩宇空间的大股东是中国空间技术研究院旗下的北京控制工程研究所,即五院502研究所,公开媒体报道,502所已开发星载操作系统及星载计算机。

机载计算机的信息主要来自上市公司中航电子旗下中航机载系统有限公司官网,其核心器件在中航官网及旗下上市公司没有找可信的研发信息。

计算机系统及其芯片从可靠性、环境适用性角度分为民用级、工业级、普军级、宇航级。民用级是大家熟悉的,手机的、PC的,工业级是用于工业控制的系统,普军级包括战斗机机载计算机所需的系统及CPUGPU及存储器等芯片,宇航级芯片是应用于卫星、运载火箭的星载计算机、箭载计算机及其芯片

SoC2008

普军级以上的芯片,公开媒体披露的信息较少,随着军民融合的推进,不少上市公司涉足普军级以上的芯片生产。国家航天研究院所及其子公司也因军民融合的需要,披露的信息多于航空军用产品信息。

一、星载计算机及其核心器件

(一)操作系统

20世纪90年代,中国的卫星通常采用程序控制的方式来执行指令,就是编写一段程序代码反复地运行,任务较简单,无需高效的星载计算机及其操作系统。

随着我国航天器在轨任务越来越复杂,如交会对接、深空探测、空间站建设等,此类复杂任务不断地对计算机系统及其软件管理提出了新要求,持续研发中国自主可控、高计算能力的星载计算机及其操作系统是很自然的事情。

“上天”的操作系统需要适应恶劣太空环境,发射及回收冲击、太空辐射、高温差以及在轨运行可达十余年、人工干预很难等,其安全性、可靠性要求可想而知。

公开媒体报道,自2001年五院开始研发SpaceOS星载操作系统,披露了几个节点的应用。2006年,SpaceOS1操作系统成功在轨运行,可以同时完成包括轨道计算等5个任务,无任务间的通信和动态内存管理等更为复杂的功能。

2009年以来,国家规划的航天任务越来越复杂,比如嫦娥三号的巡视器要实现月面行走,其控制任务愈发复杂,需要相适应的操作系统。

五院研发的SpaceOS2,已于2011年在天宫一号,2012年在神舟九号,2013年12月在嫦娥三号上成功应用;SpaceOS2的能力提高了一个数量级,可以同时管理几十个任务,同步做到快速、有序存储,该操作系统可以和国际上最先进的类似产品相媲美。

天宫一号

天宫、神州、嫦娥已是重达数吨的大家伙。2013年,五院已开始SpaceOS3的研发工作。

(二)操作系统内核

五院星载计算机首席专家华更新研究员总结说:“我国自主研发的空间计算机的操作系统SpaceOS,已经从引进、消化、吸收,逐步过渡到当前的自主可控。”。

有专业人士撰文认为,SpaceOS的代码编写借鉴了美国风河系统公司VxWorks653系统,VxWorks最早于1983 年设计开发。

这个说法与航天集团官方的引进、消化到自主可控的说法有些接近。但是,SpaceOS可靠性更加突出,其三机热备份替代原有的两机冷备份系统,的确超越了老师,热备份所需的通讯、协调和判断能力远高于冷备份。媒体也报道过,航天九院771所研发了骊山九天嵌入式操作系统,但未见上星的报道。

五院在研发操作系统的同时,已部署芯片等核心器件的研制工作。

(三)芯片等核心器件的研发

1、502所PK 772所

在康拓红外资产注入文件披露之前,502所全资子公司轩宇空间的宇航级智能芯片研发能力未被人识。券商研报等公开资料,更多地提到九院772所,即北京微电子技术研究所研发的宇航级芯片

从公开报道可知,772所生产的CPU芯片已有十余年的历史,2003年首颗芯片上天,似乎比502所更早;媒体报道,2012年6月16日,神舟九号飞船成功发射,与天宫一号交会对接,九院为神舟九号提供了箭载计算机等17种31台计算机产品、14种软件、33种2376只集成电路产品;2015年新一代北斗导航卫星成系统地使用772所研发的国产芯片,属国内首次。

772所最早上天的可能并非SoC芯片,或并非CPU芯片,而是一种ASIC即定制芯片,成本高,开发周期长。其官网公布了SoC微处理器型号及其产品手册,有两个抗辐射产品,更多的是军标级微控制器产品,也未披露具体的计算性能和抗辐射数据,且772所从未提及操作系统产品。

502所旗下轩宇空间官网,其SoC系列CPU产品明确标明计算能力和抗辐射指标,显得较为自信。可见,772所与502所的确存在竞争关系,或者是互相备份的关系,或各有所长。不过,502所包括操作系统的成系统能力似乎后来居上,或略胜一筹。

2018年2月,国务院国资委官网转发报道,五院北斗三号副总设计师高益军介绍说,“北斗三号卫星计算任务最大的高性能运算中心使用了‘中国芯’——五院自主研制的我国第一片抗辐照四核片上系统芯片SoC2012。”,“除了“中国芯”,北斗三号卫星还注入了“中国魂”——五院拥有完全自主知识产权的计算机操作系统SpaceOS2。”。

2、国际先进水平成系统的宇航级芯片

轩宇空间官网介绍的芯片产品,包括CPU、SiP、PROM可编程只读存储芯片、SRAM静态随机存储芯片、1553B总线控制器、AD/DA转换芯片、按口驱动芯片等,其中SoC片上系统CPU均采用三模冗余设计,加上502所的三机热备份SpaceOS操作系统,生产不同需求的宇航级星载计算机是分分钟的事。

轩宇空间的CPU芯片SoC2008,研发历史近十年,首次应用于2012年10月发射的实践-9B卫星星载计算机的主份核心芯片,是国内第一款在轨飞行的SoC芯片。该芯片基于SPARC V8体系结构,面向空间应用的高性能、低功耗的32位抗辐射片上系统芯片,计算性能超过86MIPS@100MHz。

 

SoC2012

截至2016 年年底,共有 500套以上SoC2008 片上系统用于二代导航卫星、探月卫星、小卫星、微小卫星平台的控制计算机、星敏感器、交会对接敏感器、CMG 等电子产品中。

公司第二款产品四核SoC2012,2015年首飞,性能指标超过了欧洲和美国的同期同类产品,处于国内最高水平和国际先进水平。

SoC2012内部集成四个SPARC V8内核,性能超过了300MIPS 80FLOPS@100MHz,功耗不大于2瓦,基于SoC2012设计的新一代抗辐射加固星载计算机,其体积、重量和功耗只有同类传统星载计算机产品的一半,性能是现有产品的20~60倍,可以满足卫星对高性能、高可靠、小型化的进一步需求。

截至2016年年底, 共有 200套以上 SoC2012 片上系统用于二代导航卫星、探月卫星等的控制计算机、敏感器等电子产品中。

轩宇空间第三款产品是异构多核SoC2016芯片,是国内第一款面向卫星控制、数据处理、图像处理一体化综合应用的异构多核SoC产品。集成SPARC V8架构高性能LEON4处理器核和DSP数字信号处理器、浮点处理器、1553B总线、CAN总线、SpaceWire总线、DMA控制器等。

SoC2016计算性能超过800MIPS 200MFLOPS@200MHz,功耗不大于3瓦,性能指标达到国际先进水平。

SoC2016应该定位于计算需求较高的大卫星平台,其官网未披露应用时间及其卫星、空间站名称。SoC2008、SoC2012产品,应该定位于小卫星平台的应用。

除开芯片以外,基于SoC产品形成了多款SiP星载计算机模块,集成了SoC2008、SRAM、FLASH等9颗芯片,将运算、控制、接口、存储等功能芯片陶瓷封装于一个模块中,实现了复杂系统功能的高密度异质集成,体积、重量、功耗降低80%以上,达到国际先进水平。

3、出口及其出口限制

SoC2012已批量出口俄罗斯近200片,是俄官方批准的宇航应用处理器之一。轩宇空间坦诚,SoC2016芯片属于限制出口产品,友好国家的俄方仅可获取SoC2012、SoC2008。

(四)芯片架构

星载计算机系统中处理器性能的稳定与可靠占有重要地位。在世界范围内星载计算机系统中处理器架构只有两种,一种是由美国使用的POWERPC架构,另一种是欧洲主导的SPARC架构,而嵌入式领域的ARM、MIPS、X86等架构,不能够应用于宇宙空间的高温、低温、高真空、高辐射以及可维护性差星载计算环境中。

SPARC 微处理器结构是欧空局为了摆脱美国对其空间研发能力的制约而独立开发的。轩宇空间官网披露的SoC宇航CPU,采用了SPARC V8结构,三模冗余设计,其中的SoC2016集成LEON4处理器核。

二、机载计算机

(一)操作系统

中航电子旗下的中航机载系统有限公司官网,披露其系统及产品,包括国产飞行控制系统、机载计算机与网络系统、火力控制与指挥系统、雷达系统。其中的机载计算机与网络系统披露了核心操作系统“天脉CoreOS”的简要情况。公开媒体还有“天脉ACoreOS”操作系统的报道,我们猜测很可能是军用和民用的区别。

官方媒体报道,2002年由中航计算所发起,空军总体论证单位需求牵引,研发“天脉CoreOS”,分为天脉1和天脉2操作系统;该系统2014年定型,完全独立自主研发、掌握全部源代码后者是分区操作系统。“天脉CoreOS”支持国内外处理器芯片,提供运行时库、VxWorks兼容组件、OpenGL图形支持、实时数据库、TCP/IP协议栈、BIT管理支持、高可靠文件系统等扩展功能组件。

机载计算机系统

我国的主力战机J10验证机1994年首飞、J20验证机2011年首飞,估计J20、J10C可以赶上天脉CoreOS或天脉ACoreOS。

(二)核心器件

中航集团披露的机载计算机及其核心芯片的信息非常有限,可以肯定的是,中航系统的机载计算机系统掌握的是设计和集成能力,其中的CPUGPU及存储等核心器件的研发和生产全部靠外协。

好在相关上市公司的招股书及定期报告有些相关的披露,国内芯片厂商官网也有一些的公开信息,可以大致推断国产CPUGPU芯片的技术水平及应用时间。

1、GPU

景嘉微的招股书披露,20世纪90年代以来,随着DSP、FPGA和GPU技术的发展,图形显控模块经历了三个主要里程碑。上世纪80年代至2007年前后,我国机载显示处在CRT电光显示仪表与有源矩阵液晶显示器过度的阶段;至2014年前后,航空机载系统的核心器件采用高配进口的GPU商用芯片,为了防范风险,往往自主编写驱动程序。

GPU

2007年1月,景嘉微完成基于VxWorks操作系统的ATI Mobility Radeon系列GPU图形处理芯片驱动程序的研发,已成功应用于我国空军主力战机。不久,又解决了ATI 生产的显卡M9、M72、M96驱动程序,填补了基于OpenGL在VxWorks嵌入式系统的三维数字地图的国内空白,处于国内领先地位,解决了商用级图形处理芯片军用化的重大难题。

2009年7月,景嘉微首款GPU图形显控模块通过技术鉴定审,2014年量产具有完全自主知识产权的GPU-JM5400,打破外国芯片在我国军用GPU领域的垄断,实现了军用GPU的国产化。

M9是ATI公司在2002年9月推出的图形处理芯片,JM5400在工艺、外存带宽及容量、接口等优于M9。JM5400采用固定流水线的架构设计,支持OpenGL1.3规范,片上封装两组DDR3存储器,每组位宽32位,共1GB容量,显存带宽为12.8GB/s,内核频率550MHz,像素填充率为2.2G pixels/s,采用PCI接口。

2019年初,景嘉微第二款GPU产品JM7200实现量产并取得第一个订单,支持可通用编程体系架构,具备opencl计算加速功能。公司该款芯片是通用GPU,应该不是军用的。

由此,可以判断机载显控系统在2014年前后,已经实现支持多路视频和图像叠加输出、2D/3D数字地图显示、画面旋转等功能,提升了飞行员的态势感知能力,基本与国际接轨。景嘉微坦陈,我国的GPU水平还落后国际先进水平大致10年。

2、CPU

我国CPU厂家还没有上市公司,未见公开报道,那款CPU明确应用于机载计算机系统。有一点可以肯定,我国机载计算机CPU自主可控的路径与GPU类似,前期采用进口高配的商用芯片,驱动程序国内编制;龙芯、飞腾等国内厂家的技术水平达到一定程度以后,优先选择国产CPU

龙芯CPU最早于2001年5月,中科院计算所龙芯课题组正式成立,2006年3月18日首款主频超过1GHz的通用CPU龙芯2E(代号CZ70)流片成功;2006年10月,中法两国在北京签署了与意法半导体公司关于龙芯处理器的战略合作协议;2007年7月,龙芯2F(代号PLA80)流片成功,是龙芯第一款产品芯片;2009年9月,我国首款四核CPU龙芯3A(代号PRC60)流片成功,主要面向工控和终端等领域;2012年10月,八核32纳米龙芯3B1500流片成功,龙芯3号系列龙芯3号系列为64位多核系列处理器, 主要面向桌面和服务器等领域;2015年8月,龙芯新一代高性能处理器架构GS464E发布,继续使用意法半导体的28nmFDSOI工艺制造芯片

龙芯

龙芯3A系列产品,主频800MHz-1GHz,40nm CMOS-65nm CMOS,40mm*40mm FCBGA封装,主要面向工控和终端等领域。龙芯3A中的某一款最有可能被机载计算机选中,从2012年流片推算的量产时间应该在2014年左右。2015年3月31日发射的北斗导航卫星,首次使用龙芯1E和龙芯1F抗辐照的处理器

国内存储芯片尚可,上市公司有兆易创新等,这里不多赘述。

通过上面的梳理,机载计算机从操作系统到CPUGPU等,较成熟的时间应该在2014年前后,总体上与国际先进水平约有10年的差距。中航系统掌控设计和操作系统,核心器件靠外协配套。

星载计算机航天集团的掌控能力较强,基本是大而全,从操作系统到核心器件系统内都能自主生产,其技术水平已在2014年前后完成追赶,目前几乎处在与国际先进水平并跑的阶段,原始创新还需要时日。

机载计算机

星载、机载计算机系统的可靠性,除开操作及其核心器件以外,还有一些外在的加固方式,与我们常见的计算机有完全不同的外形。

 

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