“芯片危机”会卷土重来吗？再论“俄尖端武器缘何没有芯片危机”

“芯片危机”会卷土重来吗？——再论“俄尖端武器缘何没有芯片危机？”

前言

我于2018年8月9日曾在环球网上发表了“从武器装备的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机？”），受到不少读者的关注。很多读者认为，俄罗斯经济实力弱，微电子技术落后，又缺乏高端芯片，现又受北约制裁和重压，但仍能不断推出一批又一批世界一流的武器；尽管中俄体制不同，但俄罗斯的经验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机似乎有所缓和，但中美贸易摩擦并未得到实质性解决。特朗普一再扬言：“此次贸易制裁不是结束，而是开端！”。近来尽管新冠病毒还在美国和全世界肆虐，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，扬言要在疫情过后谋求中美经济上完全脱钩。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（因为美国产品更具有垄断性）。为此我根据读者意见又做了些调研。这篇“再论”，就是想在原文基础上和大家作些进一步探讨；务求把一些基本问题弄清楚（如没有高端芯片对武器先进性影响多大？俄采取哪些重要措施弥补没有高端芯片带来的缺陷？发展军用高端芯片产业难点在那里？等等）。文中所举例子虽以国外相控阵雷达（俄S-300雷达和美国爱国者雷达）为例，但它有一定代表性。因为尖端武器（导弹、战机等）中电子设备的比重越来越大。读者可以触类旁通。

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）中使用高端芯片情况

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FPGA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FPGA+DSP结构。FPGA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DSP，去实现复杂的算法。