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電子核「芯」技術國產化 方有國產航母

中國第一艘國產航母下水,這艘航母不僅實現了船體國產化,連航母的關鍵電子系統也一併實現了國產化,這有賴於中國軍民融合技術的發展。

 

航母在問世之初,僅僅是作為戰機在海上起降的平台,航母在二戰前僅僅是戰列艦的配角。二戰後能成為海上霸主,得益於雷達技術的提升和在航母上的應用。雷達技術的進步令到航母成為全天候、多功能作戰平台。隨著電腦信息技術的進步和戰場數據鏈的完善,從雷達發現目標到數據傳輸和處理都可以實現全過程自動化,這種自動化指揮控制系統大幅提升了航母的作戰效能。

 

航母上最主要的電子設備莫過於指揮系統、通信系統和雷達系統。在雷達系統中,除了對空/平面追蹤雷達、空中管制雷達,著陸輔助雷達、近防武器火控雷達之外,最引人矚目的莫過於大型相控陣雷達。

 

裝備了相控陣雷達的052D導彈驅逐艦。(網上圖片)

裝備了相控陣雷達的052D導彈驅逐艦。(網上圖片)

 

有源相控陣雷達上擁有大量T/R組件。而得益於近年來迅速進步的MOCVD工藝,中國在T/R組件方面已經實現材料和工藝的國產化,如中國電科某所在2015年推出的氮化鎵T/R組件系列產品。

 

幾個T/R組件組成一個小單位被稱為子陣,每一個子陣會搭配一個FPGA做數據預處理,一般情況下這種FPGA不需要特別高的性能,商業市場上中低端的2000萬門級或者3200萬門級的FPGA就足夠了。不過,有些情況下會要求更高性能的FPGA。

 

在後端的數據匯總處理過程中就需要DSP。有些對性能要求不是太高的雷達,可以不采用FPGA對數據初步處理,直接匯總到後端的DSP陣列進行數據處理。CPU則發揮著類似指揮官的作用,承擔任務管理職能。

 

就各種軍用芯片而言,軍民融合的現像比較普遍,很多軍用芯片都是已成熟的民用產品做修改開發而成的。在這方面,美國有著非常豐富的經驗,比如曾經被應用於軍用電子設備的486DX,再比如美國國防後勤局就曾采購過Xilinx公司的FPGA,用於監視、偵察和火控系統中紅外傳感器的數據處理。

 

軍民融合的例子在中國也有。面對軍隊采購方提出的產品指標,有行業公司給出了2億元的報價,而龍芯公司表示只需2000萬元。龍芯方面解釋了其中的原因:「這項技術,我們民品已經做成熟了,按軍用要求修改即可,自然比從頭做起要省錢得多。」

 

國內自主設計的CPU首推龍芯和申威,雖然不確定首艘國產航母是否會采用這兩種CPU,但就CPU性能和穩定性、可靠性,就承擔有源相控陣雷達任務管理職能的CPU而言,龍芯和申威是完全能夠勝任的。

 

就DSP而言,國內有魂芯和華睿。中電38所研制的「魂芯一號」被授予「國防科技工業軍民融合發展」技術創新獎,並在很多方面有所應用。「華睿2號」是基於龍芯3B修改的,龍芯3B是一款向量CPU,雖然通用性能有限,但這款向量CPU在很多特殊領域頗具潛力。中電14所對龍芯3B進行修改成為華睿2號。華睿2號將雷達信號處理算法提煉成FFT、FIR、相關、矩陣求逆等17種基本計算構件,通過計算構件的邏輯組合實現復雜算法,較好地解決了雷達系統更高的應用需求。該技術成功應用於面向先進雷達的高性能數字信號處理器研發及應用中。

 

中電38所研制的「魂芯一號」。(網上圖片)

中電38所研制的「魂芯一號」。(網上圖片)

 

就FPGA而言,中國有國微電子、智多晶微電子、同創國芯、高雲半導體、京微雅格、771所和772所等公司或單位。這些單位或公司中有體制內單位、也有由美國歸來的技術人員創辦的公司,比如智多晶微電子的團隊來自美國FPGA廠商Lattice Semiconductor。

 

正是中國電子工業的進步,令中國有能力實現航母搭載的大型相控陣雷達的國產化。其實早在最近問世的一款預警機上,指揮預警系統的核心元件已經100%實現國產化。

 

除了有源相控陣雷達的核心元器件能夠實現完全國產化,數據鏈和通信系統、軍事指揮系統在上世紀90年代末或本世紀初就解決了國產化的問題。隨著國內技術進步,這些系統的基礎軟硬件也隨著技術進步而更新。

 

指揮系統主要由CPU、DSP和操作系統輔以一些其他元器件構成。而且使用了自主CPU之後,經過系統優化,實際表現不遜色於國外CPU,比如龍芯首席科學家曾經介紹:某指揮系統應用,X86 i7平台每秒20幀,龍芯平台優化前每秒3幀,優化後每秒30幀。雖然不清楚國產首艘航母的指揮系統會采用什麼CPU,但自主CPU完全能勝任這項工作,而且經過系統優化後可以表現的比X86 i7更好。

 

KJ500指揮預警系統的核心元件已完全實現國產化。

KJ500指揮預警系統的核心元件已完全實現國產化。

 

至於戰場數據鏈和通信系統,其實就是更高端的民用通信系統,或者說現在大家使用的無線通信系統其實就是戰場數據鏈轉化而來的技術。主要由CPU、DSP、ADC(模擬數字轉換器)、DAC(數字模擬轉換器)、射頻、天線等組成。射頻芯片具有射頻收發和功率放大等功能,ADC是將數字信號轉化為模擬信號,而ADC則反過來,將模擬信號轉化為數字信號。由於數據鏈和通信系統中要涉及模擬信號和數字信號的轉換,因此在接收端和發射端就需要有ADC/DAC。此外,超高速ADC/DAC是雷達的重要器件,在電子戰中,頻率捷變也必須仰仗超高速ADC/DAC。

 

首艘國產航母上的正是因為國內企業對指揮系統、通信系統和雷達系統技術的發展,才讓中國第二艘航母成為真正意義上的國產航母。

科技控

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