自信自强逐梦天宫 守正创新再启“芯”程——走近航天科技九院772所航天处理器团队
来源:中国航天报      时间:2023-05-08

去年,梦天实验舱与天和核心舱的成功对接和转位,标志着中国空间站T字基本构型在轨组装完成,创造了世界最快的空间交会对接纪录;长征二号F运载火箭将神舟十五号载人飞船精准送入预定轨道,创造了6名中国航天员同时在太空飞行的历史时刻,标志着中国空间站建造阶段发射任务获得全胜,中国航天将探索太空的脚步迈得更深更远。

在中国空间站建造任务中,航天科技集团九院772所研制的、以CPU为代表的数万只航天芯片,应用于空间站各实验舱系统、实验柜及舱外平台等。其中,高性能、高可靠CPU是型号电子设备空间信息获取、处理、存储及传输功能实现的核心器件,是集成电路自主可控体系建设的龙头。

772所一直将“卡脖子”问题作为航天微电子自立自强的任务清单,为摆脱抗辐照处理器长期以来依赖进口、受制于人的被动局面,早在2000年就组建了一支“立志高、作风正、业务精、能力强”的航天处理器团队。

23年来,团队作为航天处理器研制的国家队,满怀爱国主义情怀,以航天精神为指引,以自主创新为核心,深耕航天处理器关键技术研究,承担了以多核处理器国家科技重大专项为代表的30余项国家重大课题,荣获国防科学技术进步一等奖等省部级以上奖励十余项。团队突破了内核、架构、抗辐照等关键技术,研制出3代SPARC架构系列抗辐照处理器,成功应用于空间站、货运飞船、北斗导航卫星、高分卫星等重大型号任务,谱写了航天“芯”时代的绚丽“芯”篇章。

勇于担当,坚守报国初心,自立自强研制“航天芯”

抗辐照加固处理器是航天自主可控的战略性产品,欧美等均将其作为重中之重的产品自主发展。

20世纪90年代,我国载人航天事业刚刚起步,航天用处理器完全依赖进口,面临着严峻的限制和禁运风险。为实现核心器件自主可控,772所开始抗辐照加固处理器技术研究。

这项工作技术难度大、研制周期长、没有可借鉴经验,有些团队因为项目前途未卜而中途放弃。但时任772所所长的赵元富却意志坚定地强调:“卫星电子器件的基础能力一定要自己掌握,这对航天的可持续发展极其重要,所以不管多难我们都要想办法攻克。”正是在这种信念的支撑下,772所确立了抗辐照处理器研制技术路线,并20余年持之以恒。

当时参与项目的团队成员至今仍然记得,为了加快攻关进度、抓住型号应用的难得机会,大家封闭攻关,两个月吃住在办公室里,有些同志拿来睡袋用于晚上休息,有些同志干脆就把桌子拼起来凑合着睡;大家每天醒来就开始电路设计,工作到深夜才舍得睡去,把时间用到了极致;一名负责验证的工程师为了确保验证覆盖率达到100%,连续工作70小时后晕倒,醒来第一反应就是继续工作;一名刚入职的新员工利用自己的软件专业优势,通过编写自动化脚本将仿真时间从1周缩短到了2天,工作效率大大提升……

在他们的坚持下,团队艰苦攻关,一干就是十多年,创新实现抗辐照高端处理器研制的技术路线,全自主正向成功研制了抗辐照处理器BM3803,其性能与欧空局同期产品相当。

2011年11月22日,BM3803第一次在太空中“点亮”,在试验卫星四号升空后成功应用;彼时772所的科研大楼里,航天处理器团队成员们正在激动而紧张地关注着这颗“芯”,“十年磨一剑”的产品到了应用检验的关键时刻。

当开机测试顺利通过的消息传来,团队的欢呼声响彻整个科研大楼,BM3803初次接受“检阅”,就以高可靠的表现交出了一份“亮眼”的答卷,极大地鼓舞了团队的信心。

作为首款上星应用的国产航天处理器,BM3803填补了国内抗辐照处理器领域的空白,圆了中国航天的“国产CPU”之梦,在航天关键元器件自主可控进程中具有里程碑意义。

接下来的十余年间,BM3803广泛应用于北斗导航、载人航天、货运飞船等航天工程中。在北斗卫星系统中已累计运行超300万小时,工作稳定且故障率为零,表现优于进口器件,成功助推北斗三号全球组网完美收官。

接下来的十余年间,BM3803广泛应用于北斗导航、载人航天、货运飞船等工程任务中。在北斗卫星系统中已累计运行超300万小时,工作稳定且故障率为零,表现优于进口器件,作为核心器件助推北斗系统全球组网圆满成功。

BM3803作为标志性技术成果荣获国家技术发明一等奖,团队核心成员作为代表在人民大会堂受到习近平总书记的亲切接见。

扎根沃土,牢记强国使命,踔厉奋发拓展“抗强芯

为适应宇航型号发展需求、拓宽产品应用领域,2014年,航天处理器团队以前期技术积累为基础,开始研制第二代抗辐照SPARC处理器BM3823。为了在更先进工艺下提升电路抗辐照能力,团队提出电路级、版图级和系统逻辑级多层次加固的设计方法。

至2018年,团队突破了流水级冗余锁步、高可靠总线架构等关键技术,成功研制第二代高性能300兆赫兹抗辐照SPARC处理器BM3823,性能优于欧洲同期产品,标志着772所宇航处理器研制水平迈入了国际先进行列。

作为国家重大项目的成果产品,BM3823实现了载荷任务管理、通信主控等分系统的高实时任务控制,将广泛应用于载人航天、宽带卫星及商业航天等重大型号任务,充分体现了团队将国家项目研究成果转化为实际应用产品、支撑型号任务需求的决心。

技术的可持续发展需要人才的支撑,研制“中国航天芯”的使命也吸引了一大批有志青年加入团队。772所高度重视人才培养工作,提出了“英才工程”,致力于搭建舞台助力青年成长成才。

航天处理器团队平均年龄30岁,为了帮助青年快速融入中心工作,772所提出了“四芯”人才培养计划:通过“芯春苗培养计划”发现人才,以敏锐的洞察力挖掘人才,充分利用人才资源,合理安排岗位,让青年人才发挥最大效能;通过“芯思想引领计划”启迪人才,充分发挥党支部精神引领和统筹协调作用,通过丰富的党工团活动凝聚青年,发挥党员先锋岗、青年突击队主力军作用,坚定团队成员的理想信念;通过“芯能力提升计划”培养人才,有意识、有计划地安排德才兼备、素质优良的成员参加重大工程和型号任务的研制工作,锻炼人才,同时鼓励成员出国交流、参加国际会议等,拓展团队成员的国际视野,青年骨干得到快速成长;通过“芯文化共享计划”滋养人才,通过理念共享、知识共享、成果共享、文化共享,改变“单打独斗”的模式,形成“集体作战”机制,发挥共同体的力量,孕育形成“质量 创新 共享 卓越”的团队文化,形成阶梯式的人才队伍。

截至目前,团队共培养出了5名集团级技术带头人、10余名技术专家、20余名青年骨干人才。

坚定信念,传承航天精神,接续奋斗打造“智能芯”

2016年12月20日,习近平总书记在会见天宫二号和神舟十一号载人飞行任务航天员及参研参试人员代表时指出:“我们正在实施创新驱动发展战略,这是决定我国发展未来的重大战略。航天科技是科技进步和创新的重要领域,航天科技成就是国家科技水平和科技能力的重要标志。”

随着新一代航天工程的迅猛发展,在轨任务处理越来越复杂,对高性能航天处理器功能性能的要求越来越高。

为了满足新一代航天工程对高性能运算、高可靠控制的需求,航天处理器团队明确提出了再进一步的奋斗目标和使命担当,那就是:“我们必须开拓新型处理器架构,寻找实现高能效、高智能、高可靠、高带宽综合提升的技术途径,真正掌握先进核心技术,务必满足新一代航天工程型号的迫切需求!”

团队深入分析了载人登月等国家重大型号工程的需求,综合考虑星务管理、姿轨控管理、在轨实时图像识别、目标动态跟踪、高带宽通信数据处理等应用,明确了新一代航天工程对抗辐照处理器智能处理、高速传输等性能的更高要求,基于自主可控CPU技术发展路线和平台能力,最终敲定了最优的技术途径和方案。

2020年,团队开始BM3883型抗辐照高能效智能异构阵列处理器的设计研发和集成验证工作。

本次任务面临更高标准的新技术、新架构、新工艺等多重难关,同时又要满足2022年型号应用需求,时间紧任务重,又逢疫情形势突变,团队充分发挥党员的先锋模范作用和突击攻关作用,成立专项攻关小组。“疫”声令下,“疫”无反顾,专项攻关小组冲锋在前,毅然选择驻所办公、坚守岗位、协同攻关。

攻关小组中的新任“奶爸”在接到驻所任务后,义无反顾带上行李星夜奔赴工作岗位,坚守2个月都没回家;有的同志力争在短时间内高质量、高效率、高效益地完成测试验证工作,连续2周每天工作20个小时……

团队经过不懈努力,突破多核处理器架构、神经网络加速引擎、高带宽低延迟互连总线、高速接口设计等关键技术。团队发挥大力协同的航天精神,采用边设计、边验证、边应用的“三边”研发模式,首次与项目总体及软件配套单位集同攻关,提前开展验证及软件适配,有效缩短产品研制周期;首次采用航天重大型号“复核复审”的工作机制,极大地提高了设计的可靠性,确保产品质量;首次实现在研制阶段就被型号选用,有效提高产品的应用匹配性;首次增加人工智能加速引擎的设计,推动国产抗辐照智能处理器的发展。

最终,第三代国产抗辐照处理器BM3883系列产品研制成功,并成功应用于载人登月工程和新一代商业航天等国家重大战略型号任务,满足了新时期型号任务高性能应用需求。

志存高远,推动科技创新,砥砺前行探索“多元芯”

党的二十大报告中多次提到中国航天取得的重大成绩,体现了党中央对中国航天的认可,更体现了习近平总书记的殷殷嘱托,这是全体航天人身上沉甸甸的责任,更是航天处理器团队后续前进的动力。

未来,随着中国航天对太空探索的逐步深入,各类航天器对关键核心器件性能要求将会越来越高。

面向深空探测、小行星探测、重型运载、智慧卫星等领域应用,未来天基系统正在向智能化、网络化、柔性化方向发展,对综合电子系统提出了在轨功能可重构、在轨实时高性能运算、在轨深度学习、在轨高带宽高可靠等技术需求。

这对以90后甚至00后为代表的772所新一代航天“芯”青年来说,既是挑战,更是机遇。

为了支撑新一代航天工程应用,航天处理器团队新一代青年将怀抱梦想、敢想敢为、团结协作、勇毅前行。

他们一方面着眼世界,开展对国际航天电子技术领域规划布局和项目实施的调研分析;另一方面面向未来,通过与总体单位、分系统单位联合论证,将目光投向了支持高密度集成的智能异构集成芯片,主要聚焦在人工智能、异构集成、自适应可重构、多维度高可靠、软硬件协同设计等方面。与此同时,他们还脚踏实地,构建智能异构计算处理平台,开展了可重构信息处理微系统产品研制,第四代抗辐照高性能异构集成处理器产品指日可待。

20多年的技术积累让团队整体技术能力不断取得突破性进展,实现了单核到多核、单发射到多发射、单层总线到多层总线、百兆赫兹到吉赫兹、百万门级到亿门级的技术跨越,成为我国航天处理器领域的排头兵。

习近平总书记强调:“要瞄准战略性、基础性、前沿性领域,坚持补齐短板、跟踪发展、超前布局同步推进,努力实现关键核心技术重大突破。”

新的征程,新的挑战。

通过持续技术创新,航天处理器团队将以“芯”思想、“芯”风貌走出一条传承信念、创新突破的“中国航天芯”可持续发展之路,引领我国空间处理器技术从并跑到领跑,让空间站闪耀中国“芯”。(所轩)