日前,俄罗斯贝加尔电子公司正式启动了贝加尔 -T1 芯片大批量产,产量规模为 10 万片。俄罗斯软件协会专家对贝加尔电子公司及贝加尔 -T1 芯片做出了评价,认为贝加尔电子公司是俄罗斯国内第一家基于微电子处理器系统的生产商。该公司在工程样本发布后一年时间里就实现了贝加尔 -T1 芯片的量产,并且芯片性能丝毫不逊于外国类似产品。

 

俄罗斯目前电子元器件进口依赖程度已高达 99%,包括关键领域的应用,微处理器的首批量产对于俄罗斯来说是一件具有非常重要意义的事。



从苏联时代曾经的辉煌,到如今的电子工业整体衰退。即便俄罗斯目前积极发展本国处理器以及半导体产业。但在如今的国际格局下,中国半导体产业茁壮成长,俄罗斯半导体产业走向没落已经是定局。


贝加尔 -T1 性能有限且受制于人

虽然俄罗斯软件协会专家对贝加尔 -T1 芯片的评价比较高,但这款芯片的俄罗斯血统其实非常有限,而且芯片的性能也比较有限。具体来说,贝加尔 -T1 其实是集成了两个 MIPS P5600 CPU 核的 SoC,由台积电代工。


本质上,和国内 ARM 阵营 IC 设计公司购买 ARM 的 IP 授权集成 SoC 类似,真正由贝加尔电子完成的工作只有一系列的集成工作,由于设计 CPU 的过程中 80%的功夫都花在研发 CPU 核上,这种从 MIPS 购买 IP 授权集成 SoC 做出来的芯片,其俄罗斯血统就非常有限了,而且还不能保障从 MIPS 购买的 P5600 CPU 核绝对没有后门。


在性能上,贝加尔 -T1 也非常有限,其主频只有 1.2G,而且 P5600 也是性能比较一般的 CPU 核,是 Imagination 收购了 MIPS 之后,在 2013 年发布的一款产品,根据有限的信息判断,P5600 与 ARM Cortex A15、龙芯 GS232e 大致处于同一水平,是一款嵌入式产品。



而从用途上,其实也能看出来贝加尔 -T1 芯片性能有限——主要用于路由器、IP 电话、数据存储、工业自动化、车载系统等方面。因此,贝加尔 -T1 显然达不到桌面 CPU 的性能,即便是 T-Platforms(该公司是俄罗斯有名的超算厂商,其生产的超算罗曼诺夫 2 号是目前俄罗斯性能最好的超算)推出的搭载贝加尔 -T1 芯片的 Tavolga Terminal TB-T22BT,其实也是一台瘦客户端。



对于贝加尔 -T1 这款芯片,俄罗斯官方显然是比较重视的,否则也无法获得《2008-2015 年电子元器件和广播电子发展规划》联邦专项规划的支持。但就意义而言,更多的在于解决有无问题,哪怕这款芯片是买 IP 做集成的产物。


就如俄罗斯 Axitech 公司在对芯片进行测试后的评价:它使俄罗斯在远离进口依赖的道路上迈出了一大步,国家有必要对公司和产品进行进一步的保护,以减少对俄制裁带来的负面影响 ......


俄罗斯军用电子元件大量依靠进口

俄罗斯民用电子产品大量进口早已不是新闻,即便是军用电子元件,俄罗斯也很大程度上依赖进口,比如俄罗斯最新服役的苏 35 战机上就有 3000 种外国组件,当中就有很多进口电子元件。再比如 T-90 等不少坦克的火控系统中就曾经集成法国的热成像仪,而且原装的俄国产热成像仪连印度都嫌弃,印度在引进 T-90 主战坦克的过程中,换装了法国泰利斯公司的凯瑟琳热成像仪。


(法国泰利斯公司的凯瑟琳热成像仪)


塔斯社援引俄罗斯联合造船公司进口产品替代部主管 Alexander Navotolsky 的话称,在电子元件和模块方面俄罗斯船厂对外国元件的依存度大约为 70%。


在乌克兰以及克里米亚事件之后,西方制裁促使俄罗斯无法从美国采购电子零部件。俄罗斯航天政策研究所所长莫伊谢耶夫表示:“美国此举也可以迫使我们走自己发展之路。我们的‘格洛纳斯 -M’卫星 75%-80%使用的是西方国家的电子元件。其他航天器中所占的比例也基本类似。”


抗辐照芯片


俄罗斯官方媒体引述俄罗斯宇航局消息来源的话说:俄罗斯宇航局目前同中国航天科工集团(CASIC)合作,中方下属的一些研究所已向俄罗斯方面提供了几十种电子零部件样品,这些配件或是能全部,或是经过少许改动后可替代美国进口货。在向中国大规模采购电子零部件前,俄方正在翻译有关这些配件的技术资料,并对这些配件进行测试。由于在宇航级 CPU 上欧洲对俄断货,俄罗斯已经向中国采购了不少宇航级 CPU。


772 所研制的抗辐照芯片出口俄罗斯


在 2014 年,俄罗斯电子股份公司的总裁安德烈·兹韦列夫表示:“我们首要的任务是建立起国有电子元器件生产基地,这对满足我国国防所需的关键能力非常有必要 ...... 在核弹领域,俄罗斯已经完全决定不再使用国外电子元器件(就是说曾经在核弹领域使用国外电子元器件)。其所需的电子元器件将 100%在俄罗斯境内研发和生产(注意是“将”)。


 

从中可以看出,进口电子元件已经深入俄罗斯国防军工的方方面面,从坦克到飞机,再到军舰,甚至连与核弹有关的电子元器件都不同程度上依赖进口,俄罗斯电子工业衰退的着实令人目瞪口呆。

 

苏联时代电子工业实力仅次于美国
虽然当今俄罗斯电子工业衰退的很厉害,但苏联时期家底还是比较厚实的。中国建国初期计算机技术从无到有,很大程度上就得益于苏联的技术,103 计算机是根据苏联提供的 M-3 设计图纸进行局部修改后研发的,运算速度达每秒 3000 次,该计算机共生产 36 台。104 计算机根据苏联БЭСМ-II 计算机为模板研发,每秒运行 1 万次,共生产 7 台,在原子弹的研制过程中发挥了重要作用。


有一些观点认为,是苏联的体制问题影响电子工业的发展,比如搞三进制和电子管小型化等等。

 


(采用超小型电子管的耐火箱)


但其实,这种解读是片面的。苏联在 50、60 年代确实做过三进制计算机,只不过后续工作没能得到上级的支持,导致三进制计算机研项目搁浅。


事实上,三进制计算机确实有其独到之处,美国也研究过三进制计算机。如果把苏联研发三进制计算机归结为体制问题,那么美国也研究三进制计算机,这是不是也意味着美国的体制也有问题?



(真空管电子管)


同样的,关于电子管小型化苏联取得了不小的成绩,真空电子管虽然具有寿命短、容易碎裂、容易烧坏、体积比晶体管大的缺点,但优点在于工作稳定,而且抗干扰能力非常强悍,非常适合在军用设备中使用。



特别是在冷战中核大战的阴影下(在核大战环境下,存在大量的电磁脉冲,电子管基本不受干扰,而晶体管就呵呵了),苏联在军用电子设备上选择电子管也就合情合理了。

苏联科学家亚历山大·克拉斯洛夫


而且,苏联在发展电子管小型化的同时,并没有放弃晶体管的研发。在 1948 年,苏联科学家亚历山大·克拉斯洛夫与莫斯科化工学院苏珊娜·马多娅发表了苏联第一篇关于晶体管的文章。后来亚历山大·克拉斯洛夫因在半导体晶体管研制方面的杰出贡献荣获列宁勋章。


1950 年,苏联多家单位分别完成了类似的晶体管样品研制。



苏联第一个硅晶体管П104 


1953 年,时任国防部副部长的苏联科学院院士А.И伯格起草了一封上书苏共中央委员会的信,建议开展对晶体管的开发工作。到 1957 年,已经有晶体管收音机进入苏联百姓家庭之中。


P-353“质子”电台,采用了超小型电子管,装备苏军伞兵和克格勃特种部队


不过,由于核大战的阴影,60-70 年代,超小型电子管和晶体管并存是苏军装备的一个特点,比如苏军装备的无线电台基本上都是超小型电子管和晶体管并存,这样可以充分发挥各自的优点。


到 80 年代,苏联的半导体工业进一步成长,进入了大规模集成电路时代,微型机年产量突破 60 万台,有 5 家大型工厂生产大规模集成电路和微机,这些微型机被用于 180 多种工业设备和生活用品上。



特别是在超高速集成电路和集成电路抗冲击方面,苏联具有很高的技术水平。在其他方面,即便相对于美国,局部的差距最多不过 5 年。必须指出的是,苏联建立起了从原材料、设备、设计、制造等一整套完整的半导体工业体系,而且这整套工业体系是完整而独立的,当时仅有美国和苏联具备这种实力。


 

俄罗斯无法效法中国发展产业
导致当今俄罗斯电子工业一蹶不振的原因并非是苏联体制问题。恰恰是苏联的举国体制、高效的理工科教育和庞大人才储备使苏联在半导体工业上得以快速发展。而苏联解体才是俄罗斯电子工业衰退的罪魁祸首。

戈尔巴乔夫


在苏联的经济布局之初,斯大林为了加强各个加盟国的联系,就结合各地实际情况,把产业布局按照上下游关系分配到各个加盟国。根据产业布局,乌克兰是苏联的电子信息工业基地,白俄罗斯是苏联的半导体工业和微电子工业基地,即便是波罗的海三国,苏联也曾经布局半导体工厂。


而随着苏联解体,直接导致苏联时代的完整的工业体系破碎化。加上俄罗斯寡头和西方国家用非战争的方式洗劫了苏联人民的财产,导致原苏联各加盟国军工领域许多专家、教授失业,大量一流的工程师陷入赤贫。

 

恰逢此时,美国、西欧和日本、韩国、中国不遗余力的从苏联挖掘人才。


不过,在人才抢夺中最大的受益者自然是美国。美国从苏联挖走了不少出色的架构师,比如彼得希洛科夫,他是超标量之父,在英特尔期间提出了 simd 的概念,参与 p3 的核显设计和英特尔 3d 工艺的预设。


正是因为苏联解体之后造成的经济困难和人才断档,导致如今俄罗斯半导体工业实力有限。即便和昔日的小兄弟中国相比,差距都非常明显。

 


KJ500 指挥预警系统的核心元件已 100%实现国产化


就以军用电子设备来说,中国在军用电子元件上的自主化程度要比俄罗斯高得多,以某型预警机为例,其 CPU、DSP、T/R 组件等关键电子元件全部国产化;某坦克火控系统和很多导弹的关键电子元件也实现国产化;

北斗导航卫星国产化率达到 98%,“神舟”、“天宫”里大多都是国产电子元件。可以说,中国在武器装备电子元件自主化方面已经远远超越昔日的老大哥了。


俄罗斯联合造船公司进口产品替代部主管 Alexander Navotolsky 称,“在电子元件和模块方面俄罗斯船厂对外国元件的依存度大约为 70%”相对于昔日的老大哥连两栖攻击舰都要从法国购买,以及在电子元件和模块方面俄罗斯船厂对外国元件的依存度大约为 70%,中国在军舰发展上已经领先于俄罗斯了。雷达、数据链、指挥系统早已实现了国产化。

 

雷达、计算机等设备是怎么被搬上军舰的
军舰在问世之初,仅仅是一个海上飞机起降平台,在二战前,如今的海上霸占航空母舰也仅仅是战列舰的配角,舰载机更多是执行侦查、巡逻、舰炮校射任务。


二战中,军舰逐渐取代了战列舰,成为海战的主角。而在雷达问世之后,美国和英国先后将雷达搬上了战列舰等海军舰船,搜索雷达可以探测上百公里外来袭的飞机,而火控雷达相对于光学测距设备具有全天候任务能力的优势,而且不像光学测距具有误差,使舰炮射击更加精准。相比之下,日本对雷达重要性的认识就逊色许多,在太平洋战争中后期才给战舰战舰安装雷达。不过,由于日本在技术上和英美存在一定差距,日本雷达的性能也逊色一些。这使得日本海军在很多时候因为雷达的因素在局部战斗中比较被动。


密集阵


在二战后,随着战机进入喷气式时代,以及电子管、晶体管计算机的发明,为了能够发现、识别、跟踪速度越来越快的战机,雷达技术和计算机技术结合了起来,而这使雷达和计算机被一同搬上了战舰。


随着舰载机性能的提升和各种高速反舰导弹的出现,对战舰舰载雷达的分辨能力、抗干扰能力和快速反映能力提出了更高的要求。加上雷达技术的发展和战舰使用中的实际需要,大型相控阵雷达、空中管制雷达、着陆辅助雷达、密集阵等近防武器的火控雷达等都被搬上了战舰。


随着航空工业的进步和信息化时代的到来,舰载机的种类和性能也与日俱增,为了将航母上所搭载的舰载机如臂使指,就必须有完善的舰载指挥引导控制系统。这套指挥控制系统将雷达和各种传感器传回的信息进行处理,掌握航母上以及周边舰载机的实际状态和飞行参数,然后根据这些数据进行指挥。


最初,指挥控制系统中间一些环节需要人工作业,这不仅降低了效率,还增加了出错率。随着信息技术的进步和战场数据链的完善,从雷达发现目标到数据传输和处理都可以实现全过程自动化,这种自动化指挥控制系统大幅提升了航母的作战效能。


有源相控阵雷达可以实现国产化

航母上最主要的电子设备莫过于指挥系统、通信系统和雷达系统。在雷达系统中,除了对空 / 平面追踪雷达、空中管制雷达,着陆辅助雷达、近防武器火控雷达之外,最引人瞩目的莫过于大型相控阵雷达。


装备相控阵雷达的 052D


有源相控阵雷达上拥有大量 T/R 组件。而得益于近年来迅速进步的 MOCVD 工艺(还记得去年中资曾经试图收购德国企业爱思强公司,最后被美国前总统奥巴马以国家安全风险为由否决的收购案么,爱思强公司的主营业务就是 MOCVD 设备),T/R 组件本身已经实现材料和工艺的国产化,如中国电科某所在 2015 年推出的氮化镓 T/R 组件系列产品。

 

中电集团下属 14 所生产的 KLJ-7A 相控阵雷达,安装有多达 1000 多个 T/R 组件


几个 T/R 组件组成一个小单位被称为子阵,每一个子阵会搭配一个 FPGA 做数据预处理,一般情况下这种 FPGA 不需要特别高的性能,商业市场上中低端的 2000 万门级或者 3200 万门级的 FPGA 就行了。不过,有些情况下会要求更高性能的 FPGA。


在后端的数据汇总处理过程中就需要 DSP。必须说明的是,有些对性能要求不是太高的雷达,可以不采用 FPGA 对数据初步处理,直接汇总到后端的 DSP 阵列进行数据处理。CPU 则发挥着类似指挥官的作用,承担任务管理职能。


就各种军用芯片而言,军民融合的现象比较普遍,很多军用芯片都是已成熟的民用产品做修改开发而成的。在这方面,美国有着非常丰富的经验,比如曾经被应用于军用电子设备的 486DX,再比如美国国防后勤局就曾采购过赛灵思的 FPGA 用于监视、侦察和火控系统中红外传感器的数据处理。


其实,这种例子在中国也不是没有。根据媒体报道,全军武器装备采购信息网发布竞标消息,面对军队采购方提出的产品指标,有同行给出了 2 亿元的报价,龙芯表示只需 2000 万元。龙芯方面解释了其中的原因:“这项技术,我们民品已经做成熟了,按军用要求修改即可,自然比从头做起要省钱得多。”

 

国内自主设计的 CPU 首推龙芯和申威,虽然不确定首艘国产航母是否会采用这两种 CPU,但就 CPU 性能和稳定性、可靠性,以及以往在类似装备上的使用经验而言,就承担有源相控阵雷达任务管理职能的 CPU 而言,龙芯和申威是完全能顶上去的。


就 DSP 而言,国内有魂芯和华睿。中电 38 所研制的“魂芯一号”被授予“国防科技工业军民融合发展”技术创新奖,并在很多方面有所应用。


华睿 2 号是基于龙芯 3B 修改的,龙芯 3B 是一款向量 CPU,虽然通用性能有限,但这款向量 CPU 在很多特殊领域颇具潜力。中电 14 所对龙芯 3B 进行修改成为华睿 2 号。华睿 2 号将雷达信号处理算法提炼成 FFT、FIR、相关、矩阵求逆等 17 种基本计算构件,通过计算构件的逻辑组合实现复杂算法,较好地解决了雷达系统大带宽、高吞吐的应用需求。该技术成功应用于面向先进雷达的高性能数字信号处理器研发及应用中。


就 FPGA 而言,国内有国微电子、智多晶微电子、同创国芯、高云半导体、京微雅格、771 所和 772 所等公司或单位。这些单位或公司中有体制内单位、也有由美国归来的技术人员创办的公司,比如智多晶微电子的团队来自美国 FPGA 厂商莱迪思(就是去年有中资背景基金试图收购,被 20 余位美国国会议员的联合阻挠的那家)。据小道消息,国内有一些反向设计的产品供国防军工需要。

 

KJ500 指挥预警系统的核心元件已 100%实现国产化


正是中国电子工业的进步,使得中国完全有能力实现航母搭载的大型相控阵雷达的国产化。其实,在最近问世的某款预警机上,指挥预警系统的核心元件已经 100%实现国产化。

 

数据链和通信系统、军事指挥系统也能国产化
除了有源相控阵雷达的核心元器件能够实现完全国产化,数据链和通信系统、军事指挥系统在上世纪 90 年代末或本世纪初就解决了国产化的问题。随着国内技术进步,这些系统的基础软硬件也随着技术进步而更新。


指挥系统主要由 CPU、DSP 和操作系统辅以一些其他元器件构成。而且使用了自主 CPU 之后,经过系统优化,实际表现一点不逊色于国外 CPU,比如龙芯首席科学家曾经介绍:某指挥系统应用,X86 i7 平台每秒 20 帧,龙芯平台优化前每秒 3 帧,优化后每秒 30 帧。虽然不清楚国产首艘航母的指挥系统会采用什么 CPU,但自主 CPU 完全能胜任这项工作,而且经过系统优化后可以表现的比 X86 i7 更好。


数据链

至于战场数据链和通信系统,其实就是更高端的民用通信系统,或者说现在大家使用的无线通信系统其实就是战场数据链玩剩下的。主要由 CPU、DSP、ADC(模拟数字转换器)、DAC(数字模拟转换器)、射频、天线等组成。CPU、DSP、天线不用多介绍了。


射频芯片具有射频收发和功率放大等功能,ADC 是将数字信号转化为模拟信号,而 ADC 则反过来,将模拟信号转化为数字信号。由于数据链和通信系统中要涉及模拟信号和数字信号的转换,因此在接收端和发射端就需要有 ADC/DAC。此外,超高速 ADC/DAC 是雷达的重要器件,在电子战中,频率捷变也必须仰仗超高速 ADC/DAC。



ADC/DAC


在数据链和通信系统上,其实软件的难度比硬件更大,对于硬件而言,基本不超过工控产品的要求,但在软件上就要下一些功夫了。


总而言之,中国战舰上的指挥系统、通信系统和雷达系统,中国是完全有能力实现国产化的。

 

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