10月14日發射的實踐九號B衛星上芯片的變化讓北京控制工程研究所星載計算機及電子產品總工程師華更新喜不自禁，在該衛星上，控制管理單元的核心處理器及其外圍電路被一個名為“SoC2008”的片上系統芯片替代了，這好比衛星自動駕駛儀由一臺整機設備變成了設備里一個指甲片大小的芯片。更重要的是，這個芯片是由北京控制工程研究所年輕的設計團隊自主研發的。

“這意味著之前功能相對單一的芯片升級為大腦系統，航天型號不再處于一種持續跟仿國外各種芯片的局面，而是可以通過系統與元器件之間的協同設計，采用我國自主研發和國內外開源的IP(知識產權)核，從而解決長期困擾航天裝備信息安全的核心元器件國產化和自主保障問題。”華更新說。

小如指甲片 性能高8倍

“這是我們自主研發的一種適用于下一代衛星使用的SoC芯片，把原來整數處理單元、浮點數處理單元、存儲器管理器等多種電路功能集成到SoC2008芯片內部。”華更新告訴記者，芯片好比是計算機的一個個大腦，水平直接影響著計算機的運行質量。當前，空間電子產品正朝著高密度、高復雜、高性能、低能耗和微小型方向發展，而空間復雜的運行環境更是對其提出了高可靠性的要求，傳統的集成電路已無法滿足這些需求。因此，研制高性能、高可靠、小型化的高水平抗輻射核心片上系統芯片的需求更加迫切。

SoC(System on Chip)，即片上系統，是一種系統級的嵌入式設計技術，從廣義角度來說，是“系統功能在單一芯片上集成”。

華更新做過計算，采用這些技術后，星載電子系統的內部集成度提高了，重量只有采用傳統設計產品的40%，能大幅減少衛星平臺的體積、重量和功耗，使我國國產衛星平臺的有效載荷承載能力大大提高。

他以探月工程任務為例介紹，1公斤物品要從地球帶到月球表面，需要消耗約6.5公斤燃料，要帶回地球另需2.5公斤燃料。這意味著衛星平臺只要減少1公斤重量，運載火箭的負擔就少了近10公斤。

雖然個頭小了，但星載電子系統的性能卻提高了7—8倍，功耗卻只有原來的80%左右。
“SoC是對傳統軟硬件分離的型號研制模式挑戰，將徹底改變方案、初樣、試樣、定型的傳統研制流程，大大縮短型號研制周期。”北京控制工程研究所超大規模集成電路副主任設計師、SoC2008主管設計師劉鴻瑾如是說。

容錯設計技術，一個指令三個“判官”

“在民用領域，SoC技術概念早已有之。”北京控制工程研究所硬件設計工程組長劉群舉例說，比如現在的智能手機，小小的芯片就集中了多項功能。但對航天來說，要在集成化的小芯片上集中多項功能，遇到的困難更多。

劉鴻瑾告訴記者，航天電子產品在空間運行過程中要承受惡劣的空間輻射環境，航天用處理器的一個最基本的要求就是具有抗輻射能力。但SoC系統集成的很多IP核都不是抗輻射加固的，因此需要首先將SoC系統設計做好，然后在此基礎上進行進一步的抗輻射加固，這對于設計團隊是一個巨大的挑戰。

為提高SoC可靠性，SoC研制團隊從工藝、電路設計、微結構設計以及軟件設計等角度出發，分別采取措施，特別是創造性地采用完全三模冗余設計等抗輻射加固設計和容錯設計技術。

“所謂三模冗余設計，就是當系統接到一個指令后，會有三個‘人'對指令進行判斷，即使一個判斷錯誤，只要另外兩‘人'表決通過，指令仍然能夠正確執行。”劉鴻瑾表示，這主要考慮到航天產品一旦上天就不能修復的特點，通過這種容錯方式保證系統可靠運行。

由于具有處理器核和其他復雜輸入輸出接口電路，代碼設計完成后如何對芯片進行仿真驗證成為一大難題。在芯片研制過程中，團隊在長達16個多月里，對芯片進行了充分的驗證。通過隨機生成指令序列的方式，目前已經通過12萬條隨機組合單指令、75萬組多指令組合的功能驗證，實現了指令覆蓋率100%。

探月工程一顯身手

劉鴻瑾告訴記者，早在20世紀90年代，美國航空航天管理局就根據未來航天任務需求，組織多家公司開展了多項有關SoC技術的研究，2011年年底發射的火星探測器中，電子設備的功耗控制單元采用SoC實現了整個系統。

由于系統兼容的需要，實踐九號B星控制計算機并沒有給SoC2008太大的發揮其運算能力的空間。劉鴻瑾說，SoC2008芯片第一次亮相太空只是第一步。目前該芯片已經開始應用于多個型號的各類電子產品中，其強大的能力將得到充分發揮。

華更新認為，隨著航天技術發展，對以星載計算機為代表的空間電子系統的性能、功能、體積、功耗、重量、可靠性及空間環境適用性的要求越來越高，SoC技術給航天器綜合電子系統發展帶來了革命性的變化，為我國航天器的技術發展和產品更新換代，打下堅實基礎。此外它還將在航空、航海、高鐵、核電、汽車和工業控制等領域發揮越來越重要的作用.