北斗导航卫星工作示意图（资料图）
“龙芯”上天，意味着我国卫星导航系统在自主可控的征程上迈出关键一步——
本报记者倪思洁
3月31日，中国北斗卫星导航系统多了一位新成员。作为第17颗北斗卫星，这位新成员接过了“自主可控”的接力棒。据该卫星总设计师、来自上海微小卫星工程中心的林宝军介绍，这颗由中科院负责研制的新一代导航卫星大量使用国产化器部件，并首次使用中国制造的“龙芯”中央处理器（CPU）。
4月20日上午，新一代北斗卫星上装着“中国芯”的计算机正式开机，意味着我国卫星导航系统在自主可控的征程上迈出关键一步。
性能好过“买来的”
据媒体报道，在最近发射的新一代北斗卫星上，部件的国产化率达到95%，而作为最核心的元器件，CPU的自主化也受到较高关注。
“此次搭载的处理器是‘龙芯’的两款芯片——龙芯1E和龙芯1F抗辐照处理器。”中科院国家空间科学中心研究员、中科院复杂航天系统电子信息技术重点实验室副主任安军社在接受《中国科学报》记者采访时说。
安军社表示，新一代北斗卫星上有3个被称为“单机”的黑盒子，每个约有4本400页的32开图书摞起来那么大。其中两个黑盒子里，每个装了2片龙芯1E芯片和4片龙芯1F芯片。
“这两个黑盒子的主要任务是用于完成星间链路的数据处理，即支持北斗各颗卫星之间的通讯数据处理任务。龙芯1E负责进行常规运算，龙芯1F完成数据采集、开关控制、通讯等处理功能。”安军社说。
“目前，与我们在国际上能买来的芯片相比，龙芯1E和龙芯1F的性能还是要更好一些，处理能力和可靠性也与国际上能买到的持平。”安军社告诉记者。
辐射是最大威胁
对于计算机芯片处理器来说，从地到天，不只是送上去那么简单。
银河宇宙辐射、地磁捕获辐射、太阳粒子事件，宇宙中的各种辐射是卫星上处理器面临的最大环境“威胁”。
“这些辐射会对元器件造成物理损伤。”安军社举例说，辐射的总剂量效应会使芯片的性能不断下降，直到坏掉；高能的粒子打到芯片里，会直接损坏芯片的内部工艺，使电流突然增加，最终导致芯片烧毁。
中科院计算所研究员章立生介绍说，“龙芯”处理器可根据用户需求进行设计，而抗辐照成了作为用户的国家空间科学中心和上海微小卫星工程中心对龙芯一号的最重要需求。
中科院计算所研究员、总工程师胡伟武在接受《中国科学报》记者采访时介绍说，就目前国际在轨运行的卫星来看，芯片的抗辐照能力是一大技术难点。
记者了解到，我国使用的大部分元器件抗辐照能力较差，加之受到国际禁运的限制，能买到的处理器性能有限。正因如此，对元器件抗辐照能力的要求成为国家战略性需求。
早在2006年，中科院计算所就开始研究抗辐照加固技术。“十五”期间就已基本掌握此项技术，并在“十一五”期间走上产业化道路。
中科院国家空间科学中心也在为此努力。安军社介绍说，在设计上，一方面努力减少电荷的累积效应，另一方面通过隔离措施，防止芯片在受到高能粒子撞击时出现电流不断增加的情况。掌握技术后，他们又花了大量时间将芯片“装进”设备。
“龙芯1E和1F抗辐照芯片成功进行星载应用，表明中科院已经掌握抗辐照的设计能力。”胡伟武说。
“全部换成国产的”
为让“龙芯”顺利上天，曾有近一年的时间，负责做龙芯1F外围接口研制的中科院国家空间科学中心研究人员周莉几乎把办公室搬到了计算所里。
“那段时间，我每天都待在计算所做仿真调试、验证工作等实验，基本上是‘5+2’‘白+黑’的节奏。”周莉告诉记者。
在中科院重大科技任务局的统筹下，为了一个共同的目标，中科院研究所之间的合作越发紧密起来。在胡伟武看来，“龙芯”上天充分体现了中科院的综合实力和集中力量办大事的优势。
“在这个过程中，‘龙芯’已逐渐从纯研究为主转向跟应用和市场紧密结合。”胡伟武表示，用户的督促也使其技术水平螺旋式上升。
对于未来，胡伟武表示，中科院计算所、自动化所、微电子所、上海微小卫星工程中心、国家空间科学中心等机构可在中科院的统一规划和领导下共同构建星上计算机的体系架构。“星上计算机要形成体系，并最终实现全面的国产化。”
安军社则告诉记者：“我国星载处理器的性能与国外还有很大差距。‘十三五’期间，我们还要在提升CPU性能上继续努力，最终把星载设备全部换成国产的。”
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