“芯片危機”會捲土重來嗎？
再論“俄尖端武器緣何沒有芯片危機？”
郭衍瑩
前言
我於2018年8月9日曾在環球網上發表了“從武器裝備的觀點看當前芯片問題”一文（後有多家網站轉載；有的將題目改為“俄尖端武器緣何沒有芯片危機？”），受到不少讀者的關注。很多讀者認為，俄羅斯經濟實力弱，微電子技術落後，又缺乏高端芯片，現又受北約制裁和重壓，但仍能不斷推出一批又一批世界一流的武器；儘管中俄體制不同，但俄羅斯的經驗教訓仍有很多值得我們借鑑之處。這一年多來，雖然從表面上看芯片危機似乎有所緩和，但中美貿易摩擦並未得到實質性解決。特朗普一再揚言：“此次貿易制裁不是結束，而是開端！”。近來儘管新冠病毒還在美國和全世界肆虐，美國遏制中國的企圖一刻也沒有消停。一些政客還不斷製造輿論，揚言要在疫情過後謀求中美經濟上完全脱鈎。可以預見，新一輪的摩擦和更嚴厲的芯片制裁或在不久再度上演。而新的制裁將更着重於軍用高端芯片（因為美國產品更具有壟斷性）。為此我根據讀者意見又做了些調研。這篇“再論”，就是想在原文基礎上和大家作些進一步探討；務求把一些基本問題弄清楚（如沒有高端芯片對武器先進性影響多大？俄採取哪些重要措施彌補沒有高端芯片帶來的缺陷？發展軍用高端芯片產業難點在那裏？等等）。文中所舉例子雖以國外相控陣雷達（俄S-300雷達和美國愛國者雷達）為例，但它有一定代表性。因為尖端武器（導彈、戰機等）中電子設備的比重越來越大。讀者可以觸類旁通。
一、美國尖端武器（以雷達為例）中使用高端芯片情況
以美國愛國者防空導彈系統中的相控陣雷達為例。美國人的設計原則，就是利用最先進的技術，採用最先進的元器件，達到最先進的水平。它用一部雷達（多功能相控陣雷達）完成搜索、跟蹤、照射、指導、火控等多種功能。而在雷達中用了大量高端芯片。除了天饋系統中的R/S（收/發）微波芯片外，視頻以下電路基本上都採用高端數字芯片。除了必須用的高速高精度ADC/DAC芯片外，大致還有三方面，一是計算機芯片，大都是廠家設計的專用ASIC。二是通訊芯片；是很多武器通信控制中心的支柱。類似美國薩德中的C2BMC，靠它實現與其它愛國者雷達聯網。第三要算微波以下信號處理部分大量密集採用的，美商務部曾屢屢點名的DSP(數字信號處理)和FPGA(現場可編程門陣列)一類芯片了。
雷達採用高端芯片後明顯好處首先是體積重量大大減輕，使武器更輕巧、靈活。這對某些武器裝備是至關重要的。其次，運行速度大大提高，使性能指標大幅度提高。最後，使武器更易於撿測、維修；從而提高了武器總體性能。
雷達中以信號處理部分用數字芯片最多。所謂信號處理就是將收到的目標信號從噪聲中提取出來，測出它的距離、角度和速度，然後嚮導彈發出控制信號（指令）。大家知道，過去老雷達的信號處理是利用許多距離通道和數目眾多的速度通道（多普勒濾波器），接收到的目標信號落入哪個距離通道和哪個速度濾波器中，就能知道目標的位置和速度。老方法不僅設備累贅，且速度較慢，精度有限。現代雷達的信號處理改用數字運算方法。而最常用的算法是和富利哀變換（FFT）運算，可以快速算出目標信號的多普勒頻率有多大，然後根據多普勒效應的公式推算出目標速度。
這種運算其實就是大量的相乘和累加的迭代過程。目前一些先進雷達的數據率高達每秒數十次,也就是不到零點一秒整機就要完成一次運算和控制。因此要求信息處理芯片具有實時，快速，大容量計算功能。用現代信號處理芯片最簡便不過了。國外的數字信號處理芯片（DSP芯片）水平首推美國公司產品。從1982年問世至今，已經歷五代產品，它與過去高速微處理器有本質的不同：一是它能在一個指令週期內完成32位乘法和累加運算，時間還不到1納秒；二是多功能；且可並行處理；三是採用所謂“哈佛結構”。它具有一條獨立的地址總線和一條獨立的數據總線，且各有各的存儲器。這樣也就克服了數據流傳輸的瓶頸，極大提高運算速度。近年來DSP芯片技術不斷提高（最高時鐘可達1GHz），產品不斷更新。例如最新資料，某國外公司的產品，在100MHz操作指令下，完成32位1024FFT全部運算，僅需50微妙。
至於上世紀80年代末興起的新型FPGA，它包含大量可編程的門電路（可多至20000門以上）,使芯片更集成化，速度更快，可靠性更高。尤其是具有系統內可再編程(可重置)的能力，包括可編程邏輯塊，可編程I/O和可編程內部連線。作為信息處理，DSP很多應用領域被FPGA所取代。
從應用角度來看，DSP適用於系統較低取樣速率、低數據率、多條件操作和複雜的多算法任務；系統使用浮點。而FPAG適用於系統高速取樣速率、高數據率、框圖方式編程、處理任務固定或重複。系統使用定點。所以二者作用可以互補。實際上目前常用的軟件平台就是FPGA DSP結構。FPGA主要對高速數據進行預處理，降低數據的速率，然後將數據送給DSP，去實現複雜的算法。
二、俄羅斯雷達沒有高端芯片對武器先進性的影響。
美國的愛國者-3和俄羅斯的S-300-2相控雷達都採用先進的脈衝多普勒體制。我們從已公開的資料和圖片中看到（例如俄羅斯售給希臘的S-300-2系統），二者的信號處理也都廣泛採用FFT技術。雷達每一距離通道也是通過FFT運算來實現多普勒速度支路。但美國用的是DSP或FPGA芯片，每個距離通道只需用一片FPGA或DSP芯片和一塊印製電路板(上有高速ADC/DAC芯片和電源控制) 。而俄羅斯的雷達則主要有二種方式，一種是用小規模集成電路（IC）來構成FFT電路；另一種是中頻積累電路加上模擬式濾波器組成（理論證明這二者是等效的）。無論哪一種方式，它的一個距離通道就得做成一個不小的機櫃。所以俄羅斯沒有高端芯片，雖也能做出先進設備，但給人直觀首先是“傻大粗”。有人粗略計算，因S-300-2的距離通道至少有24個，（每個距離通道又有很多速度通道），僅此一項，如果用芯片來實現FFT，比起俄羅斯的辦法，至少可縮小體積三分之一。不過在總體性能指標方面，由於俄羅斯科技人員的聰明才智和努力，包括採取自主創新，揚長避短等措施，在主要方面基本上已克服了沒有高端芯片帶來的缺陷，從總體言基本上達到與愛國者同等水平。
三、 俄羅斯採取哪些措施彌補由於沒有高端芯片（以及微電子技術落後）帶來的缺陷？
眾所周知，自蘇聯解體後，俄羅斯經濟一直不算景氣；他的GDP已連續多年沒有進入世界排名前十位。在軍工方面，微電子技術和精密控制技術一直是俄羅斯的短板。而且從原蘇聯起一直強調武器中基本上不使用外國的元器件（事實是西方也禁止向俄出售高端電子器件）。俄羅斯缺乏世界一流高端芯片和微電子器件，卻能連連推出世界一流的新武器，俄羅斯科技人員是如何解決這一矛盾的？
我們從大量資料中看到，他們就是依靠“自主創新”的思想。具體説，一是靠科技人員“揚長避短”的設計思想。充分利用俄自己在微波電路、模擬電路、微波電真空技術、慣性制導技術和器件等基礎技術方面優勢，依靠俄科技人員聰明才智，彌補微電子技術的不足。這種彌補不是簡單的替代，而常常是一種創新。作者將在下面舉一個典型的成功例子：俄在S-300雷達中曾用他激晶體振盪器（模擬電路）作為中頻信號積累，其體積雖比芯片要大，但比一般集成電路要小，可以替FFT的基本功能。由此可見，俄科技人員採取揚長避短方針，一方面固然是出於無奈，但另方面卻促使它的模擬電路技術達到前所沒有的高水平。
二是靠俄羅斯有一支世界一流的系統設計隊伍。他們的設計思想是“系統第一”；具體説就是指“武器中各部件的水平可以一般（個別甚至可以較差），但系統水平，包括武器主要的系統性能指標和武器可靠性必須一流”。譬如在空天防禦武器領域，他們的設計準則是：1，不能要求武器系統指標全面超過美國，或者項項指標世界第一。俄沒有力量全面和美國拼比。但可以抓住主要指標，解決主要矛盾，使主要指標世界領先。2，不能要求武器系統中所有設備和部件都是一流的，但要求各個設備儘量做到揚長避短。要追求實效尤其是高穩定、高可靠，而不刻意追求採用先進元器件和先進技術，不要在乎外貌 “傻、大、粗”。最後由總師們綜合出主要性能突出，水平世界一流的防空導彈武器系統。
美國有那麼一批雷達專家（包括幾位著名老專家）專門研究俄羅斯雷達的優勢和軟肋，並積累大量資料和數據。他們認為，俄羅斯S-300雷達系統是一個“高性能，低成本，低功耗”的設計。它至少在以下四個系統設計方面，大膽採取的自主創新的舉措：（1）採用X波段（愛國者為C波段），敢於站在高起點。使系統性能指標的提高有很大潛力。（2）用多部雷達，而不是像愛國者用一部雷達完成搜索、跟蹤、照射、指導、火控等多功能。這樣可使每部雷達都達到最佳性能。如搜索雷達可以將天線方向圖壓低，並將天線架設於桅杆上，大大提高搜索低空飛行目標的能力（最低作用距離可至5米，稱世界第一）。當然缺點是系統較“累贅”。（3）衝破經典雷達理論的框框，大膽採用脈衝重複頻率很高（高達幾百千赫茲）的脈衝多普勒體制。使其雷達能在大空域內對付高速機動目標和雜波干擾的能力。（4）採取措施努力降低系統射頻損耗，如微波傳輸用低損耗波導，天饋系統採用獨特的收發隔離技術等。美國專家估計，其天饋系統總的微波損耗約為5dB。這個5dB的概念是指天饋系統要消耗總的微波功率的三分之二，只有三分之一的功率傳播至空間，成為有效功率。但愛國者雷達天饋系統的損耗可高達7-12dB。理論計算表明，微波損耗每降低1dB，,就可使雷達作用距離增加6%。
俄羅斯這些出奇制勝的招數，大大降低由於沒有高端芯片帶來的缺陷。俄武器設備雖傻大粗，並不妨礙他的S-300以及後來的S-400、S-500等成為世界一流的防空導彈系統。這也使普京總統説話有了底氣。如去年9月14日，沙特的煉油廠遭受也門武裝的無人機和巡航導彈襲擊，部署在附近的多套愛國者PAC-2和-3系統居然連目標都沒有發現。於是普京親自出來説話，還是買我的S—400吧，可保你平安無事！國際上一些專家也公認，普京所説並非假話。
四、俄羅斯武器暢銷全世界的秘訣：實用，可靠，低成本，高效能，易於維修。
美國一位軍工專家甘斯勒教授在《21世紀國防工業軍備競技場》一書中説過：“俄羅斯先進武器具有低成本，高效能的突出優點。它在使用中特別易於維護和維修，可靠性高。具有傑出的標準化水平，這已根深蒂固植根於俄羅斯文化中，並延續到21世紀的武器發展中” 。有的文獻還大談俄羅斯武器的魅力，歸納起來是：實用，可靠，低成本，高效能，易於維修。
俄羅斯科技人員富於鑽研精神。為了揚長補短，他們在模擬電路設計方面往往有一些巧妙構思。下面舉個典型例子。
俄羅斯雷達要實現脈衝多普勒，又沒有高端芯片，他們就創新地用較簡單的模擬電路－中頻積分器來實現中頻相參積累（理論上等效FFT）。這種中頻積分器實際上是一個外激晶體振盪器，它平時不振盪，而自身諧振頻率則調諧在中頻頻率；只要輸入中頻信號，它就會被激勵而振盪。如果外加的是中頻脈衝，在脈衝持續期間，晶振工作並作增幅振盪。而在中頻脈衝間歇期間，晶振停止工作，但由於它的Q值非常高，輸出能維持在等幅振盪值不變。待下一個脈衝到來時，振盪幅度再進一步增大。然後又維持在更高的等幅振盪值。如此晶振輸出隨着脈衝不斷到來而不斷上升，這就實現了中頻脈衝積累（圖1）。這種中頻積分器的主要性能指標（速度、精度等）可與數字積累比美。
據報道，即使是俄羅斯的S-400、S-500仍保留不少分立元件構成的模擬電路和模塊。他們強調“繼承中漸進創新發展”道路。原型號的一些非關鍵部件，只要穩定可靠，就不要輕易更新換代。當然對關鍵部分，他們還是不惜花大力氣，不斷改進和更新。
對於模擬電路技術，我總認為國內尤其高校老師們有一些誤解；一是模擬電路已經落後，所以有的高校已經取消這門基礎課。二是模擬電路可靠性一定比數字電路差。實際上我認為，模擬電路作為一種基礎技術，在相當長一段時間內不會“窮途末路”。現在國內畢業大學生到單位工作後常常遇到大量模擬電路問題，而這些畢業生解決實際問題的能力太差，更不用説有所創新，有所發明了。
五、發展高端芯片產業（以FPGA和DSP為例）的難點在哪裏？
先從FPGA説起。美國著名的FPGA廠商有Xilinx（中文名賽靈思公司,產品稱Virtex系列）、Altera（產品稱Stratix系列）、Actel（產品稱PROAsic系列）三大家，壟斷世界90%以上市場。前二者都在中國設立銷售機構，供貨充足，服務周全，連開發工具都為你準備好。每推出一個新型號還免費為你培訓，大大方便你的設計工作。
目前FPGA技術還在不斷髮展。據Xilinx公司稱，最新上市的kintex，採用16nm芯片；廠家還可根據你的需求在一片芯片上集成上萬個邏輯陣列塊，上千個18×18位乘法，收發頻率高達幾十個GHz。甚至可以幫你做出很多“創新”。當然這些公司賺得盆滿缽滿。而廣大的設計人員是芯片的用户，他們當然是“拿來主義”；甚至還認為是“雙贏”。
FPGA芯片既然在雷達等應用中舉足輕重，必然存在安全隱患，何況美國商務部早已對它點過名。保不準哪天出現“芯片危機”，此言並非聳人聽聞。那麼為何不早早實現國產化。據業內人士説，其中有不少實際困難。首先是國際市場完全被Xilinx、Altera等二三家公司所壟斷。因此它的專利技術壁壘很高。目前為止，這些公司已有9000多項專利，構建了一道堅實的知識產權堡壘，大大地堵死了其他公司追趕和謀求共享之路。例如當年英特爾也曾想擠入這一領域，它耗資了167億美元收購阿爾特拉，但最後發現僅僅是獲得進入FPGA領域的入場券。尤其是Xilinx，它從上世紀80年代開始，花費了30多年的時間積累FPGA技術和經驗，才能在該領域留下豐厚的技術和知識底藴。並把其他公司遠遠拋在後面。
第二 ，儘管FPGA在軍事領域中應用前景廣闊，但民用市場卻很有限。一般民用產品很少需要這樣大量而又高速的運算。因此它總的市場偏小：據資料全球半導體的市場總額為4000億美元/年，而FPGA還不到100億美金/年。而且用户購買如此方便，使企業家們和國家有關部門覺得不值得投巨資去開闢新市場。改革開放前我國在軍工界有一理論，叫“造船不如買船，買船不如租船”。現在某些人對待FPGA等高端芯片的態度有點像這種“租船論”的翻版！
再説DSP情況。它和FPGA情況很類似，當前國際上DSP芯片產業幾乎被美國幾家公司所壟斷。所不同的，是這些公司大都是美國的大公司。如德州儀器公司（TI），它佔據世界市場45%。它的TMS320C系列芯片暢銷各國。其次是AT&T公司，佔據世界市場的29%。再其次是AD公司，佔據世界市場11%，雖是第三位，但在中國影響很大。它ADSP系列和Tiger SHARC系列（在中國綽號叫“沙虎”），由於設計上一些優點，加以較高的性能價格比，深受用户歡迎。
另一不同於FPGA的情況是，DSP芯片有較大的民用市場，要比FPGA芯片廣闊得多。據2016年國外行業報告稱，當年DSP芯片56%應用於通訊領域，計算機佔21%，軍事上只佔5%。不過通訊領域的56%中，很大一塊是作軍用的。
結語
1、鑑於國外對DSP和FPGA等高端芯片產業的壟斷，從國防安全角度考慮，應刻不容緩發展自己的FPGA、DSP等高端芯片產業。這些武器裝備需要的關鍵部件，不能像民用產品那像完全從市場效益出發考慮問題。最重要的是安全意識。
2、有些基礎技術，例如模擬電路技術的教育不能取消，甚至還要加強。上世紀我們電真空下馬的教訓應該記取。基礎科技是不能臨時抱佛腳的。