宇航型號(hào)元器件國(guó)產(chǎn)化自主可控的管理模式研究

賀晙華、吳強(qiáng)、賈靜、楊蘭喬、趙乙螢 /北京航天自動(dòng)控制研究所

加快航天事業(yè)發(fā)展是我國(guó)現(xiàn)階段的重要戰(zhàn)略，元器件、基礎(chǔ)部組件及原材料等基礎(chǔ)物資是航天事業(yè)發(fā)展的前提保證。尤其是“后疫情時(shí)代”的國(guó)際環(huán)境、中美貿(mào)易競(jìng)爭(zhēng)及西方國(guó)家大規(guī)模集成電路出口限制的共同作用下，元器件自主可控能力便成為高速發(fā)展過(guò)程中至關(guān)重要的工作之一。但我國(guó)電子工業(yè)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，宇航型號(hào)核心元器件和大規(guī)模通用芯片長(zhǎng)期依靠進(jìn)口，宇航型號(hào)關(guān)鍵及重要元器件（后簡(jiǎn)稱(chēng)關(guān)重件）的自主保障形勢(shì)已極為嚴(yán)峻。以“長(zhǎng)征”七號(hào)運(yùn)載火箭為例，控制系統(tǒng)關(guān)鍵單機(jī)產(chǎn)品使用的關(guān)重件，不論是數(shù)量還是種類(lèi)上，均未能實(shí)現(xiàn)100%國(guó)產(chǎn)化，導(dǎo)致關(guān)重元器件技術(shù)指標(biāo)及產(chǎn)品供應(yīng)受制于人；與此同時(shí)，目前使用的主流進(jìn)口元器件中，已識(shí)別出存在I、II 類(lèi)禁運(yùn)、停產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的元器件達(dá)上百種，嚴(yán)重影響了宇航型號(hào)批產(chǎn)和高密度發(fā)射任務(wù)。因此，實(shí)施關(guān)重元器件國(guó)產(chǎn)化，謀求自主可控，擺脫受制于人的局面已勢(shì)在必行。

一、關(guān)重元器件自主可控總體思路

元器件的自主可控包括“可控”和“自主”2個(gè)層面——“可控”是指元器件供應(yīng)過(guò)程中，即使存在不利的外在因素，依然能夠充足穩(wěn)定供應(yīng)的能力；“自主”是指元器件供應(yīng)不存在受制于人的情況，能夠獨(dú)立自主的提供所需元器件。元器件的自主可控與元器件的國(guó)產(chǎn)化也存在一定區(qū)別，后者僅是自主可控的一個(gè)層面。元器件自主可控實(shí)際上是系統(tǒng)性工程，除了要求掌握元器件生產(chǎn)的核心技術(shù)，還要求元器件生產(chǎn)單位擁有配套設(shè)備研制生產(chǎn)能力。

可控航天元器件：元器件研制不是完全獨(dú)立自主的，存在一定的制約，但此種限制是在可承受范圍內(nèi)存在的；尚未擺脫對(duì)國(guó)外技術(shù)、工藝的依賴(lài)性，未完全實(shí)現(xiàn)自主可控。從風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別角度而言，應(yīng)判斷國(guó)產(chǎn)元器件與進(jìn)口器件的風(fēng)險(xiǎn)程度等級(jí)，綜合考慮依賴(lài)性產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)并積極考慮降低風(fēng)險(xiǎn)的措施。

自主航天元器件：元器件研制的各個(gè)生產(chǎn)全周期可獨(dú)立自主進(jìn)行，相關(guān)環(huán)節(jié)運(yùn)用到的所有材料、技術(shù)、設(shè)備等配套產(chǎn)品均為自主所有。用戶(hù)可獲得安全、充足的元器件供應(yīng)保障。航天元器件自主主要側(cè)重于元器件產(chǎn)品研制的自主性，解決元器件研制全過(guò)程的受制要素，是解決元器件產(chǎn)品受制于人的根本。

宇航型號(hào)元器件發(fā)展必須要經(jīng)歷從依賴(lài)進(jìn)口到先可控后自主的轉(zhuǎn)變，逐步、分階段的完成元器件產(chǎn)品全自主化，即在保障可控的基礎(chǔ)上，謀求長(zhǎng)遠(yuǎn)的利益，逐步實(shí)現(xiàn)自主的目標(biāo)。

二、基于自主可控的元器件管理模式

1.建立健全元器件優(yōu)選目錄

宇航型號(hào)元器件優(yōu)選目錄機(jī)制可以規(guī)范元器件種類(lèi)，便于設(shè)計(jì)人員在工程實(shí)際中對(duì)成熟度等級(jí)高的元器件進(jìn)行選用，節(jié)約設(shè)計(jì)成本和應(yīng)用驗(yàn)證資源。宇航型號(hào)元器件優(yōu)選目錄應(yīng)分層級(jí)設(shè)置，形成任務(wù)大總體層級(jí)、集團(tuán)公司層級(jí)、研究院層級(jí)的分層級(jí)元器件優(yōu)選目錄，根據(jù)元器件自身成熟度等級(jí)，逐層級(jí)分類(lèi)別精簡(jiǎn)。對(duì)于自主可控能力強(qiáng)的元器件，可優(yōu)先編入優(yōu)選目錄清單。

根據(jù)總體任務(wù)應(yīng)用差異，設(shè)置相應(yīng)的元器件參數(shù)指標(biāo)，如耐高溫、抗輻射及質(zhì)量等級(jí)等要求都有較大差異。上述差異在飛行產(chǎn)品與地面支持系統(tǒng)產(chǎn)品的需求上尤為明顯。此外，關(guān)鍵重要單機(jī)與一般單機(jī)對(duì)元器件的需求也存在著很大的差異。需要根據(jù)工程實(shí)際，制訂相應(yīng)使用場(chǎng)景的元器件優(yōu)選目錄。

優(yōu)選目錄應(yīng)該根據(jù)器件性能的發(fā)展不斷迭代，棄舊納新，持續(xù)完善。但在棄除、新增優(yōu)選目錄元器件時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格履行相應(yīng)的審批流程，詳細(xì)管理元器件優(yōu)選目錄各類(lèi)型元器件的性能指標(biāo)、質(zhì)量等級(jí)、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及封裝形式等屬性，嚴(yán)格控制元器件選用目錄元器件的技術(shù)狀態(tài)及特征。

2.“一用多研”研發(fā)管理模式

“一用多研”研發(fā)管理模式是指針對(duì)總體單位提出的元器件需求由多個(gè)元器件研制單位共同承接，需求提出方對(duì)元器件研發(fā)項(xiàng)目提出總體要求，多家承研單位獨(dú)立研發(fā)，通過(guò)增加競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境提高元器件自主可控研發(fā)成功率。

采用“一用多研”管理模式能夠解決當(dāng)前“一用一研”定制式研發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的元器件承研單位供貨能力不足和供貨價(jià)格不斷增高的現(xiàn)狀，提升元器件自主可控研發(fā)能力。“一用多研” 管理模式的核心是形成元器件研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，通過(guò)多家元器件研制單位的競(jìng)爭(zhēng)解決“一用一研”定制模式存在的問(wèn)題，建立研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境有助于激發(fā)元器件承研單位的創(chuàng)新力、提升供貨能力并穩(wěn)定供貨價(jià)格。堅(jiān)持“一用多研”的管理理念還應(yīng)當(dāng)實(shí)行供貨盈利管理，元器件研發(fā)階段承研單位應(yīng)自行投入研發(fā)經(jīng)費(fèi)，改變過(guò)去“一用一研”定制模式中用戶(hù)單位的研發(fā)經(jīng)費(fèi)全部投入某一家承研單位的管理思路。管理模式的轉(zhuǎn)變使得元器件承研單位只有在項(xiàng)目研發(fā)成功后通過(guò)穩(wěn)定持續(xù)的供貨方式逐漸收回研發(fā)成本并實(shí)現(xiàn)盈利，在此競(jìng)爭(zhēng)模式下承研單位的主要精力會(huì)集中在研發(fā)能力建設(shè)和供貨能力提升方向。“一用多研”解決了“一用一研”管理模式中存在的問(wèn)題，適應(yīng)宇航領(lǐng)域當(dāng)前高密度發(fā)射形勢(shì)下元器件自主可控管理需求。

3.持續(xù)推進(jìn)“迭代更新”的元器件選用管理模式

元器件“迭代更新”選用管理模式是在面臨新型號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)，直接選用“迭代更新”后的元器件完成設(shè)計(jì)工作，改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中直接沿用成熟設(shè)計(jì)的元器件選用方式，可以激發(fā)新型號(hào)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，進(jìn)一步推動(dòng)型號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和元器件應(yīng)用的協(xié)調(diào)發(fā)展。

元器件“迭代更新”選用管理的核心思想是新型號(hào)在方案或初樣設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)新型元器件創(chuàng)新應(yīng)用，通過(guò)鼓勵(lì)新型號(hào)選用，保持型號(hào)設(shè)計(jì)及元器件應(yīng)用技術(shù)的同步發(fā)展。新型號(hào)任務(wù)成功后，對(duì)新型元器件進(jìn)行成熟度分析，并對(duì)元器件優(yōu)選目錄進(jìn)行增補(bǔ)剔除工作，把新選用的具有一定成熟度的高性能元器件納入元器件優(yōu)選目錄管理，推動(dòng)元器件“迭代更新”，棄舊納新，在保持成熟穩(wěn)定的情況下實(shí)現(xiàn)元器件設(shè)計(jì)應(yīng)用革新。

4.完善元器件應(yīng)用驗(yàn)證管理

為了提高自主可控元器件應(yīng)用驗(yàn)證覆蓋的全面性，承研單位應(yīng)當(dāng)對(duì)元器件研發(fā)全流程進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)自主可控元器件，尤其是大規(guī)模集成電路的應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)主要分為板級(jí)驗(yàn)證技術(shù)、半實(shí)物仿真驗(yàn)證的系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用驗(yàn)證及原型樣機(jī)級(jí)的應(yīng)用驗(yàn)證。

（1）板級(jí)應(yīng)用驗(yàn)證

使用自主可控元器件形成單板級(jí)樣件進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)硬件與軟件相配合，在單板正常工作的條件下，驗(yàn)證單板級(jí)樣件對(duì)外部各種環(huán)境情況、電信號(hào)激勵(lì)、物理接口、數(shù)據(jù)總線等，對(duì)單板級(jí)所有功能模塊進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試。

（2）元器件半實(shí)物仿真驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境中元器件的環(huán)境力學(xué)特性、電特性，搭建半實(shí)物仿真平臺(tái)，通過(guò)Pspice、Labview 等仿真軟件搭建半實(shí)物仿真環(huán)境，以模擬使用環(huán)境或物理極限，驗(yàn)證元器件在相應(yīng)條件下的功能指標(biāo)參數(shù)，提升元器件應(yīng)用驗(yàn)證的覆蓋性。

元器件半實(shí)物仿真平臺(tái)是指采用包含硬件特性庫(kù)的仿真軟件，配合以被測(cè)元器件為核心的最小電路系統(tǒng)，考慮元器件特性并參考系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，開(kāi)展半實(shí)物仿真系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。仿真設(shè)備以信號(hào)發(fā)生器為信號(hào)源，通過(guò)傳感器獲取元器件在仿真系統(tǒng)中的運(yùn)行結(jié)果，再利用試驗(yàn)控制臺(tái)相關(guān)接口與仿真設(shè)備互聯(lián)，監(jiān)控仿真全流程，并使用試驗(yàn)控制臺(tái)嵌入的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)送結(jié)果至支持系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)存、顯示。

圖1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)組成和連接關(guān)系

在半實(shí)物仿真平臺(tái)上預(yù)留被測(cè)元器件的對(duì)外功能接口，可以根據(jù)不同的使用工況，由仿真設(shè)備提供相應(yīng)的模擬信號(hào)，以涵蓋被測(cè)元器件實(shí)際應(yīng)用中的情況，進(jìn)一步提高應(yīng)用驗(yàn)證覆蓋性和可靠性。

（3）依托宇航型號(hào)進(jìn)行單機(jī)級(jí)的應(yīng)用驗(yàn)證

以型號(hào)為依托，以自主可控元器件為核心，形成實(shí)際工程應(yīng)用的原理樣機(jī)，通過(guò)系統(tǒng)級(jí)綜合試驗(yàn)、匹配試驗(yàn)及電磁兼容試驗(yàn)考察元器件在系統(tǒng)環(huán)境中的使用情況，進(jìn)一步驗(yàn)證元器件的功能和性能。

三、自主可控元器件的質(zhì)量管理

1.制定頂層規(guī)章制度

制定元器件質(zhì)量管理的頂層規(guī)章，完善全流程質(zhì)量控制細(xì)則。通過(guò)頂層設(shè)計(jì)，強(qiáng)化元器件全生命周期的質(zhì)量管理，使元器件立項(xiàng)、研制、生產(chǎn)、鑒定、應(yīng)用驗(yàn)證及處置環(huán)節(jié)透明可視，進(jìn)一步保障自主可控元器件質(zhì)量管理有規(guī)可依、有據(jù)可循。

2.強(qiáng)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于不可原位替代的自主可控元器件，研制單位應(yīng)結(jié)合整機(jī)單位及系統(tǒng)需求，提高設(shè)計(jì)的向下兼容能力，設(shè)計(jì)及研制過(guò)程中充分利用熱仿真、力學(xué)仿真、EMC 仿真等手段，確保優(yōu)化封裝后的自主可控元器件能夠滿足整機(jī)的應(yīng)用要求及可靠性要求。

3.開(kāi)展可靠性提升試驗(yàn)和補(bǔ)充驗(yàn)證

為避免設(shè)計(jì)缺陷因試驗(yàn)樣本量少而出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)偏差，可針對(duì)大規(guī)模集成電路、IGBT 大功率器件及BGA 封裝等關(guān)重器件開(kāi)展可靠性提升試驗(yàn)，增加實(shí)驗(yàn)樣本量，減少統(tǒng)計(jì)誤差，確定被測(cè)元器件特性邊界。

對(duì)已用于工程實(shí)際的元器件，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工況及使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)、舉一反三等工作，重點(diǎn)驗(yàn)證匹配性或單點(diǎn)、不可測(cè)不可檢特性，進(jìn)一步提升元器件使用可靠性。

4.加強(qiáng)承研單位的過(guò)程質(zhì)量控制

需求提出單位應(yīng)在研制初期，將元器件總體質(zhì)量要求及技術(shù)條件傳遞至元器件承研單位，并在元器件研制全流程中，設(shè)置強(qiáng)制檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，對(duì)承研單位方案設(shè)計(jì)、原理驗(yàn)證、流片等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)制驗(yàn)收工序，檢驗(yàn)關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)的性能及質(zhì)量一致性，強(qiáng)化特殊工藝、關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，確保元器件批次內(nèi)、批次間的一致性。

5.加強(qiáng)需求、研制雙方溝通

為解決元器件的單機(jī)選用率低的問(wèn)題，避免“研而不用”的尷尬情況，元器件承研方應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)與需求方的溝通，充分交流元器件性能、材料、工藝、封裝及環(huán)境適應(yīng)性等指標(biāo)。需求提出方應(yīng)結(jié)合以往工程實(shí)際中選用的進(jìn)口器件的實(shí)際使用情況，協(xié)助承研單位進(jìn)行自主可控工作，在試用后及時(shí)反饋意見(jiàn)，形成閉環(huán)研制，促進(jìn)自主可控元器件的迭代更新。承研單位在進(jìn)行自主可控元器件方案設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)征求需求方的實(shí)際使用要求，充分了解需求方的性能指標(biāo)、接口特性、力學(xué)熱學(xué)環(huán)境特性等，確保新研元器件滿足需求方使用要求。

整機(jī)單位也應(yīng)優(yōu)化單機(jī)設(shè)計(jì)流程，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)級(jí)使用環(huán)境，彌補(bǔ)部分自主可控元器件性能不足的問(wèn)題，保證系統(tǒng)級(jí)使用不因個(gè)別元器件指標(biāo)降低而存在風(fēng)險(xiǎn)。此外，整機(jī)單位及總體單位可加強(qiáng)微系統(tǒng)集成技術(shù)研究（如特定算法專(zhuān)用處理芯片、推廣IP 核使用），彌補(bǔ)自主可控帶來(lái)的重量、功耗等使用層面的問(wèn)題，進(jìn)而減少對(duì)FPGA、PowerPC、DSP 等大規(guī)模、高端進(jìn)口芯片的依賴(lài)。

隨著我國(guó)航天高密度發(fā)射和國(guó)際環(huán)境的變化，元器件自主可控勢(shì)在必行，避免受制于人的局面。同時(shí)應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)自主可控元器件的工程使用，形成自主創(chuàng)新、優(yōu)選應(yīng)用、迭代更新的良性循環(huán)，促進(jìn)自主可控元器件產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。