航空微电子技术及产业分析

航空微电子技术和产品是航空电子系统的核心和基础，从微电子技术的发展出发，提出了SoC/MCM(SIP)技术是航空电子系统发展迫切需要的核心技术之一。在此基础上给出了航空电子系统中所用关键集成电路与元器件的四大类别，针对品种多、用量少、环境可靠性要求高等应用背景，对于将商用货架（COST）芯片应用于军事需求，以降低装备成本的观点，进行了分析。论述了国外机载设备厂商为了维持机载设备的领先地位，建立了自己的设计、生产、封装和测试产业链，开展了“芯片可信任”计划工作。针对国内薄弱的产业环境，对于可能的技术及产业问题进行了分析。

图 大型飞机航电系统的典型组成架构

一、航空微电子及关键技术

以集成电路为核心的微电子技术，在军事通信、军事指挥、军事侦察、电子干扰和反干扰、无人机、军用飞机、导弹，雷达、自动化武器系统等方面得到广泛应用，覆盖了军事信息领域的方方面面。因此，现代信息化战争又被称为“芯片之战”。出于国防装备的需要，世界军事强国不仅重视通用微电子技术发展，也十分重视专用微电子技术的发展。这是因为专用微电子产品不仅在国防装备中应用广泛，而且对国防装备的作战效能起着关键作用。美国提出，在其防务的技术优势中，集成电路是最重要的因素。20 世纪80 年代美国就将集成电路列为战略性产业。决定航空电子系统成本和技术的关键和核心，是以航空关键集成电路和元器件为核心的航空微电子技术和产品。

当前微电子科学技术一个重要的发展方向，就是由集成电路（IC）向集成系统（IS）转变，并由此产生了微系统。微系统有两重含义：一是将电子信息系统集成到硅芯片上，即信息系统的芯片集成——片上系统或System on-a-Chip（SoC）。另一含义就是微电子机械系统（MEMS）和微光机电系统。

SoC 将一个基于PCB 上实现的系统功能尽可能的转化为基于功能、性能高度集成的基于硅的系统级芯片实现。因此，SoC 尽可能多的集成系统的功能，可以减小系统体积重量，提高系统的性能，提高系统的可靠性，并能降低系统的制造成本。

MCM（Multi-Chip Module）是利用先进的微组装技术将多个（2 个或以上）集成电路管芯及其它微型元器件组装在单一封装外壳内，形成具有一定部件或系统功能的高密度微电子组件。基于MCM 基础上发展起来的系统级封装SIP（System in Package），是将整个应用系统中所有的电路管芯和其他微型元器件组装在单一封装外壳内的技术。MCM/SIP 技术的开发应用将是突破传统封装固有瓶颈的一种有效途径，实现信息技术的发展对集成电路的封装密度、处理速度、体积、重量及可靠性等方面提出新的应用要求。

上世纪90 年代，美国NASA 为实现宇宙飞船小型和微型化提出先进飞行计算机计划（AFC），将MCM 作为在微电子领域保持领先地位的重要技术加以发展，并确定其为2010 年前重点发展的十大军民两用高新技术之一。日本一直以来都是MCM 技术的推崇者，他们建立的MCM 技术协会进一步促进多芯片组件的发展与应用。

虽然SoC 可以集成多种功能IP，但多工艺混合的IP 难以采用SoC 在单一硅片上实现, 因此虽然SoC 发展迅速，但并不能取代MCM/SIP 技术，一定程度上来讲，MCM/SIP 技术是对SoC实现小型化的重要补充。因此SoC/MCM（SIP）技术固有的技术优点，是航空电子系统低功耗、高性能、高可靠、超小型化的发展的永恒追求，也是航空电子系统发展迫切需要的核心技术之一。

二、航空微电子产业的国内外现状

航空电子系统所用关键集成电路与元器件的基本上可以分为四大类别：通用高端芯片、航空专用集成电路、机载任务子系统专用处理芯片、航空核心元器件。

1、通用高端芯片

主要是指处理类、存储类、电源类、A/D、D/A、OP 等类别的集成电路。高端通用芯片决定航空电子系统的整体性能，是航空系统中不可缺少的一类重要器件。

由于武器装备发展的需求超前于我国集成电路的研制和国产化，各项主战装备进入设计定型时，国内出现无“芯”可用的状况，导致定型装备的高端通用芯片基本依赖于进口，在重点型号中几款用量大的CPU芯片大都要依靠进口，只有少数是国产化的CPU芯片，而且性能都比较低。

2、航空专用集成电路

主要包是指总线网络及相关标准协议，以及使用MCM、SIP 设计的模块。航空专用集成电路一般分为两种：

第一种是满足航空标准、协议和规范的专用路，如支持ARINC429 协议、1553B 协议、光纤通道FC-AE 协议等的电路，它决定了航空电子系统的体系结构。这类芯片主要是总线协议处理类芯片，是航空电子系统的“中枢神经”，遍布飞机的各个部件和角落。

第二种是满足飞机应用环境要求的专用集成电路。这类芯片是面向航空电子系统的应用需求特点开发的芯片。欧美新一代飞机研制中，广泛使用了SoC/MCM(SIP)技术手段，实现低功耗、高性能、高可靠性、超小型化的最终目标。为了达到F-22 等新一代飞机综合核心处理机（ICP）对“性能/体积”方面的要求，美国“宝石台”计划中定义了多达12 种MCM。

3、机载任务子系统专用处理电路

主要包括弹载计算机小型化核心芯片、头显定位处理系统芯片、头/平显畸变校正芯片、机载专用远程激光测距芯片以及机载防撞系统综合信号处理芯片等。机载任务子系统专用处理电路是决定航电任务子系统或设备某些特定性能的专用集成电路，如弹载计算机、头显定位处理系统芯片、头/平显畸变校正芯片、机载专用远程激光测距芯片和机载防撞系统综合信号处理芯片。目前国内该类任务子系统多采用专用电路板卡实现，缺点主要在于体积大、功耗高、集成度低、数据处理时间长等。

4、航空核心元器件

包括航空专用传感器、制导与导航器件、连接器、断路器、T/R 组件等，这是在航电系统或设备中有重要作用的元器件，如光电探测器、光电收发器、航空连接器、航空专用压力传感器敏感元件及处理芯片、GNC 电路、相控阵雷达中的超薄三维集成射频模块等。

三、航空微电子国内外产业发展

以航空关键集成电路和元器件为核心的航空微电子技术和产品，具有以下特点：品种多、用量少、环境可靠性要求高；研发、验证及全机寿命维护周期长；对体积、功耗、寿命、性能要求高；投资巨大，技术风险大。

上述特点与微电子产业要求的批量经济规律相违背，为了降低装备成本，国外率先开始了通用商用芯片（COTS）应用于军事工业的研究。根据美国国防部“保持信息优越性”的战略要求，国防科学部需要提供可信任的、长期的、及时供应的集成电路以及持续提高芯片处理能力和获取军事价值信息的新方法。美国国防部针对商用芯片如何应用于军事需求，也非常慎重。美国国防科学委员会和美国国会认为芯片的离岸制造是一种安全隐患。在目前高度全球化的集成电路产业供应链中，产品定义和代码属于可信范围，IP、库、EDA 工具属于半可信，加工制造属于不可信。美国国防预研局（DARPA）于2006 年启动了芯片可信任（Trust in IC）计划，意图找到一种对芯片的评估和测试方法以确认芯片的安全性和可信性，内容涉及包括IC 的设计、制造和封装。

如现代IC 供应链结构图所示：

为支撑航空工业发展需求，基于对航空专用微电子产业的认识，为保持在航空工业技术及相关产品的绝对优势，欧美发达国家各主要飞机制造公司都有自己微电子技术研发力量和产业链，一般包括设计、生产、封装和测试等各个环节。表一表列举了几个关键航空设备制造公司的微电子产业布局情况：

国内集成电路相关基础产业环境薄弱，航空微电子技术和产业远远滞后于系统的应用需求，航空电子系统大量使用商业器件且高端芯片大都依靠进口。但事实上商用集成电路和元器件无法完全满足军事及航空应用的需求，且存在重大技术、安全隐患：

★不能满足持久、可控的自主保障能力

战争情况下能否依赖别人？库存能够支持多久的战争？

能否具备航空武器全寿命周期保障性？

★恶劣环境、各种“极端”条件下，不能满足系统功能完整性、确定性

必须考虑恶劣环境、各种极端条件系统环境适应性和瞬态可靠性；

恶劣环境、特殊需求的关键物理指标的满足。

★不能满足未来信息化装备在恶劣应用环境下对高性能、高可靠等需求

嵌入式高性能计算机可以达到100GFlops 量级，网络带宽需求可以达到100Gb/S，存储容量100GByte，即3 个100G 的需求，2020 年可能达到3 个1000G；

军事需求对于实时性、可靠性等都有严格的要求，商用器件难以满足。

★系统应用支撑能力

航空电子系统是复杂软硬一体、高安全性的实时系统，对于开发环境及各种EDA 工具、开发过程、验证过程手段和方法学都提出高安全性的要求。

★商用产品可能存在安全隐患？

总结

在竞争激烈的21 世纪，面向新一代飞机研制，国内以中航计算所为代表的相关单位，基于目前新一代飞机航空专用集成电路需求牵引， 以机载总线网络接口芯片（ 高速1553B/FC/AFDX/ARINC659/Mil-1394）、机弹载计算机小型化和航空多媒体研制为核心，以先进的SoC/SIP(MCM)/ASIC(IP) /FPGA(SOPC)为技术手段，采取以设计为核心的Fabless/Chipless 发展模式，开展航空专用集成电路技术和产品的研制工作，已经具备一定的研制能力，但仍然没有建立完整的航空专用集成电路的技术和产品谱系，尚有很多关键技术有待突破，加之国内相关产业基础薄弱，航空专用集成电路的研发还处于艰难的初级阶段。

“一代器件，一代整机，一代装备”形象地说明了集成电路的重要性。

没有先进、可靠的航空专用器件与集成电路就谈不上有先进、可靠的航空武器装备。大力发展航空微电子技术和产业，借鉴国外发展的先进发展经验，尽快建立我国大航空、强航空配套的一个自主创新、能力不断提高、产业规模不断扩大的技术和产业体系，不仅是突破国外产品和技术封锁的需要，更是实现航空电子系统自主设计、核心技术自主保障、取得航空产业技术和商业成功的发展需要。这对于保障航空武器装备国防实力，推动社会进步，具有极其重要的战略意义和现实意义。

希望通过抛砖引玉，有效推动我国航空微电子技术快速发展，全面提升航空电子的核心竞争力。