宇航型號元器件國產化自主可控的管理模式研究

賀晙華、吳強、賈靜、楊蘭喬、趙乙螢 /北京航天自動控制研究所

加快航天事業發展是我國現階段的重要戰略，元器件、基礎部組件及原材料等基礎物資是航天事業發展的前提保證。尤其是“后疫情時代”的國際環境、中美貿易競爭及西方國家大規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展過程中至關重要的工作之一。但我國電子工業基礎相對薄弱，宇航型號核心元器件和大規模通用芯片長期依靠進口，宇航型號關鍵及重要元器件（后簡稱關重件）的自主保障形勢已極為嚴峻。以“長征”七號運載火箭為例，控制系統關鍵單機產品使用的關重件，不論是數量還是種類上，均未能實現100%國產化，導致關重元器件技術指標及產品供應受制于人；與此同時，目前使用的主流進口元器件中，已識別出存在I、II 類禁運、停產風險的元器件達上百種，嚴重影響了宇航型號批產和高密度發射任務。因此，實施關重元器件國產化，謀求自主可控，擺脫受制于人的局面已勢在必行。

一、關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個層面——“可控”是指元器件供應過程中，即使存在不利的外在因素，依然能夠充足穩定供應的能力；“自主”是指元器件供應不存在受制于人的情況，能夠獨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產化也存在一定區別，后者僅是自主可控的一個層面。元器件自主可控實際上是系統性工程，除了要求掌握元器件生產的核心技術，還要求元器件生產單位擁有配套設備研制生產能力。

可控航天元器件：元器件研制不是完全獨立自主的，存在一定的制約，但此種限制是在可承受范圍內存在的；尚未擺脫對國外技術、工藝的依賴性，未完全實現自主可控。從風險識別角度而言，應判斷國產元器件與進口器件的風險程度等級，綜合考慮依賴性產生的風險并積極考慮降低風險的措施。

自主航天元器件：元器件研制的各個生產全周期可獨立自主進行，相關環節運用到的所有材料、技術、設備等配套產品均為自主所有。用戶可獲得安全、充足的元器件供應保障。航天元器件自主主要側重于元器件產品研制的自主性，解決元器件研制全過程的受制要素，是解決元器件產品受制于人的根本。

宇航型號元器件發展必須要經歷從依賴進口到先可控后自主的轉變，逐步、分階段的完成元器件產品全自主化，即在保障可控的基礎上，謀求長遠的利益，逐步實現自主的目標。

二、基于自主可控的元器件管理模式

1.建立健全元器件優選目錄

宇航型號元器件優選目錄機制可以規范元器件種類，便于設計人員在工程實際中對成熟度等級高的元器件進行選用，節約設計成本和應用驗證資源。宇航型號元器件優選目錄應分層級設置，形成任務大總體層級、集團公司層級、研究院層級的分層級元器件優選目錄，根據元器件自身成熟度等級，逐層級分類別精簡。對于自主可控能力強的元器件，可優先編入優選目錄清單。

根據總體任務應用差異，設置相應的元器件參數指標，如耐高溫、抗輻射及質量等級等要求都有較大差異。上述差異在飛行產品與地面支持系統產品的需求上尤為明顯。此外，關鍵重要單機與一般單機對元器件的需求也存在著很大的差異。需要根據工程實際，制訂相應使用場景的元器件優選目錄。

優選目錄應該根據器件性能的發展不斷迭代，棄舊納新，持續完善。但在棄除、新增優選目錄元器件時，應嚴格履行相應的審批流程，詳細管理元器件優選目錄各類型元器件的性能指標、質量等級、執行標準及封裝形式等屬性，嚴格控制元器件選用目錄元器件的技術狀態及特征。

2.“一用多研”研發管理模式

“一用多研”研發管理模式是指針對總體單位提出的元器件需求由多個元器件研制單位共同承接，需求提出方對元器件研發項目提出總體要求，多家承研單位獨立研發，通過增加競爭環境提高元器件自主可控研發成功率。

采用“一用多研”管理模式能夠解決當前“一用一研”定制式研發過程中出現的元器件承研單位供貨能力不足和供貨價格不斷增高的現狀，提升元器件自主可控研發能力。“一用多研” 管理模式的核心是形成元器件研發競爭環境，通過多家元器件研制單位的競爭解決“一用一研”定制模式存在的問題，建立研發競爭環境有助于激發元器件承研單位的創新力、提升供貨能力并穩定供貨價格。堅持“一用多研”的管理理念還應當實行供貨盈利管理，元器件研發階段承研單位應自行投入研發經費，改變過去“一用一研”定制模式中用戶單位的研發經費全部投入某一家承研單位的管理思路。管理模式的轉變使得元器件承研單位只有在項目研發成功后通過穩定持續的供貨方式逐漸收回研發成本并實現盈利，在此競爭模式下承研單位的主要精力會集中在研發能力建設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題，適應宇航領域當前高密度發射形勢下元器件自主可控管理需求。

3.持續推進“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設計時，直接選用“迭代更新”后的元器件完成設計工作，改變傳統設計中直接沿用成熟設計的元器件選用方式，可以激發新型號的設計創新，進一步推動型號系統設計和元器件應用的協調發展。

元器件“迭代更新”選用管理的核心思想是新型號在方案或初樣設計過程中，對新型元器件創新應用，通過鼓勵新型號選用，保持型號設計及元器件應用技術的同步發展。新型號任務成功后，對新型元器件進行成熟度分析，并對元器件優選目錄進行增補剔除工作，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選目錄管理，推動元器件“迭代更新”，棄舊納新，在保持成熟穩定的情況下實現元器件設計應用革新。

4.完善元器件應用驗證管理

為了提高自主可控元器件應用驗證覆蓋的全面性，承研單位應當對元器件研發全流程進行驗證。對自主可控元器件，尤其是大規模集成電路的應用驗證技術主要分為板級驗證技術、半實物仿真驗證的系統級應用驗證及原型樣機級的應用驗證。

（1）板級應用驗證

使用自主可控元器件形成單板級樣件進行驗證，通過硬件與軟件相配合，在單板正常工作的條件下，驗證單板級樣件對外部各種環境情況、電信號激勵、物理接口、數據總線等，對單板級所有功能模塊進行應用測試。

（2）元器件半實物仿真驗證

根據實際使用環境中元器件的環境力學特性、電特性，搭建半實物仿真平臺，通過Pspice、Labview 等仿真軟件搭建半實物仿真環境，以模擬使用環境或物理極限，驗證元器件在相應條件下的功能指標參數，提升元器件應用驗證的覆蓋性。

元器件半實物仿真平臺是指采用包含硬件特性庫的仿真軟件，配合以被測元器件為核心的最小電路系統，考慮元器件特性并參考系統數學模型，開展半實物仿真系統（見圖1）。仿真設備以信號發生器為信號源，通過傳感器獲取元器件在仿真系統中的運行結果，再利用試驗控制臺相關接口與仿真設備互聯，監控仿真全流程，并使用試驗控制臺嵌入的軟件進行數據處理，分析試驗結果，發送結果至支持系統進行儲存、顯示。

圖1 半實物仿真系統組成和連接關系

在半實物仿真平臺上預留被測元器件的對外功能接口，可以根據不同的使用工況，由仿真設備提供相應的模擬信號，以涵蓋被測元器件實際應用中的情況，進一步提高應用驗證覆蓋性和可靠性。

（3）依托宇航型號進行單機級的應用驗證

以型號為依托，以自主可控元器件為核心，形成實際工程應用的原理樣機，通過系統級綜合試驗、匹配試驗及電磁兼容試驗考察元器件在系統環境中的使用情況，進一步驗證元器件的功能和性能。

三、自主可控元器件的質量管理

1.制定頂層規章制度

制定元器件質量管理的頂層規章，完善全流程質量控制細則。通過頂層設計，強化元器件全生命周期的質量管理，使元器件立項、研制、生產、鑒定、應用驗證及處置環節透明可視，進一步保障自主可控元器件質量管理有規可依、有據可循。

2.強化設計和試驗驗證

對于不可原位替代的自主可控元器件，研制單位應結合整機單位及系統需求，提高設計的向下兼容能力，設計及研制過程中充分利用熱仿真、力學仿真、EMC 仿真等手段，確保優化封裝后的自主可控元器件能夠滿足整機的應用要求及可靠性要求。

3.開展可靠性提升試驗和補充驗證

為避免設計缺陷因試驗樣本量少而出現統計學偏差，可針對大規模集成電路、IGBT 大功率器件及BGA 封裝等關重器件開展可靠性提升試驗，增加實驗樣本量，減少統計誤差，確定被測元器件特性邊界。

對已用于工程實際的元器件，應結合實際工況及使用過程中出現的問題進行補充試驗、舉一反三等工作，重點驗證匹配性或單點、不可測不可檢特性，進一步提升元器件使用可靠性。

4.加強承研單位的過程質量控制

需求提出單位應在研制初期，將元器件總體質量要求及技術條件傳遞至元器件承研單位，并在元器件研制全流程中，設置強制檢驗環節，對承研單位方案設計、原理驗證、流片等關鍵節點進行強制驗收工序，檢驗關鍵指標參數的性能及質量一致性，強化特殊工藝、關鍵環節的質量控制，確保元器件批次內、批次間的一致性。

5.加強需求、研制雙方溝通

為解決元器件的單機選用率低的問題，避免“研而不用”的尷尬情況，元器件承研方應當加強與需求方的溝通，充分交流元器件性能、材料、工藝、封裝及環境適應性等指標。需求提出方應結合以往工程實際中選用的進口器件的實際使用情況，協助承研單位進行自主可控工作，在試用后及時反饋意見，形成閉環研制，促進自主可控元器件的迭代更新。承研單位在進行自主可控元器件方案設計時也應征求需求方的實際使用要求，充分了解需求方的性能指標、接口特性、力學熱學環境特性等，確保新研元器件滿足需求方使用要求。

整機單位也應優化單機設計流程，通過優化系統級使用環境，彌補部分自主可控元器件性能不足的問題，保證系統級使用不因個別元器件指標降低而存在風險。此外，整機單位及總體單位可加強微系統集成技術研究（如特定算法專用處理芯片、推廣IP 核使用），彌補自主可控帶來的重量、功耗等使用層面的問題，進而減少對FPGA、PowerPC、DSP 等大規模、高端進口芯片的依賴。

隨著我國航天高密度發射和國際環境的變化，元器件自主可控勢在必行，避免受制于人的局面。同時應當鼓勵自主可控元器件的工程使用，形成自主創新、優選應用、迭代更新的良性循環，促進自主可控元器件產業的快速發展。