工程师们在讨论控制计算机调试和系统软件测试

SoC2008抗辐射试验方案讨论

    10月14日，我国发射了实践九号卫星（两颗星），其中主星使用了502所研制的我国第一片完全自主知识产权的宇航级SoC（片上系统），这是星载计算机SOC化一次完整的验证。根据最新传来的消息，实践九号成功在美国开机成像，清晰地拍下当地城市的图片。

    片上系统芯片SOC的价值几何？“一片SOC价值几万美元？不，其实无可估价，中国人掌握了这项技术，美国和欧洲对中国在航天电子市场的漫天要价和封锁将被突破。未来，不仅探月工程会采用SOC，其他民用项目，如高铁、核电、船舰都有应用需求。” 10月19日，本报记者采访了SOC片上系统的主要研发人员，他们有操作系统、芯片设计以及硬件工程师，讲述了他们研发SOC的故事。

指甲盖大小的SOC带卫星上天

    10月14日，中国发射了实践九号A、B两颗卫星，18日，传来A星开机成像的消息，拍摄的城市地面清晰照片，分辨率达到2.5米。但没有几个人了解，控制A星入轨正常运行的自动驾驶仪就是第一次上天的SoC2008。

    卫星上天运行一周数据显示，“一切正常！”意味着SoC2008经受了最后一关验证的考验。 “我们终于走通了这条路，从设计到制造SoC，技术达到国际先进水平，我们把握住了未来的趋势。” SoC2008主管设计师刘鸿瑾兴奋地告诉记者。

    随着天地一体化技术研究的进一步深入，航天及空间计算机不仅要求更高的飞行器的姿态控制精度，而且必须承担全部星上设备及有效载荷的大量数据采集和处理工作，并实时完成海量遥感图像数据的存储、处理和传输。

    未来的星际网也要求对获取数据进行实时处理，实现有效信息的融合和共享。这些都要求航天及空间计算机必须具有很高的处理性能和功能集成度。将多个功能部件集成在单一芯片上，构成片上系统芯片（System On Chip，SOC），正是满足航天及空间处理器需求的有效途径之一。

    系统芯片SoC是什么，航天科技集团502所星载计算机产品华总工介绍表示，简单说就是把一台单片机浓缩成一片芯片，既有处理器，还有存储器、I／0接口、通讯接口等部件，实现信号采集、转换、存储、处理和I／O等功能，包含嵌入软件及整个系统的全部内容。

     “探月工程有一个著名的1：9原则，飞行器1公斤重量将耗费9公斤燃料。从地球飞向月亮，飞行器需耗燃料6.5公斤，从月球采1公斤样品回来，还需要燃料2.5公斤。”

    华总工说在飞行器设计上已经不是斤斤计较，而是到每克计较的地步。如果飞行器上的电子设备都变成SOC，整体重量将大大减轻，体积也会减少，节省宝贵的飞行器空间。

    刘鸿瑾用他的手指比划了一下：“SOC2008的大小，相当于一个拇指指甲盖，加上存储器封装后，变成5×5CM。”体积仅有原来控制计算机的40%，但性能增加了4至10倍。

10个人18个月的验证

从芯片SoC2008的取名上，可以推算这项研发始于2008年。

“我每天的工作大部分都是在做验证。”刘鸿瑾他们设计的时间只用了30%，70%的时间都是在验证。他表示，SoC芯片由于具有处理器核和其他复杂I/O接口电路，因此其代码设计完成后如何进行仿真验证是一大难题。

物理验证阶段，200多万门逻辑，10个人花了18个月时间验证，然后是128万条指令的验证，下一步，750万条指令也需要一步步走通。到验证阶段，做了一个小型计算机，看其性能是否达标。

此外，FPGA组组长孙强与同事一道在原来以FPGA接口电路仿真验证平台的基础上，进行了硬件和工具软件的升级，建立起了仿真验证平台的基础。

更大的工作量在于如何将服务器硬件和各种工具软件集成为一个适用的平台，开发团队又一次迎难而上，克服了多个难关，在原来工具软件基础上进行了大量的二次开发，终于建立起一个完整、适用的仿真验证平台，为Soc产品的开发建立了基本的开发平台。到芯片成型后，1000小时的125度高温考验是检验其15年使用寿命的浓缩验证方法。

在该芯片的研制过程中，对芯片的验证主要包括：1553B IP的功能验证、SoC2008的模块级验证、SoC2008的单指令验证、SoC2008的多指令组合功能验证、SoC2008的SPACE OS操作系统验证等。通过随机生成指令序列的方式，已经通过120000条随机组合单指令、750000组多指令组合的功能验证。实现了指令覆盖率100%。

“还有关键的空间抗辐射试验，单粒子反转效应、辐射剂量累计超标测试是验证的重点。通过了这两项抗辐射验证，我们的项目就离成功一步之遥。”华总工表示，最后工程师通过加固抗辐射设计，完美地达到要求。

负责操作系统开发的彭飞已经是第二次接受本报记者采访，神舟九号飞船上就有SpaceOS第一代运行。在第一代操作系统基础上，彭飞增加了通讯的机制、消息队列，改变了调度的算法。

程序大小也从12KB变成20多KB。“因为存储器太贵，我们的程序不敢占用太多存储空间，前几天还在讨论如果用32KB、64KB的存储器会如何做。”与国外通用的操作系统比，国外系统采用SDRM 存储，程序通常在2MB以上。

价值无可估量的SOC

“可以用一个数量级来估值一下这款芯片的价值吗？”记者问。

 “几万美元？当然不能这样算，当实践九号卫星成功入轨运行时，我

们自主研发的系统芯片SoC2008就为中国的宇航级芯片打通了一条完整的设计制造流程，国外宇航电子控制产品的封锁和高价将失效，SoC2008的价值无可估量。”

华总工表示，更应该看到由此引发的蝴蝶效应。

作为未来的趋势，SoC不仅仅包括硬件，还包括软件，它是对传统软硬件分离的型号研制模式挑战，将彻底改变方案、初样、试样、定型的传统研制流程，大大缩短型号研制周期。  

早在20世纪九十年代，NASA就根据未来航天任务需求，组织多家公司开展了多项有关SOC/ASIC技术的研究。NASA于2011年底发射的火星探测器-MSL，该巡游车的命名“好奇心”（Curiosity），MSL 中的电子设备的功耗控制单元采用SoC实现了整个系统。

2011年8月的MAPLD大会上，Aeroflex公司宣布由德国斯图加特大学牵头研制的Flying-Laptop (FLP)卫星将搭载基于UT699的星载计算机，主要用于试验和验证适用于小型化卫星的崭新的空间技术，预计2013年发射。UT699是2010年Aeroflex公司专门针对复杂环境应用研制的新一代微处理器芯片，基于32位SPARC V8架构的LEON3核实现，适合于嵌入式开发需要。

华总工说SoC2008软件、硬件都实现了自主研发。Soc2008上运行的是软件是502所自主开发的第二代星载实时多任务操作系统SpaceOS2。与国内外的优秀操作系统相比较，SpaceOS2已经达到了国内外同等水平。硬件上,则采用国内外开源的IP核，根据航天需要进行消化、改进提高，实现高端IP核国产化。整体性能指标与欧洲2010年推出的UT699（AT697的下一代）相当，达到国际同期先进水平。 

“目前第二代SoC芯片和多核高性能SoC芯片都已经在开发中，刘群小组负责的四核SOC明年就可以实现，后续的探月工程、北斗导航都可以应用。”刘鸿瑾谈到新的任务，充满激情。

升级处理器、升级接口都比较容易了，完成了电子系统版上设计到芯片设计的转变，刘鸿瑾他们看待卫星或其他航天器上的系统都变得容易多了，“不就是不一各个板块变成一个个芯片吗，不出十年，SpaceOS就将遍布航天飞行器。”已经实现SOC芯片化的还有敏感器，实现空间飞行器对接控制。

其他的民用领域，高铁、核电、船舰领域，也将用到SOC芯片。华总工表示“不排除参与国际市场的竞争，成为技术输出国。”