宇航型号元器件国产化自主可控的管理模式研究

贺晙华、吴强、贾静、杨兰乔、赵乙萤 /北京航天自动控制研究所

加快航天事业发展是我国现阶段的重要战略，元器件、基础部组件及原材料等基础物资是航天事业发展的前提保证。尤其是“后疫情时代”的国际环境、中美贸易竞争及西方国家大规模集成电路出口限制的共同作用下，元器件自主可控能力便成为高速发展过程中至关重要的工作之一。但我国电子工业基础相对薄弱，宇航型号核心元器件和大规模通用芯片长期依靠进口，宇航型号关键及重要元器件（后简称关重件）的自主保障形势已极为严峻。以“长征”七号运载火箭为例，控制系统关键单机产品使用的关重件，不论是数量还是种类上，均未能实现100%国产化，导致关重元器件技术指标及产品供应受制于人；与此同时，目前使用的主流进口元器件中，已识别出存在I、II 类禁运、停产风险的元器件达上百种，严重影响了宇航型号批产和高密度发射任务。因此，实施关重元器件国产化，谋求自主可控，摆脱受制于人的局面已势在必行。

一、关重元器件自主可控总体思路

元器件的自主可控包括“可控”和“自主”2个层面——“可控”是指元器件供应过程中，即使存在不利的外在因素，依然能够充足稳定供应的能力；“自主”是指元器件供应不存在受制于人的情况，能够独立自主的提供所需元器件。元器件的自主可控与元器件的国产化也存在一定区别，后者仅是自主可控的一个层面。元器件自主可控实际上是系统性工程，除了要求掌握元器件生产的核心技术，还要求元器件生产单位拥有配套设备研制生产能力。

可控航天元器件：元器件研制不是完全独立自主的，存在一定的制约，但此种限制是在可承受范围内存在的；尚未摆脱对国外技术、工艺的依赖性，未完全实现自主可控。从风险识别角度而言，应判断国产元器件与进口器件的风险程度等级，综合考虑依赖性产生的风险并积极考虑降低风险的措施。

自主航天元器件：元器件研制的各个生产全周期可独立自主进行，相关环节运用到的所有材料、技术、设备等配套产品均为自主所有。用户可获得安全、充足的元器件供应保障。航天元器件自主主要侧重于元器件产品研制的自主性，解决元器件研制全过程的受制要素，是解决元器件产品受制于人的根本。

宇航型号元器件发展必须要经历从依赖进口到先可控后自主的转变，逐步、分阶段的完成元器件产品全自主化，即在保障可控的基础上，谋求长远的利益，逐步实现自主的目标。

二、基于自主可控的元器件管理模式

1.建立健全元器件优选目录

宇航型号元器件优选目录机制可以规范元器件种类，便于设计人员在工程实际中对成熟度等级高的元器件进行选用，节约设计成本和应用验证资源。宇航型号元器件优选目录应分层级设置，形成任务大总体层级、集团公司层级、研究院层级的分层级元器件优选目录，根据元器件自身成熟度等级，逐层级分类别精简。对于自主可控能力强的元器件，可优先编入优选目录清单。

根据总体任务应用差异，设置相应的元器件参数指标，如耐高温、抗辐射及质量等级等要求都有较大差异。上述差异在飞行产品与地面支持系统产品的需求上尤为明显。此外，关键重要单机与一般单机对元器件的需求也存在着很大的差异。需要根据工程实际，制订相应使用场景的元器件优选目录。

优选目录应该根据器件性能的发展不断迭代，弃旧纳新，持续完善。但在弃除、新增优选目录元器件时，应严格履行相应的审批流程，详细管理元器件优选目录各类型元器件的性能指标、质量等级、执行标准及封装形式等属性，严格控制元器件选用目录元器件的技术状态及特征。

2.“一用多研”研发管理模式

“一用多研”研发管理模式是指针对总体单位提出的元器件需求由多个元器件研制单位共同承接，需求提出方对元器件研发项目提出总体要求，多家承研单位独立研发，通过增加竞争环境提高元器件自主可控研发成功率。

采用“一用多研”管理模式能够解决当前“一用一研”定制式研发过程中出现的元器件承研单位供货能力不足和供货价格不断增高的现状，提升元器件自主可控研发能力。“一用多研” 管理模式的核心是形成元器件研发竞争环境，通过多家元器件研制单位的竞争解决“一用一研”定制模式存在的问题，建立研发竞争环境有助于激发元器件承研单位的创新力、提升供货能力并稳定供货价格。坚持“一用多研”的管理理念还应当实行供货盈利管理，元器件研发阶段承研单位应自行投入研发经费，改变过去“一用一研”定制模式中用户单位的研发经费全部投入某一家承研单位的管理思路。管理模式的转变使得元器件承研单位只有在项目研发成功后通过稳定持续的供货方式逐渐收回研发成本并实现盈利，在此竞争模式下承研单位的主要精力会集中在研发能力建设和供货能力提升方向。“一用多研”解决了“一用一研”管理模式中存在的问题，适应宇航领域当前高密度发射形势下元器件自主可控管理需求。

3.持续推进“迭代更新”的元器件选用管理模式

元器件“迭代更新”选用管理模式是在面临新型号设计时，直接选用“迭代更新”后的元器件完成设计工作，改变传统设计中直接沿用成熟设计的元器件选用方式，可以激发新型号的设计创新，进一步推动型号系统设计和元器件应用的协调发展。

元器件“迭代更新”选用管理的核心思想是新型号在方案或初样设计过程中，对新型元器件创新应用，通过鼓励新型号选用，保持型号设计及元器件应用技术的同步发展。新型号任务成功后，对新型元器件进行成熟度分析，并对元器件优选目录进行增补剔除工作，把新选用的具有一定成熟度的高性能元器件纳入元器件优选目录管理，推动元器件“迭代更新”，弃旧纳新，在保持成熟稳定的情况下实现元器件设计应用革新。

4.完善元器件应用验证管理

为了提高自主可控元器件应用验证覆盖的全面性，承研单位应当对元器件研发全流程进行验证。对自主可控元器件，尤其是大规模集成电路的应用验证技术主要分为板级验证技术、半实物仿真验证的系统级应用验证及原型样机级的应用验证。

（1）板级应用验证

使用自主可控元器件形成单板级样件进行验证，通过硬件与软件相配合，在单板正常工作的条件下，验证单板级样件对外部各种环境情况、电信号激励、物理接口、数据总线等，对单板级所有功能模块进行应用测试。

（2）元器件半实物仿真验证

根据实际使用环境中元器件的环境力学特性、电特性，搭建半实物仿真平台，通过Pspice、Labview 等仿真软件搭建半实物仿真环境，以模拟使用环境或物理极限，验证元器件在相应条件下的功能指标参数，提升元器件应用验证的覆盖性。

元器件半实物仿真平台是指采用包含硬件特性库的仿真软件，配合以被测元器件为核心的最小电路系统，考虑元器件特性并参考系统数学模型，开展半实物仿真系统（见图1）。仿真设备以信号发生器为信号源，通过传感器获取元器件在仿真系统中的运行结果，再利用试验控制台相关接口与仿真设备互联，监控仿真全流程，并使用试验控制台嵌入的软件进行数据处理，分析试验结果，发送结果至支持系统进行储存、显示。

图1 半实物仿真系统组成和连接关系

在半实物仿真平台上预留被测元器件的对外功能接口，可以根据不同的使用工况，由仿真设备提供相应的模拟信号，以涵盖被测元器件实际应用中的情况，进一步提高应用验证覆盖性和可靠性。

（3）依托宇航型号进行单机级的应用验证

以型号为依托，以自主可控元器件为核心，形成实际工程应用的原理样机，通过系统级综合试验、匹配试验及电磁兼容试验考察元器件在系统环境中的使用情况，进一步验证元器件的功能和性能。

三、自主可控元器件的质量管理

1.制定顶层规章制度

制定元器件质量管理的顶层规章，完善全流程质量控制细则。通过顶层设计，强化元器件全生命周期的质量管理，使元器件立项、研制、生产、鉴定、应用验证及处置环节透明可视，进一步保障自主可控元器件质量管理有规可依、有据可循。

2.强化设计和试验验证

对于不可原位替代的自主可控元器件，研制单位应结合整机单位及系统需求，提高设计的向下兼容能力，设计及研制过程中充分利用热仿真、力学仿真、EMC 仿真等手段，确保优化封装后的自主可控元器件能够满足整机的应用要求及可靠性要求。

3.开展可靠性提升试验和补充验证

为避免设计缺陷因试验样本量少而出现统计学偏差，可针对大规模集成电路、IGBT 大功率器件及BGA 封装等关重器件开展可靠性提升试验，增加实验样本量，减少统计误差，确定被测元器件特性边界。

对已用于工程实际的元器件，应结合实际工况及使用过程中出现的问题进行补充试验、举一反三等工作，重点验证匹配性或单点、不可测不可检特性，进一步提升元器件使用可靠性。

4.加强承研单位的过程质量控制

需求提出单位应在研制初期，将元器件总体质量要求及技术条件传递至元器件承研单位，并在元器件研制全流程中，设置强制检验环节，对承研单位方案设计、原理验证、流片等关键节点进行强制验收工序，检验关键指标参数的性能及质量一致性，强化特殊工艺、关键环节的质量控制，确保元器件批次内、批次间的一致性。

5.加强需求、研制双方沟通

为解决元器件的单机选用率低的问题，避免“研而不用”的尴尬情况，元器件承研方应当加强与需求方的沟通，充分交流元器件性能、材料、工艺、封装及环境适应性等指标。需求提出方应结合以往工程实际中选用的进口器件的实际使用情况，协助承研单位进行自主可控工作，在试用后及时反馈意见，形成闭环研制，促进自主可控元器件的迭代更新。承研单位在进行自主可控元器件方案设计时也应征求需求方的实际使用要求，充分了解需求方的性能指标、接口特性、力学热学环境特性等，确保新研元器件满足需求方使用要求。

整机单位也应优化单机设计流程，通过优化系统级使用环境，弥补部分自主可控元器件性能不足的问题，保证系统级使用不因个别元器件指标降低而存在风险。此外，整机单位及总体单位可加强微系统集成技术研究（如特定算法专用处理芯片、推广IP 核使用），弥补自主可控带来的重量、功耗等使用层面的问题，进而减少对FPGA、PowerPC、DSP 等大规模、高端进口芯片的依赖。

随着我国航天高密度发射和国际环境的变化，元器件自主可控势在必行，避免受制于人的局面。同时应当鼓励自主可控元器件的工程使用，形成自主创新、优选应用、迭代更新的良性循环，促进自主可控元器件产业的快速发展。