【正文】 集成電路技術(shù)十年發(fā)展20121127 17:06:17清華大學教授、微電子學研究所所長 魏少軍　　一、總體情況　　集成電路產(chǎn)業(yè)是關(guān)系國民經(jīng)濟和社會發(fā)展全局的基礎(chǔ)性、先導性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心，是關(guān)系到國家經(jīng)濟社會安全、國防建設(shè)極其重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。集成電路產(chǎn)業(yè)的競爭力已經(jīng)成為衡量國家間經(jīng)濟和信息產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展水平的重要標志，是世界各先進技術(shù)國搶占經(jīng)濟科技制高點、提升綜合國力的重要領(lǐng)域?！　　　⌒率兰o以來，我國的集成電路科技與產(chǎn)業(yè)在國務(wù)院國發(fā)2000（18號）文件和各級地方政府的持續(xù)支持下，獲得了長足進步，取得了一系列重要成果：　?。ㄒ唬┘呻娐樊a(chǎn)業(yè)鏈格局日漸完善　　　　中國集成電路產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)逐步由小而全的綜合制造模式逐步走向設(shè)計、制造、封裝測試三業(yè)并舉，各自相對獨立發(fā)展的格局。目前，中國集成電路產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了集成電路設(shè)計、芯片制造、封裝測試及支撐配套業(yè)共同發(fā)展的較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈格局?！　。ǘ┘呻娐吩O(shè)計產(chǎn)業(yè)群聚效應(yīng)日益凸現(xiàn)　　以上海為中心的長江三角洲地區(qū)、以北京為中心的環(huán)渤海地區(qū)以及以深圳為中心的珠江三角洲地區(qū)已經(jīng)成為國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)集中分布的區(qū)域。全國集成電路設(shè)計、制造和封裝產(chǎn)業(yè)90%以上的銷售收入集中于以上三個地區(qū)。其中，包括上海、江蘇和浙江的長江三角洲地區(qū)是國內(nèi)最主要的集成電路制造基地，在國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)中占有重要地位　?。ㄈ┘呻娐吩O(shè)計技術(shù)水平顯著提高　　國內(nèi)集成電路設(shè)計企業(yè)的技術(shù)開發(fā)實力也有顯著的提高，已經(jīng)取得多項掌握核心技術(shù)的研發(fā)成果。2000年以來，“申威”高性能CPU、“龍芯”和“眾志”桌面計算機用CPU、蘇州國芯C*Core和杭州中天CKCore嵌入式CPUIP核、智能卡集成電路芯片、第二代居民身份證專用芯片、自主高清電視（HDTV）標準和自主音視頻標準AVS芯片、華為網(wǎng)絡(luò)通訊交換裝備核心系統(tǒng)芯片、大唐電信COMIPTM和展訊移動通信終端SoC、超大規(guī)模集成電路制造工藝、智能卡芯片專用工藝及高壓特色工藝等技術(shù)和產(chǎn)品都取得了重要成果，大部分成果取得了產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化的重大進展，并獲得國家科技進步獎勵?！　。ㄋ模┤瞬排囵B(yǎng)和引進開始顯現(xiàn)成果　　集成電路是知識密集型的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，其持續(xù)、快速、健康的發(fā)展需要大量高水平的人才。但是，人才匱乏，人員流失嚴重卻一直是困擾我國集成電路科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要問題之一。為扭轉(zhuǎn)這一局面，加大集成電路專業(yè)人才的培養(yǎng)力度，2003年國務(wù)院科教領(lǐng)導小組批準實施國家科技重大專項——集成電路與軟件重大專項，并實施了“國家集成電路人才培養(yǎng)基地”計劃。隨后教育部、科技部批準建設(shè)國家集成電路人才培養(yǎng)基地。二、集成電路設(shè)計　　集成電路設(shè)計業(yè)是包括中國在內(nèi)的全球整個集成電路產(chǎn)業(yè)中最為活躍的部分。集成電路設(shè)計企業(yè)在新興產(chǎn)品的開發(fā)上扮演著關(guān)鍵作用。在中央處理器（CPU）、數(shù)字信號處理器（DSP）、半導體存儲器、可編程邏輯陣列（FPGA）、專用集成電路（ASIC）和系統(tǒng)芯片（SoC）等主流產(chǎn)品領(lǐng)域，都可以發(fā)現(xiàn)集成電路設(shè)計企業(yè)的身影。在過去的十年間，我國集成電路設(shè)計業(yè)在CPU、智能卡專用芯片、3G通信芯片、數(shù)字電視芯片、第二代居民身份證芯片等領(lǐng)域取得了令人矚目的成果?！　　。ㄒ唬┳灾髦R產(chǎn)權(quán)CPUCPU被譽為電子信息產(chǎn)品的心臟，是集成電路產(chǎn)品的制高點。十年間，我國在超級計算機用高性能CPU、桌面計算機/服務(wù)器CPU和嵌入式CPU領(lǐng)域取得了一系列重要突破，部分產(chǎn)品達到國際領(lǐng)先水平，極大地提高了我國在CPU領(lǐng)域的科技水平和支撐電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的能力。在超級計算機用高性能CPU領(lǐng)域，我國實現(xiàn)了從無到有的重大歷史跨越。經(jīng)過十余年不懈努力，掌握了高性能CPU體系架構(gòu)設(shè)計的核心技術(shù)，突破了微結(jié)構(gòu)設(shè)計、Cache設(shè)計、核間通信、總線設(shè)計、存儲器接口設(shè)計、低功耗設(shè)計、可靠性及安全性設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，達到了國際領(lǐng)先水平。上海高性能集成電路設(shè)計中心在科學技術(shù)部和上海市的大力支持下于2003年8月創(chuàng)建，主要從事自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)高性能CPU開發(fā)并推進技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化。該中心積極響應(yīng)國家“自主可控、自主創(chuàng)新”的總體戰(zhàn)略要求，堅持“全定制自主設(shè)計、全流程可控生產(chǎn)”的技術(shù)路線，積極承擔國家重大科研攻關(guān)項目，不斷提升科研創(chuàng)新能力、突破高性能CPU研制關(guān)鍵技術(shù)，瞄準高性能計算和信息安全應(yīng)用需求，立足國內(nèi)條件，深度研發(fā)國產(chǎn)高性能CPU。目前，該中心已完成兩代“申威”系列高性能CPU研制，同時建立了完整的高端處理器研發(fā)技術(shù)體系，具備了從架構(gòu)研究、邏輯設(shè)計到物理實現(xiàn)全過程的自主研發(fā)能力。 2006年，該中心在國家863計劃超大規(guī)模集成電路設(shè)計專項“國產(chǎn)高性能SOC芯片”課題支持下，成功研制出第一代國產(chǎn)64位通用處理器——“申威1”。該處理器為RISC結(jié)構(gòu)，集成近5700萬只晶體管，峰值運算速度達到每秒50億次浮點運算。具有高性能、高可靠、高頻率等特點，是我國第一款從結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計、版圖設(shè)計、正確性驗證到流片生產(chǎn)和測試完全在國內(nèi)完成的高性能通用CPU，成功實現(xiàn)了高頻率、大尺寸、全定制芯片的全自主設(shè)計和全國內(nèi)生產(chǎn)，創(chuàng)造了當時單核最高工作頻率和最高運算速度的全國紀錄，獲當年集成電路領(lǐng)域唯一一個“Aa”級評價?！　　　　　　　?010年，該中心在國家“核高基”科技重大專項“高性能多核CPU研發(fā)與應(yīng)用”課題支持下，成功研制出第二代具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)16核處理器——“申威1600”。該處理器采用自主指令集，65納米代工工藝，峰值運算速度達每秒1408億次雙精度浮點結(jié)果，是我國第一款自主研制的64位通用多核處理器，也是世界上首款投入實用的16核處理器，在多項核心關(guān)鍵技術(shù)上有重大創(chuàng)新和突破，整體技術(shù)居國內(nèi)領(lǐng)先、達到國際先進水平。　　　　　　2012年初，該中心成功完成“申威1600”改進型——“申威1610”處理器研制。該處理器已通過測試和系統(tǒng)驗證?！吧晖?610”。該芯片采用多項新技術(shù)提高頻率、提升性能、增強功能、降低功耗。測試結(jié)果表明，，最高峰值運算速度為每秒2048億次浮點運算，運行功耗在50W以內(nèi)，能效比提升近一倍，在計算能力、磁盤訪問、網(wǎng)絡(luò)處理等方面已達到了國際主流處理器的同等水平。　　上述兩代“申威”處理器已在國家相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)鍵項目中成功應(yīng)用85000片以上。其中，“申威1”處理器于2008年實現(xiàn)批量生產(chǎn)并全部應(yīng)用于國產(chǎn)百萬億次計算機系統(tǒng)；“申威1600”處理器于2010年開始批量生產(chǎn)并于2011年應(yīng)用于科技部超級計算（濟南）中心“神威藍光”高性能計算機系統(tǒng)中。該系統(tǒng)全部采用“申威1600”處理器，僅用8704顆處理器芯片即達到每秒千萬億次峰值性能，是國內(nèi)迄今為止唯一一臺全部采用國產(chǎn)處理器實現(xiàn)速度超過千萬億次的高性能超級計算機?！吧晖?600”在高性能計算領(lǐng)域的成功應(yīng)用，使我國成為繼美國、日本之后能夠使用自主設(shè)計的處理器構(gòu)建千萬億次級高性能計算機的國家，對實現(xiàn)重大信息系統(tǒng)自主可控發(fā)展具有重大意義?！　　　　　〈送猓吧晖?600”還成功應(yīng)用于國產(chǎn)服務(wù)器、桌面終端、千兆防火墻、工控機等產(chǎn)品中，部分產(chǎn)品已在國家核心部門和重點項目中進行了重要示范應(yīng)用。上海高性能集成電路設(shè)計中心還聯(lián)合國內(nèi)知名軟件廠商，圍繞“申威”處理器構(gòu)建了完整的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈，在產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化方面，該中心已和中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團（CEC）等大型國有企業(yè)開展深度合作，取得了階段性進展?！　“踩?wù)器 辦公計算機 千兆防火墻 國產(chǎn)數(shù)控主機　　　　在桌面計算機/服務(wù)器CPU領(lǐng)域，中科龍芯和北大眾志等單位開展了以“龍芯”、“眾志”為代表的國產(chǎn)桌面和服務(wù)器CPU技術(shù)研發(fā)。以“龍芯”CPU為例，中科龍芯于2002年8月研制成功國內(nèi)第一款32位通用CPU“龍芯1號”，2003年10月研發(fā)成功國內(nèi)第一款64位通用CPU“龍芯2號”（“龍芯2B”）；在此基礎(chǔ)上，中科龍芯又在CPU體系結(jié)構(gòu)、物理設(shè)計、測試驗證等CPU設(shè)計核心技術(shù)方面取得重要進步，分別于2004年9月和2006年3月研制成功“龍芯2號”系列的后續(xù)型號“龍芯2C”和“龍芯2E”。其中，代表我國“十五”期間處理器研制最高水平的“龍芯2E”處理器使用90nm工藝，最高主頻達到1GHz，實測性能與中低檔PentiumIV相當，標志著我國在自主CPU設(shè)計技術(shù)上達到了當時國際先進水平。　　“十一五”期間，自主CPU技術(shù)水平進一步提高，并進行了從實驗室樣品到面向市場的產(chǎn)品的有益嘗試。以“龍芯”CPU為例，一方面，開展了四核“龍芯3號”的研制，并于2009年9月研制成功我國首款64位四核CPU“龍芯3A”?！褒埿?A”采用65納米CMOS工藝設(shè)計，片內(nèi)集成了4個四發(fā)射64位處理器核和4MB二級Cache，主頻達到1GHz，功耗小于15瓦，峰值性能達到每秒160億次浮點運算。另一方面，中科龍芯在科技部的安排和部署下，與歐洲的意法半導體公司合作，在“十五”期間取得的“龍芯2E”技術(shù)成果上，通過質(zhì)量、成本和成熟度等的優(yōu)化設(shè)計，研制了首款龍芯系列的CPU產(chǎn)品“龍芯2F”，隨后又對“龍芯3A”進行了產(chǎn)品化。同時，中科龍芯于2006年初在江蘇省常熟市建立了“龍芯”產(chǎn)業(yè)化基地進行“龍芯”系列CPU的應(yīng)用推廣，完成了基于“龍芯”CPU的桌面整機產(chǎn)品中試。2010年初，在科學院和北京市的支持下，中科院計算所在北京成立了“龍芯中科技術(shù)有限公司”并使龍芯團隊逐步向企業(yè)轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)了“龍芯”CPU的企業(yè)化運做。　　“十一五”后期，桌面CPU和服務(wù)器CPU進一步提升了技術(shù)水平并進行了初步應(yīng)用，如“十一五”末研發(fā)完成的“龍芯3C”采用32nm工藝設(shè)計，片內(nèi)集成8個64位超標量向量處理器核，共有十多億只晶體管；“龍芯2號”最新產(chǎn)品“龍芯2H”采用65nm工藝，片內(nèi)集成四發(fā)射64位處理器核、流媒體處理、圖形圖像處理以及南橋、北橋等配套芯片組功能，為低成本電腦提供了單片解決方案。從“十二五”開始，“核高基”科技重大專項從產(chǎn)業(yè)鏈的全程支持自主桌面和服務(wù)器CPU的發(fā)展，聯(lián)合包括操作系統(tǒng)、辦公軟件、數(shù)據(jù)庫、中間介、ODM/OEM、整機、系統(tǒng)集成等企業(yè)，基于自主CPU構(gòu)造完整的產(chǎn)業(yè)鏈，形成了良好的發(fā)展勢頭。在此基礎(chǔ)上，國家有關(guān)部門下決心在部分重要領(lǐng)域大力推廣自主可控軟硬件系統(tǒng)的應(yīng)用。軟硬件協(xié)同發(fā)展、整機與應(yīng)用帶動芯片和軟件發(fā)展已經(jīng)成為廣泛共識。到2011年底，基于國產(chǎn)CPU的桌面計算機和服務(wù)器推廣應(yīng)用達到了十萬套的量級?！　≡谇度胧紺PU領(lǐng)域，浙江大學、蘇州國芯和杭州中天致力于研發(fā)具有國際水平的嵌入式CPU，完成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CCore(含蘇州國芯C*Core和杭州中天CKCore)系列嵌入式CPU，性能與當時國際先進的同類嵌入式CPU相當。上述嵌入式CPU均在國際主流先進集成電路代工線（臺積電、中芯國際等）實現(xiàn)了IP核硬化，客戶可以方便地在上述工藝線研發(fā)SoC。目前，國產(chǎn)嵌入式CPU已經(jīng)形成了每年千萬顆級的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。相關(guān)成果在2009年獲得了國家科技進步二等獎。　　C*300、CK500和CK600系列嵌入式CPU面向嵌入式系統(tǒng)和終端SoC應(yīng)用領(lǐng)域,具有可擴展指令、可配置硬件資源、可重新綜合、易于集成等優(yōu)點，可以通過靜態(tài)設(shè)計、動態(tài)電源管理和低電壓供電來減少功耗，也可以通過進入省電模式來節(jié)省功耗，還可以實時地關(guān)斷內(nèi)部功能模塊。于此同時，相關(guān)單位還研制成功了基于C*300、CK500和CK600系列嵌入式CPU的SoC應(yīng)用開發(fā)平臺，完善與優(yōu)化了C*300、CK500和CK600系列嵌入式CPU的應(yīng)用環(huán)境，推動了產(chǎn)業(yè)化進程。C*300、CK500和CK600系列嵌入式CPU已形成較為完善的開發(fā)驗證平臺和集成開發(fā)環(huán)境，形成了從高端到低端多款微控制器芯片，可滿足頻率300M以下的SoC應(yīng)用需求，形成了完整的軟件工具鏈，破解了國產(chǎn)嵌入式CPUIP核產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的難題。C*300、CK500和CK600系列嵌入式CPU的應(yīng)用領(lǐng)域包括：數(shù)字音視頻類：包括數(shù)字電視及機頂盒、安防監(jiān)控等；信息安全類：包括加密網(wǎng)絡(luò)、商用金融設(shè)備、信息安全終端；消費類電子產(chǎn)品及醫(yī)療電子；工業(yè)控制類、通訊類的多種應(yīng)用。　　CK500系列和CK600系列嵌入式CPU是基于M*Core指令自主研發(fā)的嵌入式CPU。CK500微體系結(jié)構(gòu)包括：精簡指令集計算機結(jié)構(gòu)（RISC）；16位高代碼密度指令集；32位地址與數(shù)據(jù)通路；單發(fā)射，亂序執(zhí)行，按序退休，具有7級流水線；大部分指令在一個CPU時鐘內(nèi)完成；高度硬件可配置；兩級轉(zhuǎn)移預測；AMBA內(nèi)部總線與接口；支持大端（BigEndian）與小端（LittleEndian）；支持3種低功耗模式；支持硬件調(diào)試模塊；支持普通中斷和快速中斷；?！　K600是一款具備較高性能的嵌入式CPU，采用雙發(fā)射超標量架構(gòu)，主要面向中高端嵌入式應(yīng)用，具有高性能、低功耗和高代碼密度等特征。CK600系列處理器主要包括CK6CK610E、CK610S、CK610M、CK610F、CK620和CK610ESMF等多種配置型號。CK600和CK500在指令和工作環(huán)境上全兼容。CK600的微體系結(jié)構(gòu)包括：RISC體系架構(gòu)；16比特指令，32比特地址與數(shù)據(jù)通路；8級流水線，雙發(fā)射架構(gòu)；2個ALU，2個Shifter，1