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芯片计算所嵌入式国产龙芯CPU与中国IC产业策略

中国科学院新闻发言人在中科院计算所迎十六大创新成就展上隆重宣布,在中科院知识创新工程和国家863计划支持下,计算所研制成功龙芯一号通用处理器,已通过产品测试与专家鉴定,可投入商品化生产。

一石激起千层浪,社会各界对这一重大成果盼望已久,反映热烈。在龙芯一号CPU研制过程中,我们面临一系列的技术决策。技术路线正确与否不仅影响科研的进度,而且将决定龙芯CPU未来的命运。我国科技界与产业界至今对如何快速而健康地发展我国IC产业,特别是对如何发展CPU产业还没有达成共识。本文以研制龙芯CPU的策略考虑为基础,对发展我国的集成电路设计产业提出一些观点与看法,请教于全国同行,旨在抛砖引玉,希望对决策层尽快做出科学决策有所裨益。

一、跨越与跟踪

我国底子薄、基础差,发展高技术应当以模仿跟踪为主还是争取跨越式发展,已经争论了很多年,科技部制定十五863战略时提出要实现从以跟踪为主到跨越发展的转变,指导思想已经明确。但对于比国外落后十多年的CPU技术,我们有没有后发优势,能不能实现跨越式发展,许多人似乎又有点忧郁,有点信心不足。

在网上经常可看到这样的议论:国外芯片公司有成千上万的设计高手,每年投入数十亿美元研究开发经费,中国才投入几千万元人民币,就想做先进的CPU,只能看成是小孩子玩家家。于是就有人建议:中国只能先从芯片封装入手,建几条芯片加工生产线,先做一些美国甚至台湾IC企业现在不想做了的事,等挣到一些钱,跟洋人学到一些本事再考虑先进的芯片设计。这可能是西方某些人心目中的全球经济一体化下的世界分工。

我们必须承认,跨越发展需要一定的条件,包括技术与经验的积累。因此我们应积极吸引外资(包括台资)在中国境内建立芯片加工厂、封装厂、测试厂、半导体设备厂和有关化工原料厂,尽快在国内形成完整的IC产业链。未来3-5年内中国有望成为世界IC产业的重要加工基地,这是我国新的产业增长点,应大力支持发展。

但是,IC加工业是资金高度密集的产业,一条0.18微米生产线,一般要投资15亿美元以上,国外对先进IC加工设备出口中国仍有许多限制,因此:我国在芯片加工方面实现跨越式发展难度相当大。相对而言,芯片设计是智力高度密集型产业,虽然IC设计产业的收入目前只占整个IC产业10%左右,但营业额增长率高于制造业3倍以上。台湾IC设计业98年99年的投资回报率分别为21.6%和39%,比IC制造业的回报率(4.%和12.6%)高几倍。

据麦卡锡公司预测,中国国内IC设计业2010年的收入可达100亿美元。中国目前有200多家IC设计企业,真正高水平的设计人才可能不到1000人,但是我国有专业基础从事芯片前端设计的人力资源丰富,许多研究所和大学都有不少从事系统和硬件设计的人才。芯片设计的知识产权和专利很多都体现在系统级设计上,尤其是当进入片上系统(SoC)设计时,系统级的创新更加重要。

芯片物理设计方面的人才我国非常缺乏,而高水平的物理设计又特别需要经验,这方面人才的培养与引进需要一个过程。但龙芯一号CPU物理设计的成功表明有系统级设计经验的人转入物理设计并不是一件高不可攀的事,入门并不难,只要有一股钻劲,经过几年的积累,我国一定会出现一批物理设计的高手。当然物理设计本身是一门高深的技术,微电子专业的人才是物理设计的主力。因此,我们认为,中国实现IC产业跨越发展的主要希望在芯片设计上。

在分析了计算所系统设计方面的技术储备与优势后,我们在龙芯一号设计开始时,提出了“高起点,一步到位”的要求。所谓高起点是指尽可能采用先进的制造工艺,我们第一次设计和流片生产CPU就跳过了0.35、0.25微米工艺,选用了目前代加工厂主流的0.18微米工艺。做出这种决策不是盲目地碰运气,而是通过与硅谷许多有经验的工程师深入调研分析流片成功的可能性后做出的,从某种意义上讲,这也是利用了“后发优势”,可以“借树开花”。

所谓“一步到位”当然不是指第一次设计就做出性能超过P4的CPU,而是针对当时国内有些单位在启动研制386、486的形势,要求我们在微体系结构上创新,用国际先进水平的体系结构实现64位浮点运算,尽可能实现技术上的跨越式进步,而不是从模仿80年代技术开始一步一步爬行,并且一开始就强调正向自主设计,不采取解剖别人芯片反向设计的路线。“一步到位”的另一层意思是不做供鉴定用的实验室样片,而是要确保万无一失,经得起产品检验,做成可批量生产的芯片。经过一年多努力,龙芯一号达到了预期目的。

对CPU设计而言,龙芯一号仅仅是我们迈出的第一步,使计算所初步形成了一支敢于也善于啃硬骨头的队伍。我们清醒地认识到,我们现在的CPU设计水平与国际先进水平还有很大差距,我们在CPU领域是刚入门的新兵,而CPU技术发展又很快,许多技术特别是物理设计技术我们还要老老实实地学习。我们真正期盼的跨越式进步的标志性产品是龙芯2号。

我们在设计龙芯2号时,已分析了IntelP4、SUNSPARC、HP的Alpha、IBMPower4等多种主流芯片的微体系结构,要求龙芯2号的体系结构有自己明显的特色,以最有效的方法实现四发射,即一时钟周期可同时执行四条指令(P4实现了三发射),而且要为下一步研制超线程CPU和多处理机CPU打下基础。计算所与在美国参加过千万亿次计算机研制的高光荣教授成立了先进计算机联合实验室,重点研制多线程机制,争取实现几十个甚至几百个线程并行操作。这项技术各大公司还在研究之中,我们将争取以跨越的技术进入国际前列,在龙芯3号龙芯4号中采用。

我们主张的跨越式发展还体现在我们对微处理器发展趋势的理解与判断上。国人对于CPU和操作系统有特殊的感情,把这两者称为信息技术的核心技术。实际上随着Interent普及与发展,人们心目中的P3、P4之类的CPU和Windows之类的操作系统的地位正在不断下降。在向科学院领导申请知识创新重大项目时,我曾说过,龙芯微处理器的目标不是传统的“CPU”,而是“DPU”,即DistributedProcessorUnit。所谓中央处理器是针对过去的大型计算机取的名,随着网络存储和各式各样的通信与终端设备直接上网,微处理器将分布在各种设备中。

以后计算机、通信设备(如智能化的路由器等)和信息家电的界限越来越模糊,新一代的微处理器和现在PC机上的CPU将会有很大区别,创新的空间很大。MIT很多知名教授联合在一起研制可任意重构的新一代芯片(RAWChip)就是一种创新的例子。片上系统(SoC)是今后芯片的重要发展方向,在SoC研制中,硬件软件协同设计将更为重要,编译技术也将发挥更大的作用。中国的芯片设计要跨越发展,可能要通过软件和算法的突破来弥补硬件加工的不足。系统设计人员在芯片设计产业中将扮演十分重要的角色。总之,我国的芯片产业不能再走PC产业走过的以组装为主的老路。
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如果只重视附加值很少的低端芯片或主要用别人的IP“组装”低端SoC芯片,前途不会太美好。

二、通用与专用

可能是受历代重视“正名”的影响,我国科技界在讨论一件事时,喜欢从定义出发,在“名字”上做文章。我国CPU的研制尚未真正开展起来,863计划集成电路重大专项的高性能CPU项目还处在软课题研究阶段,但关于重点支持所谓通用CPU还是嵌入式CPU的讨论已经进行多次,而且不幸的是谁要是讲想做通用CPU,马上就有人反驳:你想赶上IntelP4?这肯定不可能,还是先做点电表控制芯片、身份证卡吧。

邓小平同志有一句名言:“不管白猫黑猫,抓住耗子就是好猫。”他告诉我们,我们应关心“抓住耗子”而不要去争论白猫好还是黑猫好。国外公司研制芯片只关心市场有没有需求,不会先浪费时间论证应该做通用还是嵌入式芯片。从各个芯片公司的网页上我们只会看到各种型号芯片的介绍,看不到他们将芯片分成通用和嵌入式。

从语文的角度上讲,“通用”的反义词是“专用”不是“嵌入式”。所谓嵌入式CPU是指安装在不是计算机的路由器、手机、电视机、汽车等设备上的CPU芯片,而装在PC机、笔记本、工作站、服务器上的CPU一般称为通用CPU,因为它能执行各种各样的程序。

嵌入式是CPU的一种应用,一般只要求运行某种确定的程序,很多场合的嵌入式应用都要求低功耗,特别是像手机、PDA这类手持移动设备,低功耗意味着充一次电可运行更长时间,因此,低功耗应用追求更高的MIPS/W(每瓦每秒百万指令),而不是MIPS数。好的嵌入式芯片,如IBMPowerPC750FX每瓦的MIPS数比IntelP4(2.4G)高10倍,但从芯片的指令系统和体系结构而言,所谓通用CPU和嵌入式CPU并没有本质区别。不论是通用CPU还是嵌入式CPU,只要是低档产品都容易做而高档产品都难做。要特别强调的是所谓嵌入式芯片五花八门,但大都采用通用的CPU核,如MIPS核、ARM核等,从这个意义上讲,通用CPU和嵌入式CPU技术上是完全相通的,不存在只能选其一的问题。

在集成电路的发展历史上,芯片产品在制造与使用的对立统一中发展,随着半导体产业的景气循环,总是沿着通用与专用循环往复不断进步。天同证券公司在网上发表了一篇“半导体产业行业研究报告”,对通用专用芯片交替发展做了一些分析,本段下面引用该文的分析结果。1959年仙童公司推出第一个硅平面晶体管商品,开始了芯片产品第一个通用循环周期。

其后不久仙童公司又推出面向计算器、电视机的专用标准构件,标志着IC产品进入第一个专用循环周期。70年代Intel公司开发成功微处理器芯片,使IC产品上升到一个新的通用循环。80年代随着设计工具的发展推动了一个产品满足一个用户要求的专用集成电路(ASIC)发展,使IC产品进入高一级的专用循环。90年代初又发展出了可编程门阵列(FPGA),用户可进行软编程反复改变硬件功能,又进行新一轮的准通用循环。随着ASIC技术的积累,IC开始向片上系统(SoC)发展,SoC实质上是更高一级的专用系统。随着通用-专用模式的交替发展,硬件软件的界限开始模糊起来,IC设计进入了基于可重用知识产权(IP)库的设计阶段。

IC发展历史已表明,通用CPU是IC技

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