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1、集成电路技术十年发展2012-11-27 17:06:17清华大学教授、微电子学研究所所长 魏少军一、总体情况集成电路产业是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业，是电子信息产业的核心，是关系到国家经济社会安全、国防建设极其重要的基础产业。集成电路产业的竞争力已经成为衡量国家间经济和信息产业可持续发展水平的重要标志，是世界各先进技术国抢占经济科技制高点、提升综合国力的重要领域。新世纪以来，我国的集成电路科技与产业在国务院国发2000（18号）文件和各级地方政府的持续支持下，获得了长足进步，取得了一系列重要成果：（一）集成电路产业链格局日渐完善中国集成电路产业结构逐步由小而全的综
2、合制造模式逐步走向设计、制造、封装测试三业并举，各自相对独立发展的格局。目前，中国集成电路产业已经形成了集成电路设计、芯片制造、封装测试及支撑配套业共同发展的较为完善的产业链格局。（二）集成电路设计产业群聚效应日益凸现以上海为中心的长江三角洲地区、以北京为中心的环渤海地区以及以深圳为中心的珠江三角洲地区已经成为国内集成电路产业集中分布的区域。全国集成电路设计、制造和封装产业90%以上的销售收入集中于以上三个地区。其中，包括上海、江苏和浙江的长江三角洲地区是国内最主要的集成电路制造基地，在国内集成电路产业中占有重要地位（三）集成电路设计技术水平显著提高国内集成电路设计企业的技术开发实力也有显著的
3、提高，已经取得多项掌握核心技术的研发成果。2000年以来，“申威”高性能CPU、“龙芯”和“众志”桌面计算机用CPU、苏州国芯C*Core和杭州中天CK-Core嵌入式CPUIP核、智能卡集成电路芯片、第二代居民身份证专用芯片、自主高清电视（HDTV）标准和自主音视频标准AVS芯片、华为网络通讯交换装备核心系统芯片、大唐电信COMIPTM和展讯移动通信终端SoC、超大规模集成电路制造工艺、智能卡芯片专用工艺及高压特色工艺等技术和产品都取得了重要成果，大部分成果取得了产品化和产业化的重大进展，并获得国家科技进步奖励。（四）人才培养和引进开始显现成果集成电路是知识密集型的高技术产业，其持续、快速、
4、健康的发展需要大量高水平的人才。但是，人才匮乏，人员流失严重却一直是困扰我国集成电路科技和产业发展的主要问题之一。为扭转这一局面，加大集成电路专业人才的培养力度，2003年国务院科教领导小组批准实施国家科技重大专项集成电路与软件重大专项，并实施了“国家集成电路人才培养基地”计划。随后教育部、科技部批准建设国家集成电路人才培养基地。二、集成电路设计集成电路设计业是包括中国在内的全球整个集成电路产业中最为活跃的部分。集成电路设计企业在新兴产品的开发上扮演着关键作用。在中央处理器（CPU）、数字信号处理器（DSP）、半导体存储器、可编程逻辑阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）和系统芯片（SoC
5、）等主流产品领域，都可以发现集成电路设计企业的身影。在过去的十年间，我国集成电路设计业在CPU、智能卡专用芯片、3G通信芯片、数字电视芯片、第二代居民身份证芯片等领域取得了令人瞩目的成果。（一）自主知识产权CPUCPU被誉为电子信息产品的心脏，是集成电路产品的制高点。十年间，我国在超级计算机用高性能CPU、桌面计算机/服务器CPU和嵌入式CPU领域取得了一系列重要突破，部分产品达到国际领先水平，极大地提高了我国在CPU领域的科技水平和支撑电子信息产业发展的能力。在超级计算机用高性能CPU领域，我国实现了从无到有的重大历史跨越。经过十余年不懈努力，掌握了高性能CPU体系架构设计的核心技术，突破了
6、微结构设计、Cache设计、核间通信、总线设计、存储器接口设计、低功耗设计、可靠性及安全性设计等关键技术，达到了国际领先水平。上海高性能集成电路设计中心在科学技术部和上海市的大力支持下于2003年8月创建，主要从事自主知识产权的国产高性能CPU开发并推进技术成果产业化。该中心积极响应国家“自主可控、自主创新”的总体战略要求，坚持“全定制自主设计、全流程可控生产”的技术路线，积极承担国家重大科研攻关项目，不断提升科研创新能力、突破高性能CPU研制关键技术，瞄准高性能计算和信息安全应用需求，立足国内条件，深度研发国产高性能CPU。目前，该中心已完成两代“申威”系列高性能CPU研制，同时建立了完整的
7、高端处理器研发技术体系，具备了从架构研究、逻辑设计到物理实现全过程的自主研发能力。 2006年，该中心在国家863计划超大规模集成电路设计专项“国产高性能SOC芯片”课题支持下，成功研制出第一代国产64位通用处理器“申威1”。该处理器为RISC结构，采用0.13微米CMOS代工工艺，集成近5700万只晶体管，峰值运算速度达到每秒50亿次浮点运算。具有高性能、高可靠、高频率等特点，是我国第一款从结构设计、电路设计、版图设计、正确性验证到流片生产和测试完全在国内完成的高性能通用CPU，成功实现了高频率、大尺寸、全定制芯片的全自主设计和全国内生产，创造了当时单核最高工作频率和最高运算速度的全国纪录，
8、获当年集成电路领域唯一一个“Aa”级评价。2010年，该中心在国家“核高基”科技重大专项“高性能多核CPU研发与应用”课题支持下，成功研制出第二代具有自主知识产权的国产16核处理器“申威1600”。该处理器采用自主指令集，65纳米代工工艺，最高核心工作频率达1.1GHz，峰值运算速度达每秒1408亿次双精度浮点结果，是我国第一款自主研制的64位通用多核处理器，也是世界上首款投入实用的16核处理器，在多项核心关键技术上有重大创新和突破，整体技术居国内领先、达到国际先进水平。2012年初，该中心成功完成“申威1600”改进型“申威1610”处理器研制。该处理器已通过测试和系统验证。“申威1610”
9、是我国目前唯一一款自主设计的频率突破1.5GHz的高端通用多核处理器。该芯片采用多项新技术提高频率、提升性能、增强功能、降低功耗。测试结果表明，该处理器核心工作频率能稳定超过1.5GHz，最高达到1.6GHz，最高峰值运算速度为每秒2048亿次浮点运算，运行功耗在50W以内，能效比提升近一倍，在计算能力、磁盘访问、网络处理等方面已达到了国际主流处理器的同等水平。上述两代“申威”处理器已在国家相关领域的关键项目中成功应用85000片以上。其中，“申威1”处理器于2008年实现批量生产并全部应用于国产百万亿次计算机系统；“申威1600”处理器于2010年开始批量生产并于2011年应用于科技部超级计
10、算（济南）中心“神威蓝光”高性能计算机系统中。该系统全部采用“申威1600”处理器，仅用8704颗处理器芯片即达到每秒千万亿次峰值性能，是国内迄今为止唯一一台全部采用国产处理器实现速度超过千万亿次的高性能超级计算机。“申威1600”在高性能计算领域的成功应用，使我国成为继美国、日本之后能够使用自主设计的处理器构建千万亿次级高性能计算机的国家，对实现重大信息系统自主可控发展具有重大意义。此外，“申威1600”还成功应用于国产服务器、桌面终端、千兆防火墙、工控机等产品中，部分产品已在国家核心部门和重点项目中进行了重要示范应用。上海高性能集成电路设计中心还联合国内知名软件厂商，围绕“申威”处理器构建
11、了完整的生态产业链，在产品化和产业化方面，该中心已和中国电子信息产业集团（CEC）等大型国有企业开展深度合作，取得了阶段性进展。安全服务器 办公计算机 千兆防火墙 国产数控主机在桌面计算机/服务器CPU领域，中科龙芯和北大众志等单位开展了以“龙芯”、“众志”为代表的国产桌面和服务器CPU技术研发。以“龙芯”CPU为例，中科龙芯于2002年8月研制成功国内第一款32位通用CPU“龙芯1号”，2003年10月研发成功国内第一款64位通用CPU“龙芯2号”（“龙芯2B”）；在此基础上，中科龙芯又在CPU体系结构、物理设计、测试验证等CPU设计核心技术方面取得重要进步，分别于2004年9月和2006年
12、3月研制成功“龙芯2号”系列的后续型号“龙芯2C”和“龙芯2E”。其中，代表我国“十五”期间处理器研制最高水平的“龙芯2E”处理器使用90nm工艺，最高主频达到1GHz，实测性能与中低档PentiumIV相当，标志着我国在自主CPU设计技术上达到了当时国际先进水平。“十一五”期间，自主CPU技术水平进一步提高，并进行了从实验室样品到面向市场的产品的有益尝试。以“龙芯”CPU为例，一方面，开展了四核“龙芯3号”的研制，并于2009年9月研制成功我国首款64位四核CPU“龙芯3A”。“龙芯3A”采用65纳米CMOS工艺设计，片内集成了4个四发射64位处理器核和4MB二级Cache，主频达到1GHz
13、，功耗小于15瓦，峰值性能达到每秒160亿次浮点运算，片上包含4.25亿只晶体管。另一方面，中科龙芯在科技部的安排和部署下，与欧洲的意法半导体公司合作，在“十五”期间取得的“龙芯2E”技术成果上，通过质量、成本和成熟度等的优化设计，研制了首款龙芯系列的CPU产品“龙芯2F”，随后又对“龙芯3A”进行了产品化。同时，中科龙芯于2006年初在江苏省常熟市建立了“龙芯”产业化基地进行“龙芯”系列CPU的应用推广，完成了基于“龙芯”CPU的桌面整机产品中试。2010年初，在科学院和北京市的支持下，中科院计算所在北京成立了“龙芯中科技术有限公司”并使龙芯团队逐步向企业转型，实现了“龙芯”CPU的企业化运
14、做。“十一五”后期，桌面CPU和服务器CPU进一步提升了技术水平并进行了初步应用，如“十一五”末研发完成的“龙芯3C”采用32nm工艺设计，片内集成8个64位超标量向量处理器核，共有十多亿只晶体管；“龙芯2号”最新产品“龙芯2H”采用65nm工艺，片内集成四发射64位处理器核、流媒体处理、图形图像处理以及南桥、北桥等配套芯片组功能，为低成本电脑提供了单片解决方案。从“十二五”开始，“核高基”科技重大专项从产业链的全程支持自主桌面和服务器CPU的发展，联合包括操作系统、办公软件、数据库、中间介、ODM/OEM、整机、系统集成等企业，基于自主CPU构造完整的产业链，形成了良好的发展势头。在此基础上
15、，国家有关部门下决心在部分重要领域大力推广自主可控软硬件系统的应用。软硬件协同发展、整机与应用带动芯片和软件发展已经成为广泛共识。到2011年底，基于国产CPU的桌面计算机和服务器推广应用达到了十万套的量级。在嵌入式CPU领域，浙江大学、苏州国芯和杭州中天致力于研发具有国际水平的嵌入式CPU，完成了具有自主知识产权的C-Core(含苏州国芯C*Core和杭州中天CK-Core)系列嵌入式CPU，性能与当时国际先进的同类嵌入式CPU相当。上述嵌入式CPU均在国际主流先进集成电路代工线（台积电、中芯国际等）实现了IP核硬化，客户可以方便地在上述工艺线研发SoC。目前，国产嵌入式CPU已经形成了每年
16、千万颗级的产业化规模。相关成果在2009年获得了国家科技进步二等奖。C*300、CK500和CK600系列嵌入式CPU面向嵌入式系统和终端SoC应用领域,具有可扩展指令、可配置硬件资源、可重新综合、易于集成等优点，可以通过静态设计、动态电源管理和低电压供电来减少功耗，也可以通过进入省电模式来节省功耗，还可以实时地关断内部功能模块。于此同时，相关单位还研制成功了基于C*300、CK500和CK600系列嵌入式CPU的SoC应用开发平台，完善与优化了C*300、CK500和CK600系列嵌入式CPU的应用环境，推动了产业化进程。C*300、CK500和CK600系列嵌入式CPU已形成较为完善的开发验证平台和集成开发环境，形成了从高端到低端多款微控制器芯片，可满足频率300M以下的SoC应用需求，形成
