聊聊70年代自主研制國(guó)產(chǎn)CPU芯片的故事

在中美科技戰(zhàn)背景下，全體國(guó)人充分認(rèn)識(shí)到了芯片的重要性，人們期待我國(guó)的芯片產(chǎn)業(yè)自強(qiáng)自立，希望CPU芯片等高端通用芯片的短板能盡快補(bǔ)齊。本文回顧一段歷史，介紹沈緒榜院士早在上世紀(jì)70年代，自主研制國(guó)產(chǎn)CPU芯片的故事，以及當(dāng)時(shí)的時(shí)代背景，讀者可據(jù)此了解我國(guó)發(fā)展***的歷程。

近兩年，隨著美國(guó)對(duì)我國(guó)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的圍堵已從集成電路(芯片、IC)設(shè)計(jì)，延伸到制造、設(shè)備和材料，再深入到關(guān)鍵核心技術(shù)，我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷著歷史上的至暗時(shí)刻。萬(wàn)眾期待我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)自強(qiáng)自立，希望國(guó)家出臺(tái)更強(qiáng)有力的舉措來(lái)發(fā)展芯片產(chǎn)業(yè)。

在談到發(fā)展國(guó)產(chǎn)CPU芯片時(shí)，大家自然會(huì)想到中國(guó)科學(xué)院計(jì)算所2001年就開(kāi)始設(shè)計(jì)的龍芯系列國(guó)產(chǎn)CPU，以及后來(lái)陸續(xù)推出的兆芯、海光、飛騰等國(guó)產(chǎn)CPU品牌，加上海思麒麟系列SoC為代表的一大批SoC品牌，其陣容還算強(qiáng)大。但是，美國(guó)正在從制造等環(huán)節(jié)遏制我們，使我們?cè)O(shè)計(jì)的高端CPU芯片和SoC芯片無(wú)法被制造出來(lái)。

如果要追尋最早的國(guó)產(chǎn)CPU芯片研制歷史，應(yīng)該從航天771所沈緒榜院士1977年主持研制的16位大規(guī)模集成電路(VLSI)微型計(jì)算機(jī)CPU芯片算起。該芯片在設(shè)計(jì)時(shí)是從電路邏輯、制造工藝和整機(jī)系統(tǒng)方面通盤考慮的，并且是在該所的生產(chǎn)線上完成。所以沈院士要解決和克服的困難很多。相比之下，龍芯及后來(lái)各種國(guó)產(chǎn)CPU芯片研制，設(shè)計(jì)時(shí)采用了先進(jìn)的進(jìn)口EDA軟件，制造時(shí)委托芯片制造廠代工，需要解決和克服的困難要相對(duì)少一些。作為最早的國(guó)產(chǎn)CPU芯片的研制者，國(guó)內(nèi)研究CPU架構(gòu)的開(kāi)先河者，沈緒榜院士從2001年開(kāi)始，先后被邀請(qǐng)參加了龍芯、中星微、銀河、天河等CPU芯片和計(jì)算機(jī)項(xiàng)目的鑒定，并擔(dān)任鑒定會(huì)主席。龍芯及后續(xù)的國(guó)產(chǎn)CPU芯片距他1977年研制第一款國(guó)產(chǎn)CPU芯片晚了二十多年時(shí)間。

要回顧這段歷史，就要從“兩彈一星”的配套工程說(shuō)起。我國(guó)要發(fā)展運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈，重要的是要“導(dǎo)”，“導(dǎo)”就是控制和引導(dǎo)。這就要求在火箭和導(dǎo)彈上必須安裝又輕又小的微型計(jì)算機(jī)，用來(lái)制導(dǎo)火箭和導(dǎo)彈的飛行軌跡。

一、“兩彈一星”的配套工程：156工程

1960年，中國(guó)首枚近程導(dǎo)彈雖然成功發(fā)射，但由于射程較短，以及技術(shù)上的局限，大大制約了未來(lái)原子彈和氫彈的研制、發(fā)射和投送。

為了提升運(yùn)載火箭的推力和速度，1965年3月，國(guó)家向中國(guó)科學(xué)院下達(dá)了研制遠(yuǎn)程火箭控制用的微型計(jì)算機(jī)的任務(wù),微型計(jì)算機(jī)命名為156微型機(jī)，研制任務(wù)稱為156工程。同年9月，由中科院計(jì)算所、電子所、物理所、東北物理所、西北計(jì)算所、長(zhǎng)春應(yīng)化所六個(gè)研究所的七個(gè)研究室的半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)人員合并后，在北京中關(guān)村成立了新型的集成電路與計(jì)算機(jī)研究所，對(duì)外代號(hào)為156工程處。不久又在陜西臨潼驪山北麓開(kāi)始“三線”項(xiàng)目建設(shè)，項(xiàng)目對(duì)外名稱是324工程處，由于有部隊(duì)參與建設(shè)和保衛(wèi)，項(xiàng)目對(duì)外也稱為蘭字826部隊(duì)。156、324和826都是相同工程的代號(hào)，它們是后來(lái)航天771所的前身。

令人嘆服的是，156工程上馬僅一年，1966年9月，中國(guó)第一臺(tái)自主研制的集成電路計(jì)算機(jī)樣機(jī)便在北京完成。這是在條件有限的情況下，科研人員克服重重困難，以只爭(zhēng)朝夕的工作熱情完成的?？蒲腥藛T回憶當(dāng)時(shí)的情況說(shuō)道，雖然156工程處的工作條件是國(guó)內(nèi)最好的，但仍然十分簡(jiǎn)陋。“在沒(méi)有高精密設(shè)備的情況下，工程師們只能用鋸子切割硅片。精密的半導(dǎo)體元件竟是在一片片手工打磨的硅片上制作而成?！?/p>

那時(shí)，156工程全體人員懷著對(duì)祖國(guó)的滿腔熱忱，克服一道道難關(guān)，先后在北京中關(guān)村和陜西臨潼驪山腳下開(kāi)創(chuàng)了“燈火輝煌156”、“戰(zhàn)天斗地324”的創(chuàng)業(yè)佳話。四年后的1969年，156工程全員遷至陜西臨潼，繼續(xù)進(jìn)行著航天微電子和微型計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最新、最前沿的技術(shù)研究。

驪山的山頂有著名的周朝“烽火戲諸侯”的烽火臺(tái)，北麓有著名的唐朝楊貴妃“溫泉水滑洗凝脂”的華清池，北邊遠(yuǎn)處地下還沉睡著“世界八大奇跡”的秦朝兵馬俑軍陣。但是，324工程處選址于此，并不是看中了這里的好風(fēng)水，而是想要依托驪山南側(cè)峰巒疊嶂的山地掩護(hù)，把這里當(dāng)作了中國(guó)“三線”建設(shè)，國(guó)家生產(chǎn)力戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移的根據(jù)地。

當(dāng)時(shí)，324工程處周圍的環(huán)境就和一般小山村無(wú)異，有小橋、農(nóng)田、菜地和滿坡的石榴園，還有雨天泥濘、冰雪天溜滑的斜坡路，甚至生活區(qū)夜間偶爾會(huì)有狼、豹出沒(méi)。單位毗鄰的臨潼縣城也很落后，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民看見(jiàn)女職工穿裙子都覺(jué)得很驚奇，指指點(diǎn)點(diǎn)說(shuō)城里“婆姨”穿的是“獨(dú)筒褲”。老人們看到廠區(qū)管理嚴(yán)格并有軍人守衛(wèi)，會(huì)竊竊私語(yǔ)地議論，“山坡上的324到底是干啥的？”，“聽(tīng)說(shuō)是造原子彈的”。

生活條件雖然十分艱苦，但是324工程作為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)頂尖的高技術(shù)研究機(jī)構(gòu)，擁有國(guó)內(nèi)一流的人才隊(duì)伍和最先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備。由于我國(guó)受“巴統(tǒng)”和“瓦森納協(xié)定”限制，324工程無(wú)法購(gòu)買到當(dāng)時(shí)國(guó)際上最先進(jìn)的4英寸芯片生產(chǎn)線，但國(guó)內(nèi)僅有的三條3英寸芯片生產(chǎn)線中，就有一條安裝在324工程處。

1975年，324工程劃歸當(dāng)時(shí)的第七機(jī)械工業(yè)部(簡(jiǎn)稱七機(jī)部、航天部)直接領(lǐng)導(dǎo)，定名為航天771所，對(duì)外稱為西安微電子技術(shù)研究所。

1983年以后，隨著改革開(kāi)放和國(guó)際局勢(shì)緩和，我國(guó)備戰(zhàn)需求減少，航天771所的上天軍品型號(hào)任務(wù)隨之減少。同時(shí)也因?yàn)閲?guó)門大開(kāi)，IBM系列PC機(jī)大量進(jìn)入中國(guó)，航天771所為航天軍工單位地面應(yīng)用研制的通用微型計(jì)算機(jī)(LS 772微型機(jī))由原來(lái)的熱銷很快變?yōu)榱藴N，后來(lái)通用整機(jī)生產(chǎn)線也全面停產(chǎn)。

但與此同時(shí)，國(guó)際技術(shù)交流卻日趨活躍，航天771所經(jīng)常會(huì)有國(guó)外專家來(lái)所里進(jìn)行技術(shù)交流。研究生和全所技術(shù)人員在不影響工作情況下，都可以參加這些國(guó)際微電子和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最新技術(shù)講座。重要的講座都是由外語(yǔ)非常精通的科技委主任黃敞先生親自翻譯。航天771所創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域29項(xiàng)第一，某些技術(shù)在國(guó)際上也是一流的，舉三個(gè)例證。

例證1：航天771所前身156工程處1965年成立，而且單位以只爭(zhēng)朝夕的精神發(fā)展著我國(guó)的航天微電子和計(jì)算機(jī)事業(yè)。雖比美國(guó)1957年創(chuàng)立的仙童半導(dǎo)體公司晚八年，但相比于同樣從事計(jì)算機(jī)芯片開(kāi)發(fā)的1968年才成立的Intel公司，則早了三年時(shí)間。

例如2：沈緒榜院士1977年研制出了16位NMOSVLSI CPU芯片，而相比于Intel公司1978年才推出的16位CPU芯片8086，則早了一年時(shí)間。

例證3：晶體管模型參數(shù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取技術(shù)是由居悌研究員于1981年完成，1982年在國(guó)際期刊上發(fā)表，而美國(guó)1982年才開(kāi)始這方面的研究，相差了幾年時(shí)間。1986年，居悌僅以副教授的身份受到美國(guó)科學(xué)院的邀請(qǐng)，赴美進(jìn)行技術(shù)交流，并在伊利諾伊大學(xué)講學(xué)(圖2)。

目前，航天771所總部由臨潼遷到西安市區(qū)，多個(gè)科研和生產(chǎn)區(qū)分布于西安市碑林區(qū)、高新區(qū)、臨潼區(qū)、長(zhǎng)安區(qū)。在崗職工達(dá)到5300多人，其中各類專業(yè)技術(shù)人員2649人，高級(jí)職稱以上660人。涌現(xiàn)了全國(guó)勞動(dòng)模范、“百位感動(dòng)中國(guó)人物”羅健夫,中國(guó)半導(dǎo)體專業(yè)著名專家、俄羅斯外籍院士黃敞，中科院院士沈緒榜、沈天惠等一大批科技精英和模范人物。全所形成了計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體集成電路和混合系統(tǒng)集成三大專業(yè)優(yōu)勢(shì)齊頭并進(jìn)、軍民融合、科學(xué)發(fā)展的良好格局。

55年來(lái)，航天771所先后承擔(dān)了國(guó)家220多個(gè)重點(diǎn)工程及武器型號(hào)的計(jì)算機(jī)、集成電路、混合系統(tǒng)集成產(chǎn)品的研制配套任務(wù)，創(chuàng)造了我國(guó)計(jì)算機(jī)和集成電路發(fā)展史上的29個(gè)第一。其中中國(guó)計(jì)算機(jī)方面的4個(gè)第一是，1966年，第一臺(tái)全國(guó)產(chǎn)雙極型集成電路微型計(jì)算機(jī)；1970年，第一臺(tái)全國(guó)產(chǎn)PMOS集成電路微型計(jì)算機(jī)；1977年，第一臺(tái)全國(guó)產(chǎn)16位VLSI微型計(jì)算機(jī)；1981年，第一臺(tái)全國(guó)產(chǎn)CMOS抗電磁脈沖加固微型計(jì)算機(jī)。

航天771所是我國(guó)唯一融合了半導(dǎo)體集成電路、微型計(jì)算機(jī)和混合系統(tǒng)集成三位一體的大型研究機(jī)構(gòu)。它幾乎與國(guó)外同時(shí)期起步，是我國(guó)航天微電子和計(jì)算機(jī)的先驅(qū)者，是支撐我國(guó)航天軍工事業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的主力軍，也是全球IT百?gòu)?qiáng)企業(yè)中興通訊的創(chuàng)辦單位。

航天771所同時(shí)肩負(fù)著計(jì)算機(jī)和集成電路領(lǐng)域的人才培養(yǎng)任務(wù)。55年來(lái)，該所共培養(yǎng)了研究生350多名，其中，博士生150多名。在黃敞、沈緒榜、沈天慧等老一輩科技工作者的奉獻(xiàn)精神感召下，所風(fēng)純正，人才輩出。畢業(yè)的具有深厚專業(yè)底蘊(yùn)、又有愛(ài)國(guó)敬業(yè)情懷的行業(yè)精英不勝枚舉，戴文華、武平、趙元富、陳南翔、馬光悌、龔龍慶、陸鐵軍、任文杰、張興、王新安、趙秋奇、陳嵐、朱向東、史君、于敦山、馮建華、蔣安平、梁松海、錢剛、李莉、張國(guó)新、李劍川、楊豐林等是筆者熟悉的部分畢業(yè)生，抱歉不能列出全部的研究生優(yōu)秀代表。無(wú)論在芯片設(shè)計(jì)、制造工藝、設(shè)備和材料、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成等行業(yè)，還是在政府、高校和科研院所，到處有曾在航天771所學(xué)習(xí)或工作經(jīng)歷的驪山人，他們是微電子、計(jì)算機(jī)和混合系統(tǒng)集成領(lǐng)域的多面手，在各自崗位發(fā)揮著重要作用，為祖國(guó)貢獻(xiàn)著聰明才智。因此，航天771所也被譽(yù)為中國(guó)芯片和計(jì)算機(jī)行業(yè)的“黃埔軍?！?/strong>。