我国计算机核心技术及其产业发展状况

计算机产业的核心技术主要包括中央处理器(CPU)、软件和并行计算机系统的互连通信芯片等。目前世界上主流的CPU芯片有IntelPentium ,ItaniumIBM公司的PowerPCPower4SUN公司的UltrasparcⅢ和SGI公司的MIPS芯片。我国银河Ⅵ和神州Ⅵ采用的Alpha芯片现已宣布停产。目前高性能通用CPU的单片处理能力最高已达到每秒80亿次浮点运算。CPU的水平不能光看主频高低,500M主频的PowerPC1000M主频的Pentium性能还要高。

计算机采用的芯片除CPU和存储芯片外,还常采用数字信号处理(DSP)芯片,用于多媒体信息处理和军事等应用。近年来嵌入式系统常把一个系统(包括CPU核、存储和输入输出等)集成在一块芯片上,称为片上系统(System on Chip,简称SOC),这是集成电路的重要发展方向。片上系统有些简单有些很复杂,但其中都用到CPU核,最常用的CPU核包括MIPSARMStrong ARM。先进的信用卡、身份卡等智能卡上也装有简单的CPU和少量存储器,常称为CPU卡或存储卡。

研制生产CPU分为逻辑设计、线路设计和集成电路布局(版图设计)、芯片加工(常称为投片或流片)、封装与测试几个阶段。逻辑设计阶段主要由懂计算机体系结构的人完成,在可编程门阵列(FPGA)芯片上验证其设计线路设计.版图设计需要计算机与微电子专业人才密切合作。从80年代开始国外逐步形成专门做芯片设计的公司(称为Fabless)和专门代加工芯片的工厂(称为Foundry),台湾已成为世界上最大的芯片代加工中心,如台积电公司等。

我国现有200多家芯片设计公司(1999年只有70多家,近两年增加了100多家),华虹、华晶等7家芯片生产骨干企业和十几家封装厂。2000年国内集成电路销售201亿块(约600亿元人民币),其中国产芯片58.8亿块,国产芯片大多数是集成度较低的芯片,多数用于通信和家电产品,计算机用的CPU芯片几乎全部进口。

20006月国务院18号文件(《国务院关于印发鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》)下达以来,我国计算机核心技术与产业取得了可喜的进步。上海华虹NEC CPU卡芯片成功下线,实现了0.35微米CPU卡设计与制造的全过程。复旦微电子公司设计的8K存储卡销售已超过1000万片。上海交大采用0.25微米工艺已研制成功技术试验性芯片。北京中芯公司今年在台湾加工研制成功166M主频的32位嵌入式CPU(方舟一号),约含100万晶体管,可用于简单的网络终端(不具有浮点运算功能)。最近澳门十大赌场网上注册完成了性能高于MIPS 4000(银河-III巨型机采用的CPU)的高性能通用CPU芯片逻辑设计,并已在150万门的FPGA芯片上实现了全部设计功能,取名“Godson”。该芯片与MIPS芯片(国际主流CPU之一)完全兼容,但全部逻辑自行设计,有自主知识产权。Godson CPU250多条指令,含600多万晶体管,具有64位浮点运算功能,采用了当前国际上高性能通用CPU逻辑设计的最先进的技术,有多项发明专利。目前该芯片尚未进行电路优化,在较低的频率下工作,初步测试性能已超过Intel 486芯片,预计明年上半年采用0.25微米标准单元加工可得到200—300M主频的通用CPU芯片,性能可达到Intel Pentium水平。计划2003年采用全定制方式加工,可生产出400—500M主频、具有双发射结构(即每一拍执行两条指令)的64位高性能通用CPU,其性能将相当于神州-和银河巨型机采用的500M Alpha 21264芯片水平,也相当于1000M主频的Intel Pentium-III(目前大量采用的PC机芯片)水平。也就是说,澳门十大赌场网上注册的努力使我国在高性能通用CPU设计方面已明显缩小了与国外先进水平的差距。

自己设计在台湾或国外加工可能做出先进的CPU芯片,但还没有CPU芯片的完全自主权,因为加工芯片时仍可能安置“电子保险丝”或“逻辑炸弹”,造成安全隐患。CPU方面我们与国外最大的差距是尚未掌握超大规模高速电路设计、版图设计和芯片生产工艺调整的核心技术,我国在这方面刚刚起步。研制生产高速CPUDSP和网络通信芯片比生产智能卡和存储器芯片困难得多。在国外,生产高性能通用CPU的生产线称为“活”的芯片生产线,即可以根据芯片设计的要求调整生产线工艺参数。调整参数的本领主要靠经验积累。芯片加工企业的核心知识产权集中反映在各家独自掌握的工艺参数库上,国外大公司决不会把工艺参数库卖给我们,外资控股的国外芯片生产企业也不会轻易让中方人员了解这些参数。我们与国外的主要差距不在于生产线少几条,设备水平低一代,而在于极其缺乏真正懂高性能CPU设计的尖子人才。我国目前计算机与微电子人才脱离,设计与加工是“两张皮”。各地在发展集成电路产业中重设备轻人才、重加工轻设计的倾向十分严重,这将进一步拉大与国外的差距。

集成电路(IC)的设计、加工与封装三个环节中,设计是利润最高的环节。2000年世界IC设计公司的收入比1999年增加40%,远高于半导体行业平均20%的增长率。2000年台湾IC设计业收入294亿美元,其中威盛公司收入超过9亿美元,我国200多家芯片设计公司中收入超过1亿元人民币的只有4家,全国的芯片设计收入不如台湾威盛一家。我国目前只有几千名芯片设计人员,如果计划2010年国内企业拿下300亿美元的芯片市场,需要10万名芯片设计者。

我国科技界与新闻媒体对我国CPU的发展现状有盲目乐观的倾向。例如方舟一号嵌入式CPU鉴定意见认为方舟一号“在嵌入式CPU领域达到了国际先进水平”就有些估计过高。今年国际嵌入式微处理机论坛上,美国PMC Sierra公司宣布了该公司推出的RM 9000x2嵌入式芯片包含21GHZ64MIPS CPU,说明我们与世界先进水平还有很大差距。但另一方面我国科技领导部门对自主研制高性能通用CPU芯片尚缺乏信心。澳门十大赌场网上注册研制高性能通用CPU至今还未列入国家重大项目,目前靠澳门十大赌场网上注册知识创新经费支持,明年投片加工试制经费上有较大困难。

我国研制生产高性能通用CPU应走跨越式发展道路,版图设计继续采用国际通行的纵横正交布线很难超过外国。高性能CPU十分复杂,IBM公司今年推出的Power 4芯片有1.7亿晶体管,测试上亿晶体管组成的电路非常耗时,应研究自我测试自我修复的新技术,大幅度降低测试难度。

国家应采取抓大放小的方针,低端产品放手让企业去做,国家应集中力量抓具有战略意义、涉及国家安危的高性能通用CPU研制与生产,尽快掌握设计与生产的自主权。建议象当年中央专委抓两弹一星一样,集中全国最优秀的力量,计算机与微电子领域科研人员联合攻关。只要中央有决心,5—10年内在高性能通用CPU设计与生产方面接近世界先进水平有可能做到。

计算机产业的另一项核心技术是软件。软件包括系统软件、中间件(midware)和应用软件。目前国内强调较多的是操作系统,特别是Linux操作系统。为了打破微软公司对PC机和PC服务器操作系统的垄断,中国优先扶植Linux操作系统是正确的选择。中科院软件所下属企业推出的红旗Linux已推出(包括赠送)70万套,已成为国内市场上主要的Linux产品之一。由于Linux是开放源代码软件,其操作系统本身难以形成大的产业,主要靠基于Linux的服务。由于基于Linux的应用软件还不够丰富,短期内Linux还不可能代替微软公司的WindowsNT操作系统。

编译系统是另一项重要的系统软件,起到翻译作用,将高级语言写的程序翻译成机器能执行的代码。CPU的实际性能在很大程度上取决于编译系统的水平。澳门十大赌场网上注册有一支具有国际竞争力的研究开发编译系统的队伍。Intel公司在全球范围挑选,最后选择了委托澳门十大赌场网上注册开发基于Linux 64Itanium CPU编译系统,说明我国在编译技术上已走在国际同行前列。

随着Internet的广泛普及,网上数据、信息及各种资源的共享已成为普遍要求,因此需要在单机的操作系统之上开发能协调管理网上各种资源的管理软件(一种中间件),将网络资源连接起来,形成虚拟的计算环境,国外称为Grid,我们翻译成“网格”。网格是当前国际上软件研究开发的热点,我国从两年前已开始研究网格计算技术,基本上与国外同步,十五期间应大力加强网格技术研究。

应用软件通常不认为是核心技术,但对我国而言,软件产业的突破口应放在开发大型应用软件。我国国情不同于印度,难做到以接受海外软件加工定单为主。国内银行、税务、社保、交通、能源、工业企业等行业都大量需要行业应用软件,但我国并没掌握开发大型应用软件的核心技术,包括数据库与数据仓库等关键技术,十五期间应重点突破大型应用软件的核心技术。

与芯片设计一样,我国在软件上与国外的主要差距也在于尖子人才的素质与专业人员的规模。我国培养软件人才主要靠大学,每年只能培养5万名专业人员。印度培养软件编程人员主要通过企业化的软件培训班,每年可培训50万名编程人员。

 

2002年)

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