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发信人: popstar (泡泡斯达￥集中注意力), 信区: METech
标  题: 微电子技术智能产业革命的需要 
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Jun 27 19:09:40 2004), 转信

沈绪榜 1957年毕业于北京大学数学力学系计算机专业。1997年当选为中国科学院院士。现任西安微电子技术研究所研究员、博士生导师。

　　1957年到1965年在中国科学院计算所从事通用计算机设计。1965年开始从事嵌入计算机及其国产芯片实现的设计。1967年到1977年间设计了我国第一台国产TTL小规模集成电路嵌入式计算机，第一台国产PMOS中规模集成电路嵌入式计算机，以及第一台国产NMOS大规模集成电路专用16位微计算机。20世纪80年代，系统地研究了数字信号处理计算机的体系结构，完成了四种数字信号处理芯片的研制。1986年被授予“国家级有突出贡献中青年专家”称号。1995年设计并研制了一种定点32位RISC微处理器芯片。1998年完成了两种嵌入式大规模并行处理MPP芯片的设计。2000年完成了1024与4096个处理元的嵌入式MPP计算机的研制。现正在从事多种VLSI芯片及其计算机的研制工作。

　　微电子技术是信息产业革命的技术基础，也将是下一次，也就是第三次产业革命的技术基础。我国信息产业的瓶颈主要体现在微电子技术水平的差距上。只有从设计、制造与应用三个方面实行策略联盟，协调发展微电子技术，才能为我国的信息产业的迅速发展，并为第三次产业革命打下坚实的可持续发展的技术基础。


　　信息产业的技术基础


　　信息产业的发展和其它产业的发展一样，都取决于科学技术的发展水平。世界科学技术发展的历史表明，每一次产业革命，都是以物质机器的发明为基础的。第一次产业革命的物质机器是蒸汽机，使人类进入了工业时代；第二次产业革命的物质机器是以微电子技术为基础的计算机，使人类进入了信息时代。从机器发展的角度来看，今天人类已经从物理机器的时代，走到了信息机器，也就是计算机的时代。从科学发展的角度来看，人类已经从物质科学时代进入到了信息科学的时代。信息论、控制论、系统论等可以归入理论信息科学的范畴；计算机技术、通讯技术、控制技术等则可以归入技术信息科学的范畴。

　　我国信息产业的发展现状是：我们可以研制出很高性能的计算机和通讯与家电设备，就是缺少核心的东西——国产的“芯”片；我们可以研制出各种绘图机，缺少的也是核心的东西——国产的喷墨“头”；我们可以研制出多种多样的嵌入式遥感系统，缺少的也是核心的东西——高性能的国产传感“器”。归根到底，我国的信息产业的发展，与国外的相比，不足的根源就是微电子技术的差距太大。

　　信息产业的物质机器——计算机是由硬件与软件两部分组成的，而软件是在硬件的限制下发展的，即硬件的水平将决定软件所能达到的水平。特别是现在，科学工作者正在把生命作为一种智能计算机来理解的时候，第三次产业革命的物质机器，估计将是全面具有类人智能的计算机。它不仅在计算速度上将达到并超过人脑的2亿亿次计算速度，而且还具有类似人脑那样的智能，以及类似五官系统的“眼、耳、鼻、舌、身”等。这些能不能仅仅通过常说的计算智能（Computational Intelligence）的形式体系，也就是基于连接机制和基于进化机制的人工智能形式体系就能解决，还很不清楚。人们正在从纳米技术、生物技术、MEMS技术与机器人技术等多方面进行探索，希望能从原子和分子级的设计上来实现第三次产业革命，使人类进入智能时代。


　　微电子技术是无法回避的


　　作为现代信息产业技术基础的微电子技术，包括芯片制造技术与设计技术，主要体现在加工设备、加工工艺、封装测试、批量生产以及设计创新的能力上。加工设备的能力可以从硅圆片的尺寸大小与硅芯片的特征线宽水平来衡量。目前，芯片加工设备正在从200毫米硅圆片加工设备向300毫米硅园片加工设备过渡。从芯片特征线宽来看，目前0.13～0.25μm芯片已进入批量生产阶段，半导体设备厂商正在积极进行努力，研发100nm技术的加工设备。芯片厂商不仅在继续缩小芯片的特征线宽，以提高单功能芯片的集成度；而且早在开发能在一块芯片上集成多种功能的加工工艺，将应用系统集成在一块芯片上而成为系统芯片（SOC）。要发展我国的信息产业，有关微电子技术的这些问题都是要尽快解决才行的。

　　为了迎接下一次产业革命，人们也早已在加速改进为实现纳米技术目标所需的工具。1981年，IBM公司发明了“扫描探测显微镜”（SPM），使技术人员能够通过一个超级尖端来施加电压，从而移动原子。“原子力显微镜”也是由IBM公司开发的，它能够生成单个原子的表面状态图像，科学家们因而可以获得有关物质如何运动和在原子及分子水平上相互作用的新知识，这意味着他们现在能够把不同的分子彼此连接起来。由于纳米技术是在原子与分子级上进行设计来实现人们所希望的类生物智能产品的，人们预计它将使人类从信息时代进入智能时代。由于第三次产业革命的科学技术：光电子学、纳电子学、分子电子学和量子信息等，都需要采取由微电子产业发展起来的半导体微加工工艺技术，微电子技术不仅是信息产业革命的需要，也是下一次智能产业革命的需要，所以发展微电子技术是无法回避的。


　　自主芯片设计是无法回避的


　　近些年来，由于芯片的集成度已经上升到硅衬底能代替印制板（PCB）的地步，过去用若干物理组件在PCB上实现的复杂的电子系统，现在已能用若干IP（Intellectual Property）核在硅衬底上实现，微电子技术已经从VLSI走向系统芯片SOC（System on Chip）的新阶段。PCB系统的设计与验证主要是PCB上物理组件之间的相互作用的设计与验证，而不是物理组件本身的设计与验证。物理组件一般是只能选用而不能修改的；如果没有合适的物理组件可用来实现系统的功能时，则就要进行相应物理组件的ASIC或FPGA设计。对SOC来说，由于组成它的IP核具有可修改性，因此在当前的SOC设计中，利用了IP核的可修改性而带来的灵活性。但IP核的这个与物理组件在应用上的差别，不仅带来了SOC设计与验证的复杂性，而且也形成了提高SOC设计效率的障碍。那么，能不能使SOC的设计与PCB系统的设计类似，只有以IP核的合并与互连布图来验证呢？在SOC设计中要实现PCB系统设计中物理组件只能选用不能修改的原则，也就是相当于要将IP核设计成一种只需选用不需修改的可重用IP核。像PCB系统通过物理组件的积累形成物理组件库那样，对于SOC也要通过IP核的积累形成IP核库。顺便指出，IP核是可以参数化的，利用这一点，可以提高它的派生能力。还有，总线是PCB系统通信的主要结构，在SOC中也需要采用这样的技术。总之，要参照PCB系统的设计策略，就是要像物理组件的设计与PCB系统的设计能分开进行那样，按照即插即用的SOC设计目标，IP核的设计与SOC的设计也应该是能分开进行的。实现的关键就是如何能建立一些不需修改就能重用的IP核，以及如何使这些IP核适合应用领域的要求，能构成优化的SOC产品。换句话说，为了充分利用设计重用的好处，必须考虑两个方面：一是可重用构件的设计；二是重用已有构件的新系统的设计。

　　现在国内已经有用国外的IP核进行SOC芯片设计的。如果总是这样做，那么我们的SOC芯片设计就要受制于人的IP核上，就相当于现在总是用国外的芯片进行计算机设计，受制于人的芯片上一样，也是会妨碍我国信息产业的发展的。所以，自主设计芯片是无法回避的。


　　大竞争需要大联合


　　现在，半导体工业作为信息产业的技术基础，在世界范围内已处于激烈的竞争之中。美国的微电子工艺和加工设备是领先于各国的，但20世纪80年代曾被人超过。为此，美国成立了半导体工艺联合体，花了几年时间又重新领先。日本的水平仅次于美国，是花了一二十年的努力达到的。为了提高国际竞争能力，日本正在通过实行半导体联合突围的策略联盟及合并等方式，争取重新成为全球半导体产业的领先企业。今年1月4日，NEC、日立、三菱电机等11家日本半导体制造商就联合宣布，计划合资成立生产新一代半导体的公司，采用0.1微米或更先进的制造工艺，为共同出资的半导体厂商生产半导体，预计产品以能处理大容量数据的系统芯片为主。还有，东芝、富士通于3月21日共同宣布，双方计划成立半导体策略联盟，共同开发并生产芯片。几乎在前两桩合作宣布的同时，3月22日，日本五大芯片业巨头联合，着手开始一项由日本政府支持的下一代半导体制造技术研究计划，以便在政府支援下共同开发新一代芯片。目前在日本半导体业界,各大公司甚至还在酝酿一个更加宏大的构想,将各公司的半导体业务部门合并成1到2家公司,以此来提高国际竞争力。

　　要使我国的信息产业发展到具备与外国公司竞争的能力，我们不仅要对关键的半导体加工设备，从以购买为主，走向以制造打破垄断，对芯片设计与制造，要从以跟踪仿制为主，走向以创新开拓未来，而且还要从设计、制造与应用三个方面，实现行业内的与跨行业的策略联盟，协调发展信息产业技术，才能真正确保我国信息产业的顺利发展，并为第三次产业革命打下良好的技术基础。




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