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高性能低功耗是中国芯趋势


http://www.sina.com.cn 2006年08月17日 11:23 计世网

  毛江华 刘学习

  计世网 2006年上半年,业界对芯片业的关注简直可以用“烈火烹油”一词来形容,在Intel和AMD真假双核口水战引发对新技术和新工艺思索的同时,两桩丑闻接连给中国芯片业蒙上阴影,先是“汉芯造假”,后是“方舟3号搁浅”。

  尽管近年来中国半导体产业发展速度很快,但是提到作为现代IT技术的核心DNA的芯片,话题依然会令人沉重:技术缺失、人才不足,产业化难成型。究竟是什么卡住了中国“芯”的脖子?“芯”技术将走向何方?近日,计算机世界报总编辑董凯虹就这些问题与中国IC业的奠基者、中国科学院院士李志坚进行了深入交流。

  科学发展观需落到实处

  主要观点

  “汉芯造假”在科技界轰动但不普遍,比较普遍的问题是“部分夸大”现象,浮躁和急于出成果是“部分夸大”现象出笼的温床;科学发展观需要落到实处,具体包括科研机制、评估体系的科学与严谨。

  董凯虹:作为中国IC业的重要奠基者,你在上个世纪50年代末将

半导体研究带回中国,建立了我国第一条硅工艺生产流程线。而最近,却有两起海外归来的科技工作者使得整个IC业蒙耻——“汉芯造假”和“方舟3号搁浅”,你如何看高科技界存在的造假问题?

  李志坚:“汉芯造假”非常轰动,但这样的完全造假是极端的个案,并不普遍,大多数中国科技工作者还都是在兢兢业业地工作。

  如果说在科技界的确存在问题,那比较普遍的是“部分夸大”现象,就是对科研成果的描述或鉴定不那么实事求是,动不动就是达到“世界领先水平”、“国际先进水平”。事实上,“世界领先水平”、“国际先进水平”不是说达到就能达到的,譬如说芯片,Intel可以说是“世界领先水平”,AMD可以说是“国际先进水平”,而我们可能只是在某些点上有些新的突破,距人家的整体水平还是有差距的。

  “汉芯”是绝对作假,问题在于它不止一次地造假,为什么有关部门和基金会给那么多钱?这一方面暴露了体制上存在的监督管理问题,另一方面也反映了追求政绩者的浮躁心态,只要能出成果我就投钱去。

  至于“部分夸大”的现象,则是和整个评估鉴定的风气相关。在某些程度上讲,评估鉴定会不过是走走形式而已,对于参与评估的人来说,现在给别人打分,以后别人要给自己打分,给别人打分也就是给自己打分;还有,整个评估鉴定的体系不科学,缺乏统一和具体的评估鉴定标准。

  董凯虹:看来,科研评估鉴定体系的不完善,急于出成果的浮躁心态,是夸大科技成果和科技造假现象滋生的温床。在你看来,一个比较客观的科研成果鉴定会应该怎样做?我们该如何避免这种急于出成果的浮躁心态?

  李志坚:真正的科研成果鉴定会应当由产业来做,由产品和市场来鉴定;当然,技术鉴定也是要做的,但一定要严谨与科学。技术鉴定应当从一大堆产品中挑出产品,进行抽样测试,专家开鉴定会时,面对的只是样品显然是不科学的。其实国家早有规定,参与测试和鉴定的高科技产品,一定要有产值。

  浮躁心态的形成在一定意义上和我们机制和体制的不完善有关。譬如对政府官员的考核,是要看3~5年的业绩。引进外资,做做市政建设,3~5年能体现出来;而搞微电子难度要大得多,需要大批资金,需要发改委、

财政部等部委想办法协调,3~5年内难出成绩,因此很少有人能沉下心去做;再加上有些外行领导和外行评价,使高科技领域中也形成了一种追求表面业绩的浮躁心态,个别项目,有可能是领导大笔一挥,几亿元就出去了。

  我认为在科技界,科学发展观不应该只是口号,而应该克服困难将其落在实处,具体包括完善科研体制,建立严谨的科技评估鉴定体系。

  战略驱动而非市场驱动

  主要观点

  CPU是一个综合实力的反映,在通用CPU上去寻求突破非常困难;近年来中国芯片业发展迅速,但根本性弱点并未克服;包括芯片业在内的高科技产业要靠战略驱动而并非只是市场驱动。

  董凯虹:正如你前面所提到的那样,搞微电子3~5年内很难出成绩。不过据我所知,在你的带领下,早在上个世纪五六十年代,我国就建立了第一条硅工艺生产流程线;1965年,中国科学院就开始对微电子核心技术进行了比较深入的研究。当时我国台湾地区和韩国还完全没有自己的集成电路研究和产业,但是他们今天已把我们的研究工作和产业远远地抛到了后面,这是什么原因?

  李志坚:这个原因比较复杂。我国对于集成电路的研究虽然开始很早,但是缺乏长期的系统的战略规划,因此,我们的科研仅仅是在某几个点上取得了标志性成功,而缺乏面的突破。譬如说,我们的研究只是以不同的项目得到国家相关部门的支持,也就是说在几个点的研发上获得了资金的支持,而要发展整个集成电路产业并没有上升为一种国家行为,因此,我们在一些后续研发中表现得缺乏后力。

  比如,我们曾经做出了1微米的技术,但是当我们要继续做0.5微米技术的时候,就没有后续资金来支持,这样就导致了科技成果仅仅成为我们进行技术引进时谈判的一个筹码,迫使对方降低卖给我们的价格。但是一旦技术引进了,成果也就销声匿迹了,没有机会得到工业化的验证。事实上我们不得不承认,达到同样技术指标的成果,我们做出来的与别人做出来的还是会有很大差距的。

  董凯虹:为什么同样技术指标的成果,我们做出来与别人做出来的还有很大差距呢?“龙芯”的出现是不是有可能改变这一状态呢?近年来,我们同别人的差距是增大了还是缩小了?

  李志坚:我国微电子发展的最大问题是将硅的基础技术同CPU的结构发展隔离开来,没有很好地结合发展。Intel也好,TI也好,都有自己的硅工业生产线,有自己的人才配套体系;而我们技术工业基础则远远不够。同样的设计,结构甚至比别人还好,但固化成芯片时,却要借助别人的数据库和生产线,当然要比别人的研发速度慢、成本高、功能差。

  事实上,生产集成电路的原料是硅、铝、某些化合物和一些普通气体,材料并不贵,但是建立集成电路的投资是相当巨大的。一是制造集成电路对所有的设备都要求很高,集成电路的生产大多是从硅片制备开始的,硅片的制备需要专门的设备和严格的生产条件。二是制造集成电路的过程相当复杂,保证工艺质量需使用大量昂贵的设备,在微小的面积上制出晶体管、电阻、电容而且按要求连成电路已属不易,而在一定面积的硅片上制造出性能一致的芯片则更加困难。

  因此CPU是一个综合的反映,除了微结构设计外,还有包括硅的基础技术等等。不可否认中国CPU在这几年的确发展得很快,譬如中科院计算所的“龙芯”。但是我们不能看得太简单,认为我们的CPU已经同别人差距不大了,可以挑战追赶Intel了,事实上,“龙芯”的生产和加工还得依靠台湾省。中国芯片业近年来发展迅速,但根本性的弱点并未克服。

  董凯虹:芯片生产线投资相当巨大,如果无法实现大批量生产,投资将无法得到回报。问题的关键是,大批量的通用CPU早已被Intel们占据了天下。在我国投资做CPU生产线的,包括在海外上市的华人公司中芯国际还依然在亏损。我们究竟该如何实现CPU的产业化突围?

  李志坚:在Intel占主导地位的通用CPU领域去实现突破,难度非常大。日本、欧洲的发展就充分证实了这一点。客观地讲,CPU发展靠市场驱动是不现实的,况且中国的市场只有这个水平,要完全靠市场驱动去实现信息产业的跨越式发展绝无可能。

  我一直认为,在高科技领域对研发的成果不能过于功利。CPU的发展需要以国家战略作为驱动力,以战略驱动研究与开发,再来推动应用的发展。事实上,美国高科技产业的迅猛发展也是美国政府战略驱动的结果,新中国基础工业的构建也同样如此。

  高性能低功耗是“芯”趋势

  主要观点

  多核将成为几年内提高CPU性能的重要途径,但功耗问题的存在表明CPU并非核越多越好;降低功耗也是CPU的一个重要发展方向;电子信息技术将进入“后摩尔”时代。

  董凯虹:最近的一些迹象似乎表明,CPU技术正在进入到一个敏感的变革期,随着Intel与AMD陆续推出各种双核CPU新品,以及国内外多家厂商的积极跟进,“双核”正在普及,而“多核”CPU也在不断涌现成为新的亮点。究竟什么是双核技术呢?在未来,多核CPU是不是提高CPU计算性能的主要途径?

  李志坚:双核(多核)CPU就是一个芯片内含有两个(多个)指令执行引擎协同工作的CPU。两个(多个)处理核心在共享芯片组存储界面的同时,可以完全独立地完成各自的工作,从而能在平衡功耗的基础上极大地提高CPU性能。

  事实上,将两个处理器内核放到一个物理核心之上的双核技术并非新技术。早在上个世纪末期,高端多处理机服务器开发者,比如HP、IBM等支持RISC架构的高端服务器厂商就已经提出此类可行性设计,并且成功推出了拥有双内核的HP PA8800和IBM Power4处理器。但是当时RISC架构的服务器价格很高且应用面窄,没有得到广泛应用。

  眼下正在普及的双核技术,主要是指基于X86开放架构的技术。由于x86双核处理器的应用环境已经开始成熟,目前大多数新的或者即将发布的应用软件都对并行技术提供了支持,整个软件市场其实已经为多核心处理器架构提供了充分的准备,从这一点来讲多核将成为VLSI发展的又一次重要转折,成为几年内提高CPU性能的重要途径。但是其最大的挑战是处理器功耗问题,性能增强了,能量消耗却不能增加,因此降低功耗也是CPU一个重要的发展方向。

  董凯虹:CPU的发展的确无法回避功耗问题。到今天微处理芯片已走过40年历程,基本上都是按照著名的摩尔定律在发展。但是,随着芯片中的晶体管集成度越来越高,工作频率和计算速度越来越快,芯片的功耗问题、微加工工艺问题、测试封装越来越难以处理的问题都显现出来,微处理芯片还能按照摩尔定律发展吗?你认为摩尔定律还能延续多少年?现在有没有新的指导产业发展的定律?

  李志坚:几十年来硅芯片上的器件(晶体管)集成密度一直遵照着“摩尔定律”,即每18至24个月翻一番的速度向前发展,这种发展的主要技术基础是集成电路加工工艺的特征线条每代以30%左右的速度缩小和电路的不断创新,与此同时硅晶片材料技术和集成电路加工设备技术也同步发展,以集成电路为基础的微电子产品的性能和功能一代一代地几乎无止境地提高,而价格却一代一代地不断下降。

  尽管这一趋势在一定时间内还可能存在,但传统的硅基CMOS正在接近其极限。随着器件尺寸不断地按比例缩小(Scaling down),一些次级效应(Secondary effects)将会越来越难于克服,晶体管的漏电流不断增大,进而增大晶体管的静态功耗。当这一增大的静态功耗在总功耗中达到一定比例(例如10%)和因漏电流使晶体管的跨导不再大于其输出电导的时候,CMOS开关就不能经常工作,以晶体管缩小达到ULSI发展的策略就会失效,微电子沿摩尔定律的发展就将无法继续。

  因此,摩尔定律将在新的基础上进行伸展进入到“后摩尔”定律,信息、生物和纳米这三大科学技术交叉和相互促进尤其值得重视,一些新兴器件可能成为下一代的微电子技术的支柱。但是,作为经典的、二能级开关,这些新兴器件依然受到量子力学和热力学的限制。但现在看来,在未来10~20年内,新兴器件进入主流尚无头绪。

  李志坚简介:

  李志坚是中国著名微电子专家,中国科学院院士,清华大学信息学院学术委员会委员,博士生导师。先后获得过国家发明奖、国家科技进步奖、陈嘉庚信息科学奖、何梁何利科技进步奖、全国劳动模范等重要荣誉。

  1928年出生于浙江宁波。1951年7月,毕业于浙江大学物理系,师从王琻昌教授。1953年,

留学前苏联,1958年获苏联列宁格勒大学科学副博士学位。1958年初,李志坚学成归国来到清华大学投入到半导体专业创建工作中,用四氯化硅氢还原法获得高纯多晶硅,用自制单晶炉在我国拉出了第一根钨丝单晶硅。1961年,在国内首次研制成硅合金晶体管。1964年又研制成功硅平面高反应晶体器,并开始准备集成电路研制。文革期间,下放四川绵阳。1978年回清华后着手创办清华大学微电子研究所。该所攻克多项技术难题,完成多项国家级、省部级课题。在我国首先研制成高速静态半导体存储器、微处理器等一系列大规模、超大规模集成电路,还发明了半导体高速热处理技术和设备,提出了VLSI系统集成基础技术研究、神经元网格技术、模糊决策论等一系列的理论,创建了脉冲Q(V)和Q(V)瞬态谱法,开展了微电子机械系统(MFMS)的研制,并已取得具有国际水平的研究成果,获得多项美国和中国专利,发表论文多篇。

  采访手记

  大智在德

  在采访李志坚院士前,我以为,一位曾经受过文革磨难的老科学家,会如一叶孤帆远离喧嚣的港湾,对于其研究领域外的“世事”,即使还“敏于行”,但一定会“讷于言”。

  但让我吃惊的是,李志坚院士和我的想像反差比较大。他说话严谨却绝非慢条斯理,对学术界、科技界由浮躁风气和体制不完善所滋生的“造假”与“夸大”知无不言,而且一针见血。

  “‘汉芯造假’和当事者人品有关,他必将遭到法律的制裁。”李志坚说,“但最值得引起我们警惕和思考的是,不是一次造假,而是几次造假;受骗投钱的不是某一个部委,而是几个部委员和政府机关,体制缺陷和追求政绩者心态浮躁是‘造假’滋生的根源。”

  在李志坚看来,如果没有一个科学的体制和机制,科学发展观将很难落到实处,而成为一句空话。“落实科学发展观是非常有必要的,且任重道远。”

  作为一位在高科技领域奋战几十年的老兵,78岁的李志坚认为,做学问一定要沉得住气,耐得住寂寞,耐得住清贫。李老几十年如一日的学习道路已充分证实了这一点。

  在日寇入侵时期,李志坚随家人逃到了鄞县陶公山里,坚持自学,日寇投降后,他居然考入了高中;1953年,李志坚去列宁格勒大学留学时,师从著名科学家列比捷夫,没学过俄语的他,硬是把老师给的一批书啃下,半年后通过了语言专业考试。在文革时期下放到绵阳期间,李志坚还是没有放下他所专注的半导体专业,坚持看书学习。

  提起自己的某个学生,没有坚持到出科技成果的那一天,为追求高收入,匆匆投身到一家外企,李志坚唏嘘不已。事实上,在清华的几十年,李志坚在为我国的半导体和微电子事业中做出卓越贡献的同时,一直在呕心沥血地为祖国培养了一大批栋梁之材。

  从清华大学建立起微电子专业起,李志坚一直坚持担任“半导体物理”的主讲老师,这是半导体专业大学生的专业基础课,他还指导、培养了一批又一批的硕士生、博士生,可谓桃李满天下,而且名师出高徒,他有两位学生已当选为中国科学院院士。

  “大智在德”,这是我在反复听李志坚院士谈话录音时,在脑海中不断涌现的一个词。(文/毛江华)

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