集成电路技术十年发展报告.docx

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集成电路技术十年发展报告

集成电路技术十年发展报告

集成电路技术十年发展

2012-11-2717:

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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、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）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CPU

CPU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，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”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，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，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，形成了完整的软件工具链，破解了国产嵌入式CPUIP核产业化应用的难题。

C*300、CK500和CK600系列嵌入式CPU的应用领域包括：

数字音视频类：

包括数字电视及机顶盒、安防监控等；信息安全类：

包括加密网络、商用金融设备、信息安全终端；消费类电子产品及医疗电子；工业控制类、通讯类的多种应用。

　　CK500系列和CK600系列嵌入式CPU是基于M*Core指令自主研发的嵌入式CPU。

CK500微体系结构包括：

精简指令集计算机结构（RISC）；16位高代码密度指令集；32位地址与数据通路；单发射，乱序执行，按序退休，具有7级流水线；大部分指令在一个CPU时钟内完成；高度硬件可配置；两级转移预测；AMBA内部总线与接口；支持大端（BigEndian）与小端（LittleEndian）；支持3种低功耗模式；支持硬件调试模块；支持普通中断和快速中断；CPU性能达到1.1DMIPS/MHz。

　　CK600是一款具备较高性能的嵌入式CPU，采用双发射超标量架构，主要面向中高端嵌入式应用，具有高性能、低功耗和高代码密度等特征。

CK600系列处理器主要包括CK610、CK610E、CK610S、CK610M、CK610-F、CK620和CK610ESM-F等多种配置型号。

CK600和CK500在指令和工作环境上全兼容。

CK600的微体系结构包括：

RISC体系架构；16比特指令，32比特地址与数据通路；8级流水线，双发射架构；2个ALU，2个Shifter，1个MAD和1个LSU；哈佛结构两路组相连指令和数据Cache；两级转移预测，2Kb分支历史表（BHT）；非阻塞指令发射和数据Cache访问机制；数据Cache写回和写通动态可配置；乱序随机执行和硬件保留栈；返回地址预测，4入口硬件返回地址栈；内部双通用数据总线（CDB）；数据宽度可配置的AHB/AXI内部总线接口（32/64/128）；可扩展的协处理器接口；CPU性能：

1.82DMIPS/MHz。

　　CK500与CK600系列嵌入式CPU形成了完整的开发工具链和软硬件环境，以支持基于各系列嵌入式CPU核的SoC产品开发。

主要包括CKCoreCPU软件开发套件、CKCore编译、链接和调试工具链及开发板、硬件仿真器等。

CK系列CPU软件开发套件涵盖了从启动代码和内核移植到应用程序开发调试的所有阶段。

主要包含组件有：

基于Eclipse的IDE；编译工具；全功能图形调试器；软件仿真器；代码示例项目。

　　根据国家新一代信息技术产业和信息化对高水平嵌入式CPU的应用需求，同时体现自主创新、重点突破的战略思路，国家科技重大专项不失时机地部署了面向产业化应用国产自主创新指令体系CPU的研发。

杭州中天微系统公司与浙江大学协同创新，在执行2010-2011国家科技重大专项的任务中成功研发了自主创新指令集系统的32位高性能嵌入式CK800系列CPU。

这是一款基于CKCore自主创新指令架构与16/32位混合指令编码系统，同时设计有高性能矢量DSP运算指令与单精度、双精度浮点指令，CK800系列CPU以先进的指令架构与流水线技术在性能和频率等方面达到业界领先水平。

面向嵌入式系统产品设计的自主创新指令集CPU，将为我国自主创新指令集CPU参与国际竞争开创新的局面。

　　CK800系列嵌入式CPU采用CKCore自主指令系统，具有高性能、高代码密度、低功耗和可扩展等特点。

CKCORE自主指令系统面向未来高性能需求而设计，采用32/16混合指令编码技术，其中：

32位指令功能完善用于提升指令集的综合性能；16位指令是32位指令的子集，功能相对简单用于提升指令代码密度和降低功耗。

　　CK810基于CKCoreV2自主指令架构与16/32位混合指令编码系统。

硬件上采用先进的10级流水线技术与乱序猜测执行框架，具有高主频、高单位性能、高代码密度、高功耗效率等优点。

CK810可应用于新一代移动通信设备、下一代高清数字电视机顶盒、汽车电子等高性能嵌入式应用领域。

CK810系列嵌入式CPU包括针对浮点加强的CK810F、针对DSP运算加强的CK810D及针对多核的CK810MP，CK810性能大体与国际主流的同档次嵌入式CPU相当。

　　CK803是一款高性能、低功耗嵌入式CPU核，可应用于低功耗、高性能、高实时性的嵌入式领域，如微控制器、汽车电子、工业控制、无线网络及各种便携式应用。

CK803采取取指、解码、执行回写3级流水线。

取指阶段设计专用指令预取缓存器，消除32位指令非对齐顺序预取产生的流水线气泡。

设计低成本的分支预测机制，并通过编译器与硬件共同作用提高分支预测的准确率。

精简解码阶段的逻辑与地址计算的优化，实现存储/载入指令的全流水运行。

低成本硬件乘法与除法单元满足简单的算法运算，可配置的多媒体处理增强单元可以处理乘法、乘累加与乘累减DSP运算。

　　CK802具备极低成本、极低功耗和高代码密度等优点。

它以8位CPU的成本获得32位嵌入式CPU的运行效率与性能。

CK802主要针对智能卡、智能电网、低成本微控制器、无线传感网络等嵌入式应用。

CK802处理器采用2级流水线结构。

指令取指阶段主要负责从内存中获取指令，并对16/32位变长指令进行译码、复杂指令拆解和调度指令发射到下一级流水线；指令执行阶段主要负责指令的执行和结果的回写。

CK802中内存数据的存取划分为两个步骤，分别为地址的产生和内存的访问，最快支持在一个时钟周期内完成存储器的访问。

CK802可配置的内存管理单元支持超级用户自定义内存空间的访问权限，权限划分为：

不可读写/只读/可读写，也可以设置为安全区与非安全区。

CK802的硬件辅助调试单元支持各种调试方式，包括软件设置断点方式、内存断点方式、单步和多步指令跟踪等7种方式，可在线调试CPU、通用寄存器（GPR）、协处理器0（CP0）和内存。

CK802同时设计有针对信息安全应用的可配置模块。

　　截至目前，国产嵌入式CPU产业化累计已经实现7000万颗以上的应用。

更可喜的是浙江大学和杭州中天协同创新研发了自主创新的嵌入式CPU指令体系，并已开始支持整机用户研发新一代的SoC，这一重大技术突破将为我国自主创新嵌入式CPU支撑新一代信息技术产业发展写下历史性的一笔。

（二）第三代移动通信芯片

　　近年来，在我国科技工作者坚持不懈的共同努力下，我国的通信集成电路技术和产业取得了长足的进步。

特别是进入新世纪后的十年中，在党和政府的高度重视和强有力的政策支持下，大唐电信和展讯通信等通信专用集成电路企业不断取得技术创新和产品研发的突破，成功研制了我国自主的移动通信终端SoC芯片，并持续不断地向前发展。

近期展讯通信采用40nm工艺研制成功移动通信终端专用芯片，标志着我国移动通信终端SoC迈进国际先进水平，总体技术水平明显提升。

　　“十五”中期，国家“十五”863计划超大规模集成电路重大专项首次部署了自主SoC的研发和攻关课题，由大唐电信牵头，联合展讯通信，根据当时的技术发展条件，针对移动通信终端研制适合我国国情的通信SoC芯片。

2004年，大唐电信率先在国内推出面向通信的综合信息处理器芯片COMIPTM，并由科技部在当年的北京微电子国际研讨会上正式发布。

　　COMIPTM是国内最早实现多处理器架构的SoC芯片，采用0.18mCMOS工艺制造，内含高性能32位嵌入式中央处理器（CPU），数字信号处理器（DSP），具备可编程总线和UART、GPIO、SSI、JTAG等丰富的接口，支持SRAM、SDRAM和Flash等多种大容量外部存储器，集成了语音Codec、辅助AD/DA和带I/Q通道的高速AD/DA，能够提供每秒5亿条指令（500MIPS）的运算能力，支持SCDMA和GSM通信协议，具备卓越的低功耗特性，是一款可以用于多种复杂通信终端的核心处理芯片。

　　COMIPTM是我国第一颗具备现代通信终端SoC特征的超大规模集成电路芯片，它的成功商用对改变我国通信产品缺“芯”的被动局面和促进通信终端整机的发展具有重大和深远的意义。

COMIPTM的诞生打破了国外少数厂家在该领域一统天下的格局，填补了国内在这一领域的空白。

美国著名的新思科技公司（SynopsysInc）宣布COMIPTM入选该公司“GreatChip”全球宣传计划。

COMIPTM先后荣获北京市科学技术奖三等奖，“中国铝业杯”首届中央企业青年创新奖等。

　　COMIPTM研制之后，已经成功应用于包括SCDMA手机、VoIP、可视电话、数字家电在内的多个领域。

其中，北京信威通信有限公司的“大灵通”手机采用

COMIPTM作为终端处理器，在“村村通”工程中，取得了极大的成功。

COMIPTM芯片的累计出货量已经超过了300万片，带来的直接经济效益达数亿元，间接拉动了数十亿元的SCDMA终端产业发展，取得了重大的经济效益。

　　2008年展讯通信承担了科技部“科技支撑项目计划”—TD-SCDMAHSUPA终端基带芯片和参考设计方案研究开发项目。

并于2011年在人民大会堂发布了全球首款40nm低功耗商用TD-HSPA/TD-SCDMA多模手机通信芯片SC8800G。

　　SC8800G的研发过程中，展讯通信突破了40nm工艺、高性能芯片低功耗控制、高集成度单芯片实现多模解决方案、系统优化与硬件加速器设计、高速数据业务中的多模处理策略等关键技术。

在充分研究TD-HSUPA标准前提下，设计了HSUPA传输流程的软硬件实现，并建立算法模型进行仿真以保证其性能。

在设计过程中充分利用原有基带芯片的技术积累，有效缩短了芯片流片返回后的测试和集成时间。

在工作频率提升，漏电流控制，成品率控制等方面组织了一系列技术攻关。

在软硬件集成中，尝试了软硬件同步设计，互相验证的新型开发流程，并为此专门开发了自动化测试工具，对系统功能进行大数据量的覆盖测试，在有效节省人力的同时，大大提高了发现问题的效率，使得芯片从流片返回到测试完成的周期缩短了3/4以上。

　　SC8800G作为世界首款采用40nm先进工艺的低功耗商用TD-HSPA/TD-SCDMA多模手机通信芯片，实现了单芯片支持TD-HSUPA/HSDPA/EDGE/GPRS/GSM多模通信，具有高集成度、低功耗、低成本的优势。

40nm工艺作为一种国际先进的集成电路生产工艺，展讯通信在缺乏相关设计生产经验的情况下，努力攻关，成功实现了一次性流片成功，为日后

40nm甚至更高的超深亚微米工艺芯片设计生产积累了宝贵的经验。

SC8800G的研制成功，是我国乃至亚洲当期第一次在半导体商用手机基带芯片设计水平上超过欧美公司，达到全球领先水平，实现了展讯通信从行业跟随者到引领者的跨越式发展。

SC8800G在40nm工艺流片成功，对使用同样工艺的“新一代宽带移动无线通信网”国家科技重大专项TDD-LTE基带芯片项目提供了的宝贵经验积累，为TDD-LTE基带芯片一次性流片成功和大规模量产奠定了坚实的技术积累和产品化基础。

　　一直以来，终端都是制约我国自主第三代移动通信TD-SCDMA发展的瓶颈。

在第三代移动通信市场，面对WCDMA、CDMA2000两大通信制式的竞争，采用SC8800G开发的TD-SCDMA手机具有明显的竞争优势，接近到GSM/EDGE手机的成本水平，使得采用TD-SCDMA标准的终端产品在与WCDMA和CDMA2000的竞争中获得了优势，有力地促进了我国TD-SCDMA产业的发展。

SC8800G已于2011年第一季度正式推向市场，使用此芯片产品的手机已经量产上市。

目前包括华为、三星、金立、联想、天宇、海信在内的数十家国内外知名终端厂商采用了SC8800G，有力地推动了国内TD-SCDMA终端市场的繁荣和多样化发展。

现在已有数十款采用SC8800G设计的终端产品上市，形成了达到了数十亿元的新增产值。

　　采用SC8800G的TD终端在成本、功耗、性能等方面具有突出的优