闡述國產CPU芯片之父——航天771所沈緒榜院士的那些事

前言：在中美科技戰(zhàn)背景下，全體國人充分認識到了芯片的重要性，人們期待我國的芯片產業(yè)自強自立，希望CPU芯片等高端通用芯片的短板能盡快補齊。本文回顧一段歷史，介紹沈緒榜院士早在上世紀70年代，自主研制國產CPU芯片的故事，以及當時的時代背景，讀者可據(jù)此了解我國發(fā)展國產芯片的歷程。

近兩年，隨著美國對我國高技術產業(yè)的圍堵已從集成電路（芯片、IC）設計，延伸到制造、設備和材料，再深入到關鍵核心技術，我國芯片產業(yè)正經(jīng)歷著歷史上的至暗時刻。萬眾期待我國芯片產業(yè)實現(xiàn)自強自立，希望國家出臺更強有力的舉措來發(fā)展芯片產業(yè)。

在談到發(fā)展國產CPU芯片時，大家自然會想到中國科學院計算所2001年就開始設計的龍芯系列國產CPU，以及后來陸續(xù)推出的兆芯、海光、飛騰等國產CPU品牌，加上海思麒麟系列SoC為代表的一大批SoC品牌，其陣容還算強大。但是，美國正在從制造等環(huán)節(jié)遏制我們，使我們設計的高端CPU芯片和SoC芯片無法被制造出來。

如果要追尋最早的國產CPU芯片研制歷史，應該從航天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）微型計算機CPU芯片算起。該芯片在設計時是從電路邏輯、制造工藝和整機系統(tǒng)方面通盤考慮的，并且是在該所的生產線上完成。所以沈院士要解決和克服的困難很多。

相比之下，龍芯及后來各種國產CPU芯片研制，設計時采用了先進的進口EDA軟件，制造時委托芯片制造廠代工，需要解決和克服的困難要相對少一些。作為最早的國產CPU芯片的研制者，國內研究CPU架構的開先河者，沈緒榜院士從2001年開始，先后被邀請參加了龍芯、中星微、銀河、天河等CPU芯片和計算機項目的鑒定，并擔任鑒定會主席。龍芯及后續(xù)的國產CPU芯片距他1977年研制第一款國產CPU芯片晚了二十多年時間。

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

一、“兩彈一星”的配套工程：156工程

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

為了提升運載火箭的推力和速度，1965年3月，國家向中國科學院下達了研制遠程火箭控制用的微型計算機的任務，微型計算機命名為156微型機，研制任務稱為156工程。同年9月，由中科院計算所、電子所、物理所、東北物理所、西北計算所、長春應化所六個研究所的七個研究室的半導體和計算機人員合并后，在北京中關村成立了新型的集成電路與計算機研究所，對外代號為156工程處。

不久又在陜西臨潼驪山北麓開始“三線”項目建設，項目對外名稱是324工程處，由于有部隊參與建設和保衛(wèi)，項目對外也稱為蘭字826部隊。156、324和826都是相同工程的代號，它們是后來航天771所的前身。

令人嘆服的是，156工程上馬僅一年，1966年9月，中國第一臺自主研制的集成電路計算機樣機便在北京完成。這是在條件有限的情況下，科研人員克服重重困難，以只爭朝夕的工作熱情完成的?？蒲腥藛T回憶當時的情況說道，雖然156工程處的工作條件是國內最好的，但仍然十分簡陋?！霸跊]有高精密設備的情況下，工程師們只能用鋸子切割硅片。精密的半導體元件竟是在一片片手工打磨的硅片上制作而成?！?/p>

那時，156工程全體人員懷著對祖國的滿腔熱忱，克服一道道難關，先后在北京中關村和陜西臨潼驪山腳下開創(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)進行著航天微電子和微型計算機領域最新、最前沿的技術研究。

驪山的山頂有著名的周朝“烽火戲諸侯”的烽火臺，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水，而是想要依托驪山南側峰巒疊嶂的山地掩護，把這里當作了中國“三線”建設，國家生產力戰(zhàn)略轉移的根據(jù)地。

圖1.80年代航天771所的科研和生產廠區(qū)大門

（昔日的324工程處，現(xiàn)在是驪山分部）

當時，324工程處周圍的環(huán)境就和一般小山村無異，有小橋、農田、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)夜間偶爾會有狼、豹出沒。單位毗鄰的臨潼縣城也很落后，當?shù)剞r民看見女職工穿裙子都覺得很驚奇，指指點點說城里“婆姨”穿的是“獨筒褲”。老人們看到廠區(qū)管理嚴格并有軍人守衛(wèi)，會竊竊私語地議論，“山坡上的324到底是干啥的？”，“聽說是造原子彈的”。

生活條件雖然十分艱苦，但是324工程作為當時國內頂尖的高技術研究機構，擁有國內一流的人才隊伍和最先進的技術設備。由于我國受“巴統(tǒng)”和“瓦森納協(xié)定”限制，324工程無法購買到當時國際上最先進的4英寸芯片生產線，但國內僅有的三條3英寸芯片生產線中，就有一條安裝在324工程處。

1975年，324工程劃歸當時的第七機械工業(yè)部（簡稱七機部、航天部）直接領導，定名為航天771所，對外稱為西安微電子技術研究所。

1983年以后，隨著改革開放和國際局勢緩和，我國備戰(zhàn)需求減少，航天771所的上天軍品型號任務隨之減少。同時也因為國門大開，IBM系列PC機大量進入中國，航天771所為航天軍工單位地面應用研制的通用微型計算機（LS 772微型機）由原來的熱銷很快變?yōu)榱藴N，后來通用整機生產線也全面停產。

但與此同時，國際技術交流卻日趨活躍，航天771所經(jīng)常會有國外專家來所里進行技術交流。研究生和全所技術人員在不影響工作情況下，都可以參加這些國際微電子和計算機領域最新技術講座。重要的講座都是由外語非常精通的科技委主任黃敞先生親自翻譯。航天771所創(chuàng)造了國內相關領域29項第一，某些技術在國際上也是一流的，舉三個例證。

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

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，則早了一年時間。

例證3：晶體管模型參數(shù)計算機自動提取技術是由居悌研究員于1981年完成，1982年在國際期刊上發(fā)表，而美國1982年才開始這方面的研究，相差了幾年時間。1986年，居悌僅以副教授的身份受到美國科學院的邀請，赴美進行技術交流，并在伊利諾伊大學講學（圖2）。

圖2.居悌副教授在伊利諾伊大學講學

（來源：參考資料3）

目前，航天771所總部由臨潼遷到西安市區(qū)，多個科研和生產區(qū)分布于西安市碑林區(qū)、高新區(qū)、臨潼區(qū)、長安區(qū)。在崗職工達到5300多人，其中各類專業(yè)技術人員2649人，高級職稱以上660人。涌現(xiàn)了全國勞動模范、“百位感動中國人物”羅健夫，中國半導體專業(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。全所形成了計算機、半導體集成電路和混合系統(tǒng)集成三大專業(yè)優(yōu)勢齊頭并進、軍民融合、科學發(fā)展的良好格局。

55年來，航天771所先后承擔了國家220多個重點工程及武器型號的計算機、集成電路、混合系統(tǒng)集成產品的研制配套任務，創(chuàng)造了我國計算機和集成電路發(fā)展史上的29個第一。其中中國計算機方面的4個第一是，1966年，第一臺全國產雙極型集成電路微型計算機；1970年，第一臺全國產PMOS集成電路微型計算機；1977年，第一臺全國產16位VLSI微型計算機；1981年，第一臺全國產CMOS抗電磁脈沖加固微型計算機。

航天771所是我國唯一融合了半導體集成電路、微型計算機和混合系統(tǒng)集成三位一體的大型研究機構。它幾乎與國外同時期起步，是我國航天微電子和計算機的先驅者，是支撐我國航天軍工事業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的主力軍，也是全球IT百強企業(yè)中興通訊的創(chuàng)辦單位。

航天771所同時肩負著計算機和集成電路領域的人才培養(yǎng)任務。55年來，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精神感召下，所風純正，人才輩出。畢業(yè)的具有深厚專業(yè)底蘊、又有愛國敬業(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。

無論在芯片設計、制造工藝、設備和材料、計算機系統(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所學習或工作經(jīng)歷的驪山人，他們是微電子、計算機和混合系統(tǒng)集成領域的多面手，在各自崗位發(fā)揮著重要作用，為祖國貢獻著聰明才智。因此，航天771所也被譽為中國芯片和計算機行業(yè)的“黃埔軍?！?。

二、國內首臺微型計算機：156微型機

156微型機是我國第一臺遠程運載火箭控制系統(tǒng)制導微型計算機，其體積小、重量輕，可在振動、沖擊、高溫、低溫、潮濕、真空等惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作，具有99．8％的可靠性。中國計算機泰斗吳幾康，中國半導體著名專家、俄羅斯外籍院士黃敞，中國計算機著名專家、中科院院士沈緒榜，中國著名化學專家、中科院院士沈天慧，著名專家吳錫九、何澤仁、阮鴻義等一批科技領軍人物在極端艱苦的條件下，攻克了大量技術難題，為156微型機的研制做出了巨大貢獻。

在156工程中，黃敞先生負責全面技術工作，沈緒榜先生任計算機設計組組長，負責火箭控制微型計算機的總體方案、邏輯設計、CPU芯片設計和系統(tǒng)集成等工作。

半導體著名專家、俄羅斯外籍院士黃敞先生

（來源：微信公眾號htjy771）

1966年9月初，第一臺156微型機樣機誕生（圖6），1971年9月10日，裝有156微型機的我國首枚洲際運載火箭飛行成功，156微型機表現(xiàn)優(yōu)異。1975年11月26日，156微型機成功控制“長征二號”運載火箭將我國第一顆返回式人造地球衛(wèi)星送上太空。1980年5月18日，全部國產化組件的156微型機精確控制著遠程運載火箭飛向太平洋，在預定海域準確降落。后續(xù)的“長征”系列運載火箭也大量繼承、運用了156微型機的技術。

156微型計算機，1966年（來源：參考資料4）

156微型機是我國第一臺自主設計、全國產化、用于火箭控制的薄膜混合組件專用微型計算機。它填補了我國箭控嵌入式計算機的空白，將運載火箭的制導控制系統(tǒng)提高到了一個新的水平。它使當時中國集成電路和微型計算機技術與世界先進水平的距離大大縮小，開創(chuàng)了中國航天微電子與微型計算機發(fā)展史上的新紀元。

三、國內最早的CPU芯片研發(fā)者：沈緒榜院士

航天771所完成了“兩彈一星”的156型箭載微型計算機研制任務后，又開始了新的彈載微型計算機設計任務。1974年，基于對MOS微電子技術發(fā)展方向的深刻認識，結合國內NMOS工藝技術發(fā)展情況，沈緒榜院士提出研制中國16位集成電路微型計算機的設想。在進行了大量前期預研論證、方案設計和邏輯設計基礎上，他和芯片設計團隊和制造工藝技術人員一起，共同攻克了NMOS工藝技術難關。1977年，他領導研制的中國第一臺16位VLSI微型計算機獲得成功，型號命名為LS77型。（榮獲國家科技進步三等獎。）

LS77微型計算機的CPU芯片是由運算邏輯部件（ALU）和程序邏輯陣列（PLA）電路組成。為了滿足箭載應用的計算精度，該CPU的指令集除了16位運算指令外，還有32位運算指令，有直接、間接、堆棧和相對四種尋址方式。LS77微型計算機的系統(tǒng)配套芯片都是自主研制的。其中包括512x2位靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）芯片、512x9位只讀存儲器（ROM）芯片、15種大規(guī)模NMOS芯片、6種TTL芯片等。

LS77微型計算機的CPU芯片的布圖

（來源：網(wǎng)上資料）

LS77微型計算機是獨立設計、研制、生產和電路配套系列化的中國集成電路計算機的首創(chuàng)之舉，實現(xiàn)了中國芯片技術的歷史性突破。它的研制成功比國外16位微型計算機的問世還早了1年。它也使國產集成電路計算機指令集設計從此轉移到了CPU芯片指令集上來，是國產專用CPU芯片的首創(chuàng)之舉，是中國計算機技術發(fā)展歷史上的一座里程碑。1978年，LS77微型計算機成為了獻給全國科學大會的一份厚禮。

1980年以后，隨著改革開放和國際技術交流日趨活躍，沈緒榜院士的研究內容更加多元，研究方向更加趨向世界前沿，科研成果源源不斷涌現(xiàn)出來。他多次參與國際技術交流，利用與法國專家合作的機會，開始研究數(shù)字信號處理器（DSP）芯片，先后共研制了四種DSP芯片；他不斷研究多元并行處理（MPP）嵌入式計算機技術、嵌入式系統(tǒng)測試新方法，完成了一種320MIPS陣列微處理器芯片的研制。（1985年榮獲國家級特等獎，1986年榮獲國家級有突出貢獻專家稱號）；

1987年他研制成功了由5個大圓片（Wafer）共1024個16位定點處理元組成的MPP計算機，工頻10Mhz，峰值運算速度6億次/秒，功耗約1.5瓦，體積只有手掌大?。唬?988年榮獲國防專用國家級科技進步三等獎）；1995年完成了定點32位RISC微處理器芯片的研制；（獲1997年國家級科技進步三等獎）；1997年以后分別完成了定點加減法峰值速度每秒達3.2億次操作的MPP處理器芯片、浮點32位RISC微處理器芯片、以及MPP嵌入式計算機等項目型號的研制，（2002年獲得了兩項國防科技進步二等獎），限于篇幅，抱歉諸多成果難以逐個陳述。

面向高速圖像信號處理的MPP嵌入式計算機

（來源：網(wǎng)上資料）

四、沈緒榜院士的科學思想與卓越成就

沈緒榜院士的科學思想與卓越成就可以歸納為以下幾點：

1.20世紀60年代初，他參加了“兩彈一星”專用微型計算機研制，先后設計了我國第一臺小規(guī)模和中規(guī)模芯片箭載計算機，提出了多重積分誤差校正新方法、箭載增量計算機新體系結構、火箭控制系統(tǒng)計算機測試方法等，取得了突破性技術創(chuàng)新。

2.70年代，為打破國外的禁運封鎖，他率先開展涵蓋計算機指令集、體系結構、邏輯設計方案、具有自主知識產權的芯片和微型計算機研究，成功研制出16位VLSI微型計算機，實現(xiàn)了中國集成電路計算機的歷史性突破，與國際計算機發(fā)展水平并駕齊驅。

3.80年代末期開始，他主持研究和設計數(shù)字信號處理器芯片、定點和浮點32位RISC微處理器芯片、每秒3.2億次MPP系統(tǒng)級芯片與MPP計算機。

4.近10年來，他致力于計算機應用編程語言、設計體系結構和系統(tǒng)級芯片實現(xiàn)技術的創(chuàng)新性研究，將計算機時空計算自然統(tǒng)一，圓一個中國計算機系統(tǒng)級芯片自行設計之夢。

5. 沈緒榜院士在科研領域勤勤懇懇，深耕細作的同時，不忘以嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，積極投身到為國家培養(yǎng)計算機和芯片設計雙料科技人才的神圣工作中去。先后培養(yǎng)了130多位博士和碩士研究生。

沈緒榜院士發(fā)表了80多篇科技論文，出版了《超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)設計》等七部學術著作。他于2016年榮獲了中國計算機學會頒發(fā)的“CCF終身成就獎”。

沈緒榜院士是首個國產CPU芯片的研制者，他的首款國產CPU芯片比后來者早了二十多年（一代人以上）的時間。之后，他孜孜不倦地研究，不斷創(chuàng)新CPU、RISC微處理器、DSP微處理器、MPP微處理器等芯片的架構、理論和設計方法，是當之無愧的國產CPU芯片之父。

計算機著名專家、中科院院士沈緒榜先生與 “兩彈一星”元勛、中科院院士孫家棟先生親切交談

（來源：參考資料1）

自20世紀80年代，國外芯片進入中國市場后，國內芯片產業(yè)特別是民用領域自主基礎研究發(fā)展緩慢，甚至停頓下來。國外芯片對國內市場形成了強大沖擊和占領。但是，沈緒榜院士堅持走中國集成電路計算機自主發(fā)展的道路不動搖，繼續(xù)緊跟世界芯片技術發(fā)展潮流，保持計算機體系結構的創(chuàng)新研究不松懈，隨時準備著利用最先進的芯片技術為我國航天軍工事業(yè)貢獻力量。

后記：沈緒榜院士研發(fā)的國產16位VLSI微型計算機CPU芯片于1977年推出，而美國Intel公司的8086 16位通用CPU芯片晚了一年才推出。雖然通用CPU要比專用CPU復雜，兩者可比性不強。但比較至少可以說明，開始時我國自主的芯片技術與國外芯片技術基本同步。因為“兩彈一星”等軍工航天事業(yè)有迫切需求，所以156工程很快上馬，全國人才和物資快速向驪山腳下集中。80年代及以后國外芯片大量銷往中國，芯片基礎技術研發(fā)沒有受到應有的重視。直到2000年國家發(fā)布18號文和推出相關舉措，這種局面才開始從芯片設計業(yè)逐步扭轉。

參考資料：

1. 沈緒榜院士文集，中國宇航出版社，2018.1

2. 居悌，關中往事，居悌教授的博客：http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1449096665_5_1.html，2009.8.12

3. 居悌，關中往事（二十三）奧克萊街823號，居悌教授的博客：http://blog.sina.com.cn/s/blog_565f75d90100eqtp.html，2009.9.3

4. CCF中國計算機歷史記憶 156計算機，中國計算機學會官網(wǎng)：https://www.ccf.org.cn/c/2019-02-18/660375.shtml

5. OFweek可穿戴設備網(wǎng)，盤點中國集成電路史上最具代表性的六位科學家，搜狐網(wǎng)：https://www.sohu.com/a/277220771_99893765，2018.11.22

6. AI財經(jīng)社，中國芯片往事：扎根驪山靠手工打磨，清華系成資深玩家，騰訊網(wǎng)：https://new.qq.com/omn/20191002/20191002A030BR00.html，2019.10.2

7. 人民網(wǎng)，航天科技九院771所成立55周年：創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)譜新章，新華網(wǎng)：http://www.xinhuanet.com/2020-10/16/c_1126619541.htm，2020.10.16

編輯：jq