國(guó)產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)程度評(píng)估模型

朱　帥，　吳玲達(dá)，　郭　靜

(1. 裝備學(xué)院 科研部, 北京 101416；　2.裝備學(xué)院 復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室, 北京 101416)

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國(guó)產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)程度評(píng)估模型

朱帥1,2，吳玲達(dá)2，郭靜2

(1. 裝備學(xué)院 科研部, 北京 101416；2.裝備學(xué)院 復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室, 北京 101416)

摘要隨著國(guó)內(nèi)CPU設(shè)計(jì)加工技術(shù)的不斷提高，國(guó)產(chǎn)CPU已進(jìn)入批量生產(chǎn)階段并在軍隊(duì)和政府部門(mén)得到初步應(yīng)用。為鑒別國(guó)產(chǎn)CPU是否實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主生產(chǎn)，杜絕由植入后門(mén)引起的安全隱患，在分析CPU設(shè)計(jì)生產(chǎn)一般流程的基礎(chǔ)上，建立CPU自主生產(chǎn)程度指標(biāo)體系;基于AHP法、Delphi法設(shè)計(jì)國(guó)產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)程度評(píng)估模型，明確指標(biāo)權(quán)重的確定策略與評(píng)分依據(jù)，得出待評(píng)估國(guó)產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)程度值。

關(guān)鍵詞自主生產(chǎn)；層次分析法；Delphi法

Evaluation Model for Initiative Degree of Domestic CPU Production

ZHU Shuai1,2,WU Lingda2,GUO Jing2

(1. Department of Scientific Research, Equipment Academy, Beijing 101416, China;2. Science and Technology on Complex Electronic System Simulation Laboratory, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

AbstractWith continuous development of China-made central processing unit (CPU) design and manufacturing technology, domestic CPU has been in mass production and primary application in the military and governmental authorities. To identify whether China-made CPU is produced independently and can avoid the security risk caused by implantation, based on the analysis on general process of CPU design and production, the paper establishes an indicator system of degree of independent CPU production; Based on AHP (Analytic Hierarchy Process) method and Delphi method, the paper designs a model of degree of independent production of China-made CPU, makes clear the determination strategy and evaluation basis for the indicator weight and thus obtain the degree of independent production of China-made CPU to be evaluated.

Keywordsinitiative production; analytic hierarchy process (AHP); Delphi method

隨著信息系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的普及，信息系統(tǒng)的安全成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題。近年來(lái)，軍隊(duì)信息化進(jìn)程不斷加速，信息系統(tǒng)在國(guó)家要害部門(mén)和軍事領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由此也帶來(lái)了一系列安全隱患。2008年微軟黑屏事件,2013年棱鏡門(mén)事件給我國(guó)政府和軍隊(duì)敲響了警鐘：必須開(kāi)發(fā)自主可控的國(guó)產(chǎn)信息系統(tǒng)，掌握信息安全的主動(dòng)權(quán)。CPU作為計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵元器件，是決定信息系統(tǒng)是否自主可控的關(guān)鍵因素。

然而，1971年Intel公司制造世界第一塊微處理器，隨后就正如摩爾定律所預(yù)言，CPU主頻以每18個(gè)月翻一倍的速度發(fā)展[1]。到2009年Intel發(fā)布i7處理器，中間相隔38 年時(shí)間，IBM、Intel、AMD等國(guó)際廠商也積累了大量技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但對(duì)于我國(guó)而言，由于起步較晚，投入有限，前期對(duì)CPU自主生產(chǎn)重視不夠，導(dǎo)致了國(guó)產(chǎn)CPU大量借鑒國(guó)外技術(shù)、利用國(guó)外工藝的現(xiàn)狀。例如，一些國(guó)產(chǎn)CPU廠家購(gòu)買(mǎi)借鑒了MIPS(Million Instructions Per Second)、SPARC(Scalable Processor ARChitecture)指令集等，內(nèi)地大部分CPU廠家不具備流片能力，需要到臺(tái)灣或國(guó)外流片。

但是，CPU是信息系統(tǒng)的核心，是晶體管高度集成并封裝的精密部件，一旦在其生產(chǎn)過(guò)程中不能做到自主可控，就很有可能被惡意嵌入后門(mén)并很難察覺(jué)，從而嚴(yán)重影響到CPU整體的安全性、可用性和穩(wěn)定性，隨之給信息系統(tǒng)帶來(lái)災(zāi)難性的破壞，而使用存在后門(mén)的CPU將會(huì)給軍隊(duì)和國(guó)家安全帶來(lái)嚴(yán)重的后果。因而，CPU作為核心元器件，正在一步步走向國(guó)產(chǎn)化道路。為鑒別國(guó)產(chǎn)CPU是否實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主生產(chǎn)，杜絕由植入后門(mén)引起的種種隱患。本文通過(guò)分析CPU設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一般流程及CPU生產(chǎn)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，包括CPU設(shè)計(jì)、加工、測(cè)試及封裝過(guò)程，建立了CPU自主生產(chǎn)程度指標(biāo)體系，并得出待評(píng)估國(guó)產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)程度值，在一定程度上能夠作為評(píng)價(jià)國(guó)產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)程度的依據(jù)。

1CPU生產(chǎn)過(guò)程

CPU生產(chǎn)過(guò)程大概可分為CPU設(shè)計(jì)階段、CPU加工階段和CPU測(cè)試封裝階段。

CPU設(shè)計(jì)階段主要包括設(shè)計(jì)規(guī)劃、架構(gòu)設(shè)計(jì)、微處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和版圖規(guī)劃。設(shè)計(jì)規(guī)劃階段，需要闡明產(chǎn)品的概念，運(yùn)行的應(yīng)用類(lèi)型，性能、功耗及成本目標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)間、設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)規(guī)模的估算，設(shè)計(jì)方法的選擇等；架構(gòu)設(shè)計(jì)階段主要完成指令集的設(shè)計(jì)編寫(xiě)；微處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)需要完成流水線的高性能優(yōu)化設(shè)計(jì)；邏輯設(shè)計(jì)階段是用專(zhuān)門(mén)模擬計(jì)算機(jī)硬件的RTL(Right-to-Left)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體管行為的模擬，成為硬件可實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)化模型；電路設(shè)計(jì)階段是用晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)上一階段所確立的邏輯；版圖規(guī)劃需要設(shè)計(jì)電路時(shí)序圖、檢查邏輯正確性、檢查噪聲、選擇晶體管等，充分考慮晶體管的不理想特性，并繪制出所有元器件的物理尺寸和位置。

CPU加工階段包括硅的提純、切割圓晶、影印和蝕刻。硅的提純是從硅砂中提取生產(chǎn)CPU原材料硅晶的過(guò)程；切割圓晶是將提純后的硅晶切片并打磨光滑，使之符合生產(chǎn)CPU的工藝要求；影印蝕刻是采取特殊工藝，將CPU設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的電路圖影印到硅片上，進(jìn)行特殊處理后得到由晶體管組成的電路版圖，并將上述過(guò)程產(chǎn)生的布滿晶片的芯片截成單獨(dú)的芯片。

CPU測(cè)試封裝階段劃分為設(shè)計(jì)中測(cè)試、成品測(cè)試和封裝。設(shè)計(jì)中測(cè)試是在CPU設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的驗(yàn)證，包含DFT可測(cè)性電路設(shè)計(jì)和電路驗(yàn)證實(shí)施；成品測(cè)試是在硅芯片生產(chǎn)出來(lái)以后，測(cè)試尋找與預(yù)期不符的設(shè)計(jì)漏洞，主要包括邏輯漏洞，性能漏洞，關(guān)鍵路徑問(wèn)題，功率漏洞與電路邊際問(wèn)題；封裝要設(shè)計(jì)引腳數(shù)量和配置、引腳類(lèi)型、襯底類(lèi)型、芯片黏著、退耦電容、熱阻抗等問(wèn)題，然后將硅裸片和封裝組裝在一起。

2評(píng)估方法相關(guān)理論

目前，常用于評(píng)估的理論包括：AHP、Delphi法、模糊評(píng)價(jià)方法與灰色理論?？紤]到CPU生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，具有一定的層次性，評(píng)估CPU自主生產(chǎn)程度的定量描述指標(biāo)少，并且需要借助各方面專(zhuān)家的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)完成，因此采用AHP與Delphi相結(jié)合的方法來(lái)設(shè)計(jì)國(guó)產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)程度評(píng)估模型。

層次分析法是一種有效處理不易定量化變量的多準(zhǔn)則決策手段，它把研究對(duì)象作為一個(gè)系統(tǒng)，按照目標(biāo)分解、比較判斷、綜合思維的方式進(jìn)行評(píng)估，具有系統(tǒng)性、層次性、簡(jiǎn)潔性等特點(diǎn)[2]。運(yùn)用層次分析法解決問(wèn)題，可分為4個(gè)步驟：第一，建立問(wèn)題的遞階層次結(jié)構(gòu)，最上層為目標(biāo)的焦點(diǎn)，僅包含一個(gè)元素，下面的層次可包含數(shù)個(gè)元素，相鄰2層的對(duì)應(yīng)元素是按某種規(guī)則進(jìn)行重要性比較排定的；第二，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣，矩陣元素的取值是針對(duì)上一層某要素而言，本層與它有關(guān)聯(lián)的各要素之間的相對(duì)優(yōu)越程度；第三，由判斷矩陣計(jì)算被比較元素的相對(duì)權(quán)重，即把本層各要素對(duì)上一層來(lái)說(shuō)排出優(yōu)劣順序，由各判斷矩陣計(jì)算得出；第四，按照從上到下的順序，計(jì)算針對(duì)上層而言本層次所有元素重要性的權(quán)重值，得到總的組合權(quán)重。

Delphi法又稱(chēng)專(zhuān)家打分法，是以專(zhuān)家作為索取信息的對(duì)象，依靠專(zhuān)家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，由專(zhuān)家通過(guò)調(diào)查研究對(duì)問(wèn)題作出判斷、評(píng)估和預(yù)測(cè)的一種方法。Delphi法非常適合具有以下特點(diǎn)的決策問(wèn)題：需要依靠主觀判斷得出結(jié)論的問(wèn)題，不確定的復(fù)雜問(wèn)題，多學(xué)科問(wèn)題。在決策過(guò)程中，多位專(zhuān)家針對(duì)某一復(fù)雜問(wèn)題發(fā)表各自觀點(diǎn)，通過(guò)專(zhuān)家的相互補(bǔ)充、相互激發(fā)，得到一個(gè)完整、科學(xué)的認(rèn)識(shí)。Delphi法的實(shí)質(zhì)是利用專(zhuān)家的主觀判斷，通過(guò)信息溝通與循環(huán)反饋，使意見(jiàn)趨于一致，以期得到最高準(zhǔn)確率的集體判斷結(jié)果。

Delphi法應(yīng)用在層次分析法構(gòu)建兩兩比較判斷矩陣及對(duì)底層指標(biāo)的判斷打分中。

3評(píng)估過(guò)程與結(jié)果

3.1CPU自主生產(chǎn)程度指標(biāo)體系構(gòu)建

國(guó)產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)程度是CPU的研發(fā)、設(shè)計(jì)、加工、測(cè)試過(guò)程完全依靠自主掌握的生產(chǎn)資料獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的程度[3]。評(píng)估CPU自主生產(chǎn)程度，需要面向CPU的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)CPU生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)地考察，依據(jù)CPU生產(chǎn)過(guò)程差異將CPU自主生產(chǎn)程度分為3個(gè)等級(jí)層次，作為一級(jí)指標(biāo)、二級(jí)指標(biāo)和三級(jí)指標(biāo)。其中，CPU自主生產(chǎn)程度T為一級(jí)指標(biāo)；Ti為二級(jí)指標(biāo)，Ti=(CPU設(shè)計(jì)自主程度，CPU加工自主程度，CPU測(cè)試封裝自主程度)；Tij為對(duì)應(yīng)于Ti的三級(jí)指標(biāo)，如,Tij(對(duì)應(yīng)于CPU設(shè)計(jì)自主程度)=(設(shè)計(jì)規(guī)劃自主程度，架構(gòu)設(shè)計(jì)自主程度，微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自主程度，邏輯設(shè)計(jì)自主程度，電路設(shè)計(jì)自主程度，版圖設(shè)計(jì)自主程度)。指標(biāo)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　國(guó)產(chǎn) CPU自主生產(chǎn)程度指標(biāo)體系

3.2確定指標(biāo)權(quán)重

3.2.1構(gòu)建判斷矩陣

根據(jù)指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣。判斷矩陣是表示針對(duì)上一層某要素而言，本層與它有關(guān)聯(lián)的各要素之間的相對(duì)優(yōu)越程度。例如，三級(jí)指標(biāo)T11，T12，…，T1n與上一層指標(biāo)T1有關(guān)聯(lián)。建立這幾個(gè)方案關(guān)于準(zhǔn)則T1的判斷矩陣如下:

式中,TijTik表示對(duì)于上層指標(biāo)Ti而言，指標(biāo)Tij與Tik比較而得到的相對(duì)重要程度或優(yōu)越性。TijTik的取值是根據(jù)資料、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、征求專(zhuān)家意見(jiàn)以及系統(tǒng)分析員的經(jīng)驗(yàn)而確定的,主要依據(jù)為該指標(biāo)相對(duì)上層指標(biāo)的重要性，指標(biāo)該過(guò)程的復(fù)雜程度，過(guò)程的可替代性等。層次分析法采用1~9標(biāo)度法，使兩要素的比較得以定量描述，取值及標(biāo)度如表1所示。

邀請(qǐng)5名相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)每層指標(biāo)體系中的指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，根據(jù)對(duì)上層指標(biāo)的重要性、過(guò)程的復(fù)雜程度、過(guò)程的可替代性等特性進(jìn)行綜合打分，取5名專(zhuān)家打分的平均值綜合得到判斷矩陣：

表1　相對(duì)重要性標(biāo)度

3.2.2判斷矩陣一致性并計(jì)算權(quán)重

為避免其他因素對(duì)判斷矩陣的干擾，需要判斷矩陣滿足一致性，表明矩陣是合理的。計(jì)算公式為

θCR=θCI/θRI

式中，θCR即為一致性比例，當(dāng)θCR<0.10時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)對(duì)判斷矩陣進(jìn)行修正。

θCI=(λmax-n)/(n-1)，λmax為矩陣最大特征值。θRI取值如表2所示。

表2　隨機(jī)一致性指標(biāo)θRI值

經(jīng)檢驗(yàn)θCR<0.10,然后由判斷矩陣計(jì)算被比較元素的相對(duì)權(quán)重，由各判斷矩陣計(jì)算而得。計(jì)算Tij關(guān)于Ti的權(quán)重時(shí)，可先求出判斷矩陣的特征向量W，然后經(jīng)過(guò)歸一化處理，即可求出Tij關(guān)于Ti的相對(duì)重要度，即權(quán)重。

依照上述方法，由專(zhuān)家打分得出的判斷矩陣計(jì)算出各層元素的組合權(quán)重依次如下：

W1=[0.684 90.089 40.225 7]T

W11=[0.055 40.042 70.230 1

0.244 60.219 80.207 2]T

W12=[0.0940.060 50.476 50.369]T

W13=[0.622 80.274 10.103 2]T

W=[0.037 90.029 20.157 60.167 5

0.150 50.141 90.008 40.005 4

0.042 60.033 0 0.140 60.061 90.023 3]T

矩陣中的元素對(duì)應(yīng)指標(biāo)體系中底層元素在整個(gè)評(píng)估模型中的權(quán)重值。

3.3指標(biāo)評(píng)分與評(píng)估結(jié)果

對(duì)底層指標(biāo)的打分主要考察生產(chǎn)過(guò)程的獨(dú)立性，由于生產(chǎn)特點(diǎn)不同，考察獨(dú)立性方式各異。軟件設(shè)計(jì)中，需要考察必要的設(shè)計(jì)文檔和代碼是否齊全，硬件生產(chǎn)中需要對(duì)廠家生產(chǎn)條件、工藝水平及階段性產(chǎn)品進(jìn)行考察[4]。

具體到各指標(biāo)要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的文檔數(shù)據(jù)進(jìn)行審核，考察必需環(huán)節(jié)、要素、數(shù)據(jù)、設(shè)備等是否具備，判斷專(zhuān)利、設(shè)計(jì)文檔、代碼是否真實(shí)合理，與產(chǎn)品是否一致，考察工藝、設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)境等以判斷被評(píng)估方是否具有獨(dú)立生產(chǎn)程度，專(zhuān)利、工藝或代碼是否來(lái)源不明或采用國(guó)外技術(shù)[5-9]。通過(guò)對(duì)以上要素判斷對(duì)指標(biāo)進(jìn)行打分，打分區(qū)間為[0，10]中的任意實(shí)數(shù)。

初步選定國(guó)產(chǎn)某型號(hào)CPU進(jìn)行考察，按照專(zhuān)家打分法的步驟，選定相關(guān)專(zhuān)家組，組織考察自主生產(chǎn)程度證據(jù)，進(jìn)行多輪意見(jiàn)征詢(xún)，并由專(zhuān)家組對(duì)底層指標(biāo)進(jìn)行逐一打分，加權(quán)平均后得到打分結(jié)果向量

R=[9.363.208.388.989.429.50

3.8010.002.609.529.049.859.64]

由此得出，被評(píng)估CPU整體生產(chǎn)自主程度Z=RW=8.555 3。

從指標(biāo)權(quán)重打分及底層指標(biāo)打分結(jié)果來(lái)看，CPU設(shè)計(jì)中的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)及版圖設(shè)計(jì)，CPU測(cè)試封裝的設(shè)計(jì)中測(cè)試在評(píng)估CPU自主生產(chǎn)能力中影響較大，CPU設(shè)計(jì)中的架構(gòu)設(shè)計(jì)，CPU加工中的硅提純、影印在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)外界因素依賴(lài)過(guò)多，評(píng)估結(jié)果對(duì)于有針對(duì)性地提高國(guó)產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)能力，補(bǔ)齊CPU生產(chǎn)過(guò)程中的短板有一定的參考價(jià)值。

4結(jié) 束 語(yǔ)

文章通過(guò)建立國(guó)產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)能力指標(biāo)體系，設(shè)計(jì)AHP與Delphi相結(jié)合的方法評(píng)估模型，對(duì)國(guó)產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)能力進(jìn)行評(píng)估。該評(píng)估模型能夠發(fā)揮相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜易饔?，合理地進(jìn)行權(quán)重分配與指標(biāo)評(píng)分，具有一定的靈活性和實(shí)用性，可為鑒別國(guó)產(chǎn)CPU是否實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主生產(chǎn)，是否存在由植入后門(mén)引起的隱患，判斷信息系統(tǒng)是否安全可靠提供重要依據(jù)[10]。

但可以看出，由于CPU生產(chǎn)涉及領(lǐng)域跨度較大，不同領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)判斷結(jié)果認(rèn)識(shí)的一致性存在差異，在兩兩比較權(quán)重環(huán)節(jié)中，對(duì)專(zhuān)家知識(shí)覆蓋范圍要求比較高，需要熟悉CPU生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)，才能對(duì)重要性做出正確判斷；CPU生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，專(zhuān)家評(píng)委通過(guò)考察設(shè)計(jì)文檔和生產(chǎn)環(huán)境等間接證據(jù)，對(duì)CPU各生產(chǎn)過(guò)程自主程度進(jìn)行判斷，如何最大限度保證證據(jù)的真實(shí)性和判斷結(jié)果的合理性，也需要進(jìn)一步探索研究。

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(編輯：田麗韞)

中圖分類(lèi)號(hào)TP309.1

文章編號(hào)2095-3828(2016)01-0098-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.01.020

作者簡(jiǎn)介朱帥(1986-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)評(píng)估。yasinzhu@yahoo.com

基金項(xiàng)目核高基國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)

收稿日期2015-07-14

吳玲達(dá)，女，研究員，博士生導(dǎo)師。