不畏艱難 傾心做“芯”
——走近中國(guó)芯片計(jì)算機(jī)開拓者沈緒榜院士

◎《網(wǎng)信軍民融合》編輯部 整理

一句格言，影響他一生的科學(xué)研究工作

沈緒榜和計(jì)算機(jī)的不解之緣，還要從1956年國(guó)家成立計(jì)算技術(shù)研究所籌委會(huì)，他被調(diào)入北京大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系計(jì)算數(shù)學(xué)訓(xùn)練班說(shuō)起。

那時(shí)的他，有幸見到了時(shí)任計(jì)算技術(shù)研究所籌委會(huì)主任的知名數(shù)學(xué)家華羅庚，并聆聽了這位導(dǎo)師的諄諄教誨。華羅庚告誡這些新中國(guó)的青年學(xué)子們，要掌握“把書念薄”的學(xué)習(xí)方法，對(duì)待科學(xué)研究要具有鍥而不舍的精神，這些話成了沈緒榜一生從事科學(xué)研究工作的寶貴格言。

1957年10月，沈緒榜被分配到中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所，開始從事通用電子管與晶體管計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)工作。當(dāng)時(shí)，20世紀(jì)50年代末期計(jì)算機(jī)研究資料十分稀少，只有蘇聯(lián)的兩種通用電子管計(jì)算機(jī)資料。沈緒榜把僅有的資料反復(fù)閱讀，掌握了通用數(shù)字計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)原理。他在熟讀的基礎(chǔ)上融會(huì)貫通，熟能生巧，真正做到華羅庚先生說(shuō)的“把書念薄”，同時(shí)他還不斷思考和探索計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，舉一反三，運(yùn)用于實(shí)際工作中。當(dāng)時(shí)他想到，如果將機(jī)器的指令與數(shù)據(jù)都放在同一存儲(chǔ)器中的體系改為指令與數(shù)據(jù)分開存放的體系結(jié)構(gòu)方案，就能明顯地改善訪問(wèn)存儲(chǔ)器的效率，提高計(jì)算機(jī)的性能。多年以后，在英文計(jì)算機(jī)資料中才知道這就是哈佛（Harvard)體系結(jié)構(gòu)。年輕的中國(guó)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者就是在這種艱苦條件下，孜孜不倦地追求和探索計(jì)算機(jī)世界的奧秘。

剛工作不久，沈緒榜就考取了留蘇研究生。在俄語(yǔ)培訓(xùn)期間，他刻苦學(xué)習(xí)，閱讀了俄文版《火箭技術(shù)導(dǎo)論》一書，從此對(duì)火箭技術(shù)知識(shí)產(chǎn)生了濃厚興趣，這也為他日后提出將計(jì)算機(jī)用于運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)試這一創(chuàng)新思想奠定了基礎(chǔ)。

攻堅(jiān)克難，他使中國(guó)芯片計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)歷史性突破

中國(guó)集成電路技術(shù)與計(jì)算機(jī)研制工作的結(jié)合，是在“兩彈一星”戰(zhàn)略任務(wù)的牽引下起步的。

1965年3月，周恩來(lái)總理領(lǐng)導(dǎo)的中央專委下達(dá)了“兩彈一星”研制任務(wù)。為此成立了中國(guó)科學(xué)院156工程處，沈緒榜任箭載數(shù)字計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)組組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)火箭專用計(jì)算機(jī)的方案、邏輯設(shè)計(jì)等工作。

20世紀(jì)60年代中期，箭載計(jì)算機(jī)用戶單位對(duì)數(shù)字計(jì)算機(jī)不熟悉、除了能提出可靠性、體積、質(zhì)量、環(huán)境要求等指標(biāo)外，無(wú)法提出機(jī)器字長(zhǎng)、運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量等性能指標(biāo)，任務(wù)書中提出的僅是計(jì)算公式和數(shù)據(jù)，以及計(jì)算周期與加速度表脈沖當(dāng)量表示的計(jì)算精度等內(nèi)容。這就要求計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者從模擬計(jì)算開始，求出箭載計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)、容量與速度等基本指標(biāo)，并完成應(yīng)用程序等所有軟件研制。沈緒榜充分發(fā)揮出深厚的計(jì)算數(shù)學(xué)知識(shí)實(shí)力，以及早期從事電子管與晶體管計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，再加上從事電路設(shè)計(jì)與芯片制造同事們的努力，終于在1966年9月，集成電路與計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合結(jié)出了可喜的果實(shí)，中國(guó)芯片的第一臺(tái)雙極小規(guī)模集成電路箭載計(jì)算機(jī)模樣機(jī)誕生了。

受到當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)微電子技術(shù)水平限制，模樣機(jī)體積太大，不能滿足使用要求。為了解決這一技術(shù)難題，最直接的方案就是提高芯片的集成度，減少芯片數(shù)量，這在當(dāng)時(shí)的條件是根本做不到的。沈緒榜在困難面前沒(méi)有退縮，他把目光投向計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，提出了一種獨(dú)創(chuàng)的增量計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器小型化。增量計(jì)算機(jī)很快就研制出來(lái)了，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，計(jì)算精度不能滿足要求。這成了擺在沈緒榜面前的又一個(gè)難題。

為了解決好這個(gè)難題，沈緒榜與同事一起在機(jī)房里日夜苦干3個(gè)月，從增量計(jì)算機(jī)的工作原理出發(fā)，經(jīng)過(guò)大量的推算、驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)，終于搞清楚了原因，提出了一種多重積分誤差校正新方法，并重新設(shè)計(jì)了應(yīng)用程序，使計(jì)算精度達(dá)到實(shí)戰(zhàn)使用要求。1971年9月10日，這種中國(guó)芯片的小規(guī)模集成電路增量計(jì)算機(jī)在中國(guó)遠(yuǎn)程運(yùn)載火箭的首飛實(shí)驗(yàn)中一舉成功，為祖國(guó)爭(zhēng)得了榮譽(yù)。

攻堅(jiān)克難、努力拼搏。整整6個(gè)春秋，沈緒榜和同事們一起，為“兩彈一星”箭載計(jì)算機(jī)研制工作交出了一份滿意的答卷。

20世紀(jì)60年代后期，沈緒榜又承擔(dān)了一種新型箭載計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)任務(wù)。面對(duì)當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器還未問(wèn)世，唯一可用的是磁芯存儲(chǔ)器的現(xiàn)狀，要滿足新型箭載計(jì)算機(jī)小型化指標(biāo)的要求，只有設(shè)計(jì)一種不用磁芯存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)，這是一個(gè)十分艱難的問(wèn)題。沈緒榜排除萬(wàn)難，在1969年完成了中國(guó)芯片第一臺(tái)PMOS中規(guī)模集成電路箭載數(shù)字積分機(jī)的設(shè)計(jì)和研制任務(wù)。既解決了機(jī)器小型化難題，又促進(jìn)了中國(guó)集成電路從TTL工藝技術(shù)到M0S工藝技術(shù)的歷史性突破和發(fā)展。

基于對(duì)微電子M0S技術(shù)發(fā)展方向的認(rèn)識(shí)，結(jié)合中國(guó)集成電路NMOS工藝技術(shù)發(fā)展情況，1974年沈緒榜提出研制中國(guó)芯片16位微計(jì)算機(jī)的設(shè)想。所謂中國(guó)芯片計(jì)算機(jī)，就是涵蓋計(jì)算機(jī)指令集合、體系結(jié)構(gòu)、邏輯設(shè)計(jì)方案，包括配套集成電路都具有中國(guó)自主設(shè)計(jì)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，中國(guó)自行制造的計(jì)算機(jī)。它是沈緒榜堅(jiān)持自力更生、科技創(chuàng)新思想與學(xué)術(shù)研究相結(jié)合的具體表現(xiàn)，也是他一生為之拼搏奮斗的理想目標(biāo)。經(jīng)過(guò)3年艱苦奮斗，1977年，沈緒榜和同事研制出中國(guó)第一臺(tái)16位專用微計(jì)算機(jī)——LS77型微計(jì)算機(jī)。

奮發(fā)圖強(qiáng)，他促進(jìn)中國(guó)CMOS芯片設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展

自20世紀(jì)80年代國(guó)外芯片進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)以后，中國(guó)芯片設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展緩慢到幾乎停頓下來(lái)。沈緒榜從親身經(jīng)歷的“兩彈一星”任務(wù)發(fā)展中看到：箭載計(jì)算機(jī)的所有芯片都是中國(guó)設(shè)計(jì)和制造出來(lái)的，這種名副其實(shí)的中國(guó)芯片計(jì)算機(jī)，保證和促進(jìn)了中國(guó)航天技術(shù)和微電子技術(shù)的成功起步和迅速發(fā)展。1981年，沈緒榜作為中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)代表團(tuán)的一員訪問(wèn)了美國(guó)硅谷，這次訪問(wèn)使他深深感受到一個(gè)國(guó)家科技和工業(yè)發(fā)展與芯片技術(shù)發(fā)展密不可分。

面對(duì)國(guó)外集成電路對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的強(qiáng)大沖擊，沈緒榜仍堅(jiān)持走中國(guó)芯片計(jì)算機(jī)的道路。他利用與法國(guó)專家合作的機(jī)會(huì)，研究了數(shù)字信號(hào)處理的多種算法及其芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，特別是FFT算法的位序倒置尋址技術(shù)、快速乘法計(jì)算技術(shù)以及并行計(jì)算技術(shù)。完成了16位陣列乘法器、16位陣列乘法累加器等數(shù)字信號(hào)處理芯片的研制；促進(jìn)了CMOS芯片技術(shù)的發(fā)展，開辟了DSP處理器芯片設(shè)計(jì)的新路。

海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后，計(jì)算機(jī)病毒問(wèn)題引起了國(guó)家對(duì)軍用芯片國(guó)產(chǎn)化的高度重視。沈緒榜因此承擔(dān)了中國(guó)軍用微處理器芯片的國(guó)防預(yù)研任務(wù)。他和博士生一起，在很短的時(shí)間內(nèi)完成了LSRISC微處理器芯片的功能設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)和電路版圖設(shè)計(jì)工作。分別于1995年和1997年成功研制了一種定點(diǎn)32位RISC微處理器CMOS芯片和一種浮點(diǎn)32位RISC微處理器CMOS芯片，使CMOS處理器芯片的集成度和計(jì)算精度上了一個(gè)新臺(tái)階。

隨著芯片集成度的提高與并行計(jì)算規(guī)模的擴(kuò)大，1987年系統(tǒng)芯片的概念產(chǎn)生了，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)將轉(zhuǎn)移到芯片設(shè)計(jì)上來(lái)。美國(guó)休斯公司采用了系統(tǒng)芯片的發(fā)展對(duì)策，先后研制了每個(gè)大圓片上有128×128與256×256個(gè)處理元的MPP系統(tǒng)芯片。

中國(guó)科學(xué)院院士沈緒榜

在休斯公司MPP系統(tǒng)芯片的啟發(fā)下，為了滿足航天圖像處理需要，沈緒榜和博士生一起，采用1微米CMOS工藝，設(shè)計(jì)和研制了一種16位定點(diǎn)處理元8×8陣列的MPP系統(tǒng)芯片。采用64個(gè)這種MPP系統(tǒng)芯片，按照單指令多數(shù)據(jù)流的PE陣列體系結(jié)構(gòu)，于1999年研制了具有4096個(gè)處理元PE陣列的MPP計(jì)算機(jī) ，使中國(guó)CMOS芯片設(shè)計(jì)技術(shù)從處理器芯片跨越到系統(tǒng)芯片水平。

老驥伏櫪，他翻開中國(guó)系統(tǒng)芯片自行設(shè)計(jì)新篇章

在沈緒榜看來(lái)，系統(tǒng)芯片是與計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)有關(guān)的事，即它的設(shè)計(jì)是與應(yīng)用領(lǐng)域工作者的系統(tǒng)設(shè)計(jì)相互聯(lián)系的。系統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)將會(huì)像計(jì)算機(jī)應(yīng)用一樣，從“科學(xué)殿堂”走入“百姓人家”。為了說(shuō)明芯片技術(shù)的這種重要性，沈緒榜編著了院士科普叢書《工業(yè)發(fā)展的面包——芯片》。

按照牛頓物理學(xué)理論，人們可感知的3D空間和1D時(shí)間是互相分開的，3D空間的事物變化是隨著1D時(shí)間變化而演變的。但是，根據(jù)愛因斯坦狹義相對(duì)論，時(shí)間和空間并不是互不相關(guān)的兩個(gè)事物，而是合成4D時(shí)空的整體，時(shí)間是第四個(gè)維度。狹義相對(duì)論是4D時(shí)空的數(shù)字框架，在本質(zhì)上是與牛頓物理學(xué)相同的。因此，像物理學(xué)家那樣思考，沈緒榜認(rèn)為，計(jì)算機(jī)的計(jì)算，也應(yīng)該是按照事物4D空間演變而自然統(tǒng)一的時(shí)空計(jì)算。所以，在現(xiàn)在的串行計(jì)算機(jī)中，3D空間中的事物是以1D存儲(chǔ)器中的點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行描述的；在單處理器上，程序“從點(diǎn)開始，從點(diǎn)到線，從線到面”分層處理3D空間事物，是一種“從點(diǎn)開始，分層處理”的時(shí)間1D的時(shí)空計(jì)算機(jī)。向量計(jì)算機(jī)是一種“從線開始，分層處理”的時(shí)空2D(時(shí)間1D+空間1D)的時(shí)空計(jì)算機(jī)。在時(shí)空3D（時(shí)間1D+空間2D)的并行計(jì)算機(jī)中，3D空間中的事物是以3D陣列存儲(chǔ)器中的2D數(shù)組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)描述的，在2D系統(tǒng)芯片/陣列芯片上，程序“從面開始，分層處理”3D事物，是一種“從面開始，分層處理”的時(shí)空計(jì)算機(jī)。換句話說(shuō)，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)都是一種時(shí)空計(jì)算的計(jì)算機(jī)，但不是時(shí)空計(jì)算自然統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)。

為了時(shí)空計(jì)算自然統(tǒng)一的問(wèn)題，沈緒榜對(duì)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類；研究了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一模型；提出了一種統(tǒng)一改變的陣列處理器體系結(jié)構(gòu)和一種系統(tǒng)芯片自然統(tǒng)一的方案。在這些工作的基礎(chǔ)上，他從計(jì)算機(jī)應(yīng)用的編程語(yǔ)言、設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的制造技術(shù)三個(gè)方面，進(jìn)行時(shí)空計(jì)算自然統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)研究，圓一個(gè)中國(guó)系統(tǒng)芯片自行設(shè)計(jì)之夢(mèng)。