中国芯片30年的历史,它背后有哪些不为人知的故事?

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目前,中国俨然成为世界第一制造业大国,世界第一贸易大国,世界第一大经济体(按PPP计算),然而在这些光环下,中国每年却要进口超过2000亿美元的芯片,全球手机和电脑大多中国制造。然而,其中装有中国“芯”的却寥寥无几,整个集成电路产业受制于欧美,CPU已然成为中国制造转型升级的“芯”病。

回溯历史,中国也曾经拥有过自己的CPU和全自主的半导体产业,我们的前辈们在一穷二白的情况下,着实给我们留下了一笔颇为可观的家底。

 一、师从苏联,从模仿到自主设计

建国伊始,因军事和科研上的需要,国家非常重视计算机技术研发,在这个时期,主要依靠从苏联获得的技术图纸和苏联在156工程中援建的电子管工厂设计、生产自己的计算机。

1952年成立电子计算机科研小组,由数学研究所所长华罗庚负责。

1953年4月,计算机小组提出了一台串行的电子管计算机的轮廓设想,性能参数与EDVAC、EDSAC计算机相当。

1954年,计算机小组转到中国科学院近代物理研究所,在钱三强的领导下工作。

1956年,国家制定了发展我国科学的12年远景规划,把开创我国的计算技术事业等项目列为四大紧急措施之一,中国科学院成立了计算技术研究所筹备委员会,将人才集中到该研究所。

同年,夏培肃院士完成了第一天电子计算器和控制器的设计工作,并编写了中国第一本电子计算机原理讲义。在院校开设了计算机设计、程序设计和计算机方法专业训练班,并送技术尖子赴苏联进修。

1958年,原七机部张梓昌高级工程师对苏联提供的M-3机设计图纸进行局部修改后,成功研制出103计算机,该机字长31位,内存容量为1024字节,运算速度提高到每秒3000次,该计算机共生产36台。

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             (张梓昌)

1959年,张效祥教授以苏联还在研制中的БЭСМ-II计算机为模板成功研制104计算机,该机共生产7台,有电子管4200个,二极管4000个,字长39位,每秒运行1万次。

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(张效祥)

1959年天津电子仪器厂开始生产红旗551型模拟计算机。

1960年北京无线电一厂开始生产555型台式模拟计算机。

1960年,由夏培肃院士自行设计的107计算机研制成功,并被安装在北京玉泉路中国科学技术大学。

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(夏培肃)

107计算机是一台小型的串联通用电子管数字计算机,字长32位,内存容量为1024字节,有加减乘除等16条指令,主频62.5kHz。该计算机共有各种程序100多个,包括检查程序、错误诊断程序、标准子程序、标准程序和各种应用程序等。

中科大以107计算机为基础,编写了《计算机原理》和《程序设计讲义》,作为该校计算机专业、力学系、自动化系、地球物理系的教材。107计算机除了为教学服务外,还服务于潮汐预报、弹道计算、核物理、力学、微波等领域。

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(107计算机)

二、独立自主,技术封锁下的自强不息

因长波电台、联合舰队、中苏论战等事件的影响,中苏关系迅速恶化,《中苏友好同盟互助条约》名存实亡,赫鲁晓夫撤走了全部在华苏联专家,而在珍宝岛、铁力提克事件后,中苏几乎到战争边缘,中国已无法得到苏联技术支援。

与此同时,西方对中国进行严格的技术封锁,即使在72年尼克松访华之后,中国也只能引进钢铁、化工等传统行业西方淘汰的技术,对于当时属于高科技领域的半导体产业,中国只能通过特殊渠道少量购买设备,始终无法从官方途径大规模引进半导体设备和技术资料。

在美苏的技术封锁下,使中国只能走自主设计、自主生产的发展路线,正如某人说“封锁吧,封锁他十年八年,中国的问题就解决了”。

在付出艰辛和汗水后,中国依靠自己的力量,掌握了晶体管制造技术,并实现了从晶体管到中小规模集成电路,再到大规模集成电路的跨越。

1964年,哈军工成功研制出441B-I 计算机。

1964年,吴几康成功研制119计算机,该计算机运算能力为每秒5万次,内存容量比104计算机大8倍。119计算机是第一台自主设计的晶体管计算机,且是用全国产电子元件制造的计算机。

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(吴几康)

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(119计算机)

1965年,109计算机研制成功,该机由2万多支晶体管,3万多支二极管组成,稳定运行15年。109和119计算机在我国研制氢弹的历程中立下汗马功劳。

1965年,中国自主研制的第一块集成电路在上海诞生(比美国晚了5年),从此中国进入集成电路时代。

1965年,哈军工成功研制441B-II。

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(441B-II,稳定运行20余年,照片摄于1991年)

1970年,哈军工成功研制441B-III,该机是我国第一台具有分时操作系统和汇编语言、FORTRAN语言及标准程序库的计算机。441B系列机在天津电子仪器厂共生产了100余台,主要用于教学和科研,平均使用10年以上。

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(慈云桂,主持设计411B系列机型)

1972年,自主研制的大规模集成电路在四川永川半导体研究所诞生,实现了从中小集成电路发展到大规模集成电路的跨越(美国是从1960年到1968年,用了8年时间。中国是从1965年到1972年,用了7年时间)。

1973年,北京大学、北京有线电厂等单位联合研制150计算机,该机字长数48位,运算能力达每秒100万次,主要用于石油、地质、气象和军事部门。

1973年,韶关市无线电厂研制成功晶体管161型“南华”牌台式计算机。

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(130控制台终端)

1974年,由清华大学设计,北京无线电三厂生产的130计算机研制成功。随后,成功研制了131、132、135、140、152等计算机,总产量近千台。这批计算机主要用于科学计算、数据处理、工业过程控制、数据采集、信息和事物处理等方面。

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图为130机,是DJS100系列机的“标准机”。

小于130序号是100系列低档机,高于130序号是100系列高档机。该机字长:二进制16位,内存:4-32k,存取周期:2微妙,速度:定点加法50万次/秒,基本指令:22条,可组合成2000条指令,指令字长:16位,指令长度:等长,通道数:最多能挂接62种外部设备。

使用rtos rdos操作系统和basic fortran 汇编语言等。

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(130系列机型用的内存——磁芯存储器)

1974年,国家立项748工程。748工程成功研制汉字通信、汉字情报检索、汉字精密照排、微型机汉字操作系统、汉字数据库系统、汉字工具软件、汉字全文检索系统以及汉字输入、输出设备,形成了汉字信息处理产业。

1975年8月,韶关市无线电厂研制成功南华牌LX--121型银行利息机。并获1977年全国台式计算器质量评比第一名。

1975年HMJ-200型大型混合模拟计算机在北京无线电一厂研制成功并投产。

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(HMJ200型混合模拟计算机)

1975年,上海无线电十四厂成功开发出当时属国内最高水平的1024位移位存储器,集成度达8820个元器件,达到国外同期水平。

1976年12月,由华北计算机技术研究所、西北电讯工程学院和西北工业大学联合设计,南丰机械厂试制出第一台183计算机,随后研制出184、185、186和1804共5个机型。

到70年代末,全国建设了四十多家集成电路工厂,国防科大成功研制151计算机,华东计算技术研究所成功研制1001中型集成电路计算机和HDS—9计算机(每秒运算500万次);

成功研制DJM-300系列混合模拟计算机系统,该系列机型广泛用于航天、航海、原子能、电力、化工等方面,共五个子型号:

DJM-310 小型混合模拟机,规模8阶;DJM-320 小型混合模拟机,规模16阶;DJM-330 中型混合模拟机,规模24阶;DJM-340 中型混合模拟机,规模24阶,静态指标高于330;DJM-350 大型混合模拟机,规模48阶。

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图为DJM-310混合模拟计算机。DJM310型机是DJM300系列低档小型机,可用于求解不高于8阶的线性和非线性微分方程。

整机采用积木式组合结构,模拟运算单元以4阶一组,组合成4阶或12阶以适应不同的需要。具有两台同型机并机运算能力便于扩大解题。输出方式:机内数字式面板表、12吋四线示波器。

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DJM-330混合模拟计算机,DJM-330型混合模拟计算机是采用集成电路组成的数字模拟混合计算机,本机通过接口机箱与DJS-100系列计算机连接,也可以构成数字模拟混合计算机系统。

该机可以求解不高于24阶线性、非线性、常系数、变系数微分方程;按实时和超实时模拟由上述方程所描述的自动系统;具有分时和迭代运算能力,因此可求解偏微分方程、积分方程、多重积分等,并可进行常系数自动寻优完成自动系统的最佳控制。该机采用组合结构,可根据不同要求灵活配置,可多机并联运行。

成功研制256和1024位ECL高速随机存储器,掌握了NMOS 256位和4096位、PMOS 1024位随机存储器生产能力;掌握了可用于制造分子束外延设备的无显影光刻技术;中科院上海冶金所还独立发展了制造集成电路所需要的离子注入机,并出口到日本。

三、自1952年-1976年的经验和教训

在这个时期,国内科研人员和产业工人发扬自力更生、自强不息的精神,建成了中国自己的半导体工业,掌握了从单晶制备、设备制造、集成电路制造的全过程技术,之所以能取得这些成绩的原因在于:

一是坚持“自主研发为主,技术引进为辅”的发展路线。

以自力更生,艰苦奋斗的精神大力研发自主技术,即使已经引进了苏联的技术资料,依旧保留自己的技术研发团队——夏培肃院士于1954年着手基本逻辑电路的设计、试验和运算器、控制器的逻辑设计,这为与苏联交恶后,自主研制计算机打下了坚实的基础。

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(70年代广泛使用的硬磁盘机,全国装机超过6000台

相对于80年代“市场换技术”下的中国自主技术的集体沉沦,无论是50年代末引进苏联技术资料,还是70年代通过特殊渠道少量购买欧美先进设备,走的是都“消化吸收、融会贯通、推陈出新、举一反三”的路线,技术引进不仅没对自主技术造成冲击,反而使其融入自己的工业体系中,使中国自主技术更上一层楼。

二是重视科研。

自建国至1978年,国家依靠“高积累、低消费”的方式集中大量资源用于国家建设和技术研发,以老一代革命先辈“献完青春献子孙”的奉献精神和人为压低人民生活水平为代价,将满目疮痍的农业国建设为拥有核武的世界第六工业国。

在此期间,虽然国家财政并不富余,但中国用于科技研发的经费占国民生产总值的平均比例为1.28%,到70年代末,随着经济实力的提升该比值提升到2.32%,做到了竭尽所能为科研工作保障资金。

三是重视人才。

一方面积极吸引在海外留学、工作的技术人才回国效力;另一方面积极培育自己的人才,在开设短期速成班的同时,在院校开设计算机专业,培育专业技术人才,并送优秀尖子赴苏联深造(1960年后中断)。

四是全国大协作的工作模式。

因外部环境恶劣、安全形势严峻的影响,为防止半导体产业被敌人“一锅端”,中国不得不将半导体产业布局分散,但在全国大协作下的举国体制下,各个单位互帮互助,尽可能克服产业布局分散的不利影响,齐心协力,共同攻坚,以集中全国科研力量攻坚克难的方式解决了科研道路上一个又一个难题。

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(1964年的电脑游戏)

这个时期,也存在四点教训:

一是科研与生产联系得还不够紧密,基本上都是用于军事、科研和教学。在计划经济体制下,科研成果未能及时转化为商品。

二是产业布局分散,没有形成规模效应。因外部环境恶劣,特别是中苏论战后同时与美苏交恶,遵循“不把鸡蛋放到一个篮子”的指导思想,科研力量和生产厂家全国东西南北遍地开花,造成科研力量分散,各地的集成电路产业也难以形成规模生产效应。

三是未能将CPU研发独立于计算机的研发。进入大规模集成电路时代后,美国将CPU研发独立出来,而中国依旧将CPU研发附属于计算机研发,从而造成一些CPU研发项目因配套的计算机项目下马而夭折。

四是文革时期过于频繁的政治运动影响了科研工作的正常开展,在一些单位白天搞运动,晚上搞科研成为常态,一批资产阶级出生的科学家受到冲击离开了科研一线,并受到了不公正的待遇。

但祸兮福所倚,福兮祸所伏,在文革时期极左的政治生态使“独立自主,自力更生”成为政治正确,不论何人,即使身居高位,在决策中哪怕有一丝“造不如买,买不如租”的念头,在政治上就会被打进十八层地狱。从这个层面上讲,文革极左的政治生态反倒成了中国半导体产业自主技术发展的护身符。

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  1. lrj 5
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    “造不如买,买不如租” ,急功近利 害人呀!!!

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