不畏艰难 倾心做“芯”——走近中国芯片计算机开拓者沈绪榜院士

◎《网信军民融合》编辑部 整理

一句格言，影响他一生的科学研究工作

沈绪榜和计算机的不解之缘，还要从1956年国家成立计算技术研究所筹委会，他被调入北京大学数学力学系计算数学训练班说起。

那时的他，有幸见到了时任计算技术研究所筹委会主任的知名数学家华罗庚，并聆听了这位导师的谆谆教诲。华罗庚告诫这些新中国的青年学子们，要掌握“把书念薄”的学习方法，对待科学研究要具有锲而不舍的精神，这些话成了沈绪榜一生从事科学研究工作的宝贵格言。

1957年10月，沈绪榜被分配到中国科学院计算技术研究所，开始从事通用电子管与晶体管计算机的设计工作。当时，20世纪50年代末期计算机研究资料十分稀少，只有苏联的两种通用电子管计算机资料。沈绪榜把仅有的资料反复阅读，掌握了通用数字计算机的设计原理。他在熟读的基础上融会贯通，熟能生巧，真正做到华罗庚先生说的“把书念薄”，同时他还不断思考和探索计算机设计的关键技术，举一反三，运用于实际工作中。当时他想到，如果将机器的指令与数据都放在同一存储器中的体系改为指令与数据分开存放的体系结构方案，就能明显地改善访问存储器的效率，提高计算机的性能。多年以后，在英文计算机资料中才知道这就是哈佛（Harvard)体系结构。年轻的中国计算机设计者就是在这种艰苦条件下，孜孜不倦地追求和探索计算机世界的奥秘。

刚工作不久，沈绪榜就考取了留苏研究生。在俄语培训期间，他刻苦学习，阅读了俄文版《火箭技术导论》一书，从此对火箭技术知识产生了浓厚兴趣，这也为他日后提出将计算机用于运载火箭控制系统自动化测试这一创新思想奠定了基础。

攻坚克难，他使中国芯片计算机实现历史性突破

中国集成电路技术与计算机研制工作的结合，是在“两弹一星”战略任务的牵引下起步的。

1965年3月，周恩来总理领导的中央专委下达了“两弹一星”研制任务。为此成立了中国科学院156工程处，沈绪榜任箭载数字计算机设计组组长，负责火箭专用计算机的方案、逻辑设计等工作。

20世纪60年代中期，箭载计算机用户单位对数字计算机不熟悉、除了能提出可靠性、体积、质量、环境要求等指标外，无法提出机器字长、运算速度和存储容量等性能指标，任务书中提出的仅是计算公式和数据，以及计算周期与加速度表脉冲当量表示的计算精度等内容。这就要求计算机设计者从模拟计算开始，求出箭载计算机的字长、容量与速度等基本指标，并完成应用程序等所有软件研制。沈绪榜充分发挥出深厚的计算数学知识实力，以及早期从事电子管与晶体管计算机设计的技术优势，再加上从事电路设计与芯片制造同事们的努力，终于在1966年9月，集成电路与计算机技术的融合结出了可喜的果实，中国芯片的第一台双极小规模集成电路箭载计算机模样机诞生了。

受到当时国内微电子技术水平限制，模样机体积太大，不能满足使用要求。为了解决这一技术难题，最直接的方案就是提高芯片的集成度，减少芯片数量，这在当时的条件是根本做不到的。沈绪榜在困难面前没有退缩，他把目光投向计算机设计，提出了一种独创的增量计算机体系结构，实现了机器小型化。增量计算机很快就研制出来了，但通过实验测试，计算精度不能满足要求。这成了摆在沈绪榜面前的又一个难题。

为了解决好这个难题，沈绪榜与同事一起在机房里日夜苦干3个月，从增量计算机的工作原理出发，经过大量的推算、验证和实验，终于搞清楚了原因，提出了一种多重积分误差校正新方法，并重新设计了应用程序，使计算精度达到实战使用要求。1971年9月10日，这种中国芯片的小规模集成电路增量计算机在中国远程运载火箭的首飞实验中一举成功，为祖国争得了荣誉。

攻坚克难、努力拼搏。整整6个春秋，沈绪榜和同事们一起，为“两弹一星”箭载计算机研制工作交出了一份满意的答卷。

20世纪60年代后期，沈绪榜又承担了一种新型箭载计算机的设计任务。面对当时半导体存储器还未问世，唯一可用的是磁芯存储器的现状，要满足新型箭载计算机小型化指标的要求，只有设计一种不用磁芯存储器的计算机，这是一个十分艰难的问题。沈绪榜排除万难，在1969年完成了中国芯片第一台PMOS中规模集成电路箭载数字积分机的设计和研制任务。既解决了机器小型化难题，又促进了中国集成电路从TTL工艺技术到M0S工艺技术的历史性突破和发展。

基于对微电子M0S技术发展方向的认识，结合中国集成电路NMOS工艺技术发展情况，1974年沈绪榜提出研制中国芯片16位微计算机的设想。所谓中国芯片计算机，就是涵盖计算机指令集合、体系结构、逻辑设计方案，包括配套集成电路都具有中国自主设计的知识产权，中国自行制造的计算机。它是沈绪榜坚持自力更生、科技创新思想与学术研究相结合的具体表现，也是他一生为之拼搏奋斗的理想目标。经过3年艰苦奋斗，1977年，沈绪榜和同事研制出中国第一台16位专用微计算机——LS77型微计算机。

奋发图强，他促进中国CMOS芯片设计技术实现跨越式发展

自20世纪80年代国外芯片进入中国市场以后，中国芯片设计技术发展缓慢到几乎停顿下来。沈绪榜从亲身经历的“两弹一星”任务发展中看到：箭载计算机的所有芯片都是中国设计和制造出来的，这种名副其实的中国芯片计算机，保证和促进了中国航天技术和微电子技术的成功起步和迅速发展。1981年，沈绪榜作为中国计算机学会代表团的一员访问了美国硅谷，这次访问使他深深感受到一个国家科技和工业发展与芯片技术发展密不可分。

面对国外集成电路对国内市场的强大冲击，沈绪榜仍坚持走中国芯片计算机的道路。他利用与法国专家合作的机会，研究了数字信号处理的多种算法及其芯片设计技术，特别是FFT算法的位序倒置寻址技术、快速乘法计算技术以及并行计算技术。完成了16位阵列乘法器、16位阵列乘法累加器等数字信号处理芯片的研制；促进了CMOS芯片技术的发展，开辟了DSP处理器芯片设计的新路。

海湾战争后，计算机病毒问题引起了国家对军用芯片国产化的高度重视。沈绪榜因此承担了中国军用微处理器芯片的国防预研任务。他和博士生一起，在很短的时间内完成了LSRISC微处理器芯片的功能设计、逻辑设计和电路版图设计工作。分别于1995年和1997年成功研制了一种定点32位RISC微处理器CMOS芯片和一种浮点32位RISC微处理器CMOS芯片，使CMOS处理器芯片的集成度和计算精度上了一个新台阶。

随着芯片集成度的提高与并行计算规模的扩大，1987年系统芯片的概念产生了，计算机系统设计将转移到芯片设计上来。美国休斯公司采用了系统芯片的发展对策，先后研制了每个大圆片上有128×128与256×256个处理元的MPP系统芯片。

中国科学院院士沈绪榜

在休斯公司MPP系统芯片的启发下，为了满足航天图像处理需要，沈绪榜和博士生一起，采用1微米CMOS工艺，设计和研制了一种16位定点处理元8×8阵列的MPP系统芯片。采用64个这种MPP系统芯片，按照单指令多数据流的PE阵列体系结构，于1999年研制了具有4096个处理元PE阵列的MPP计算机 ，使中国CMOS芯片设计技术从处理器芯片跨越到系统芯片水平。

老骥伏枥，他翻开中国系统芯片自行设计新篇章

在沈绪榜看来，系统芯片是与计算机应用系统有关的事，即它的设计是与应用领域工作者的系统设计相互联系的。系统芯片的设计将会像计算机应用一样，从“科学殿堂”走入“百姓人家”。为了说明芯片技术的这种重要性，沈绪榜编著了院士科普丛书《工业发展的面包——芯片》。

按照牛顿物理学理论，人们可感知的3D空间和1D时间是互相分开的，3D空间的事物变化是随着1D时间变化而演变的。但是，根据爱因斯坦狭义相对论，时间和空间并不是互不相关的两个事物，而是合成4D时空的整体，时间是第四个维度。狭义相对论是4D时空的数字框架，在本质上是与牛顿物理学相同的。因此，像物理学家那样思考，沈绪榜认为，计算机的计算，也应该是按照事物4D空间演变而自然统一的时空计算。所以，在现在的串行计算机中，3D空间中的事物是以1D存储器中的点数据为基础进行描述的；在单处理器上，程序“从点开始，从点到线，从线到面”分层处理3D空间事物，是一种“从点开始，分层处理”的时间1D的时空计算机。向量计算机是一种“从线开始，分层处理”的时空2D(时间1D+空间1D)的时空计算机。在时空3D（时间1D+空间2D)的并行计算机中，3D空间中的事物是以3D阵列存储器中的2D数组数据为基础描述的，在2D系统芯片/阵列芯片上，程序“从面开始，分层处理”3D事物，是一种“从面开始，分层处理”的时空计算机。换句话说，现在的计算机都是一种时空计算的计算机，但不是时空计算自然统一的计算机。

为了时空计算自然统一的问题，沈绪榜对现有计算机的体系结构进行了分类；研究了计算机体系结构的统一模型；提出了一种统一改变的阵列处理器体系结构和一种系统芯片自然统一的方案。在这些工作的基础上，他从计算机应用的编程语言、设计的体系结构和实现的制造技术三个方面，进行时空计算自然统一的计算机设计研究，圆一个中国系统芯片自行设计之梦。