專訪李曉維：中國技術進入“國際大循環”的同時要補短板

出品|《新基建訪談》No.52

採訪|劉沐琪

文章|本站智能

中國科學院計算所，一直都是中國科學界響噹噹的名字。

它創建於1956年，是中國第一個專門從事計算機科學技術綜合性研究的學術機構，1965年，成功研製出中國第一臺109乙大型通用晶體管計算機。1971年，成功研製111型通用計算機是中國第一批集成電路計算機。2002年9月，計算所發佈了龍芯1號通用CPU芯片。

那麼，計算所是如何保持技術優勢的，計算所專家又如何看待目前的全球科技發展態勢，對中國對技術發展有哪些思考？本站科技本期《新基建訪談》獨家專訪了中國科學院特聘研究員、計算所學位評定委員會副主席、計算機體系結構國家重點實驗室常務副主任、博導李曉維。

他於1991年獲中國科學院博士學位，1993年8月任北京大學計算機系副教授，2000年9月任中科院計算所研究員、博士生導師，現任計算所學位評定委員會副主席、計算機體系結構國家重點實驗室（中國科學院計算技術研究所）常務副主任、中國計算機學會監事長、JCST副主編。

曾獲國家技術發明獎和國家科技進步獎。2013年入選國家百千萬人才工程並獲“有突出貢獻中青年專家”稱號、2014年入選“科技北京”百名領軍人才培養工程；2016年獲中國科協第七屆“全國優秀科技工作者”榮譽稱號。

李曉維表示，從計算機到通用處理器，再到智能處理器、數據處理器等專用加速芯片都是我們國家計算機發展的縮影。這些年的發展得益於兩方面，一是半導體工藝的進步，比如九十年代技術還是微米級，而現在已經納米級；二是體系結構的進步，體系結構的進步和工藝的細化交替推進計算機硬件和架構的更新換代。

面對紛繁複雜的大環境，李曉維談到，我國加入世貿組織之後、科研也參與到國際大循環，可以公平使用商品化設計工具和半導體代工服務，加上中國人的勤奮，完全可以使我們研發的芯片進入世界領先行列，但公平公正的全球大循環還只是一個理想化的世界。如今我們被卡脖子、就需要補短板了，像目前國內集成電路的成熟工藝和國際頂尖水平之間大約還有五代左右的差距。

他還特別指出，年輕一代要有通過科技進步推動物質文明發展的激情：現在的學生比我們當年可選擇的範圍要多，挺羨慕現在的學生有這樣一個好機遇，我也希望一代更比一代強，他們是未來國家的希望，要超越我們，然後再超越他們自己。

以下是專訪實錄摘要：

問：您是研究VLSI測試、容錯計算、硬件安全方面的專家，請您簡單講一講近年來我國計算機技術和信息產業的發展。

李曉維研究員：我是中國科學院計算技術研究所的研究員，計算所是中國第一個專門從事計算機科學技術綜合性研究的學術機構。所以就以計算所爲例，因爲計算所的科研成果也是我國計算機技術的進步、推動信息產業發展的一個縮影。

計算所是我國計算機事業的搖籃，成立初期研製的計算機主要服務國防建設事業、在研製兩彈一星工作當中使用。八十年代進入了改革開放的新時期，由爲國防建設服務轉變爲面向國民經濟建設的主戰場；研製的計算機系統用於石油勘探、氣象預報等。九十年代研製的曙光系列服務器打破國外高技術封鎖、開始商業化應用。2000年之後，計算所就開始做核心芯片，其中標誌性的是龍芯處理器，同期我們國家也在做操作系統。2010年開始研製智能處理器，寒武紀是有國際影響力的，聯想、曙光、寒武紀等上市企業都是依託計算所科研成果發展的典型。誕生於計算所的計算機系統，通用處理器、智能處理器、數據處理器等專用加速芯片都是我國計算機發展的縮影。

這些年的發展得益於兩方面，一是半導體工藝的進步，比如九十年代技術還是微米級，而現在已經接近納米級；二是體系結構的進步，體系結構的進步和工藝的細化交替推進計算機硬件和架構的更新換代。九十年代的手機叫大哥大，像一塊磚頭。現在的手機不僅小且性能很強，各種技術集成在裡面，幾乎是人人離不開的通訊設備，這就是計算機技術和通信技術結合的產物。

問：近年來，計算機技術發展進入加速度階段，您認爲我們國家是靠什麼達到如今的高度？又如何看待現階段我們取得的這些成績呢？

李曉維研究員：這種快速發展得益於中央政府強有力的引導。比如加入世貿組織之後、科研也參與到國際大循環，我國達到世界領先水平的超級計算機神威·太湖之光和華爲手機，其核心芯片都是我國自主研製的。加入世貿組織之後放到國際大循環中去做，藉助於商品化設計工具和半導體代工服務，再加上中國人的勤奮，完全可以使我們研發的芯片進入世界領先行列，但公平公正的全球大循環還只是一個理想化的世界。

如今我們在若干領域被卡脖子、就需要補短板了，像目前國內集成電路的成熟工藝和國際頂尖水平之間大約還有五代左右的差距。這種情況下我們仍可以在體系結構方面做一些工作，通過開源和敏捷設計等創新設計方法，有望打破封鎖。在體系結構和敏捷設計方面，採用不太先進的成熟工藝加上比較先進的硬件架構，有望彌補與基於先進工藝產品的技術差距。所以仍有機會變道追趕，我們在這方面還是有信心的。

另外，各種信息電子裝備都需要大量的集成電路，而我國集成電路目前主要還依賴進口。細分一下會發現，其中大概80%都不是最先進的工藝。換句話說這80%的進口是可以用我們國內成熟工藝生產的，但我們沒有生產，主要是考慮經濟成本效益，還有一些知識產權問題，很多常用芯片的IP都是歐美日韓的。在良性的國際大循環中，我們可以有償使用他國的創造發明成果，所以全球一體化或者產業大循環對所有參與的國家和地區都是好事。

問：我們瞭解到從2000年開始，您在計算機體系結構國家重點實驗室的團隊就開啓了芯片全生命週期的可靠性建構研究，那麼您認爲“芯片的可靠性”的基石是什麼？然後請詳細談談容錯技術方向。

李曉維研究員：CMOS集成電路是以硅爲主體的，硅半導體工藝的細化程度從30年前的微米級發展到現在已接近納米級。遵循摩爾定律、單片集成電路會容納越來越多的晶體管，硅半導體工藝進入超深亞微米之後存在着工藝的偏差或波動。

每一個集成電路的設計均需要進行嚴格的設計驗證、每一片集成電路芯片均需要進行嚴格的測試。出廠測試合格的芯片有的能夠工作幾年，有的只能工作幾天，這就存在可靠性問題。爲此從芯片設計初期就需要考慮對生產出來的芯片進行檢測和修復的內部架構。需要集成電路全生命週期的可靠性分析。特別要進行芯片容錯設計，可以採用我們提出的自測試、自診斷、自修復技術，在不能夠人爲替換的情況下讓芯片自己修復，從而達到長壽命的目標。

目前，芯片容錯主要基於功能修復，就是在芯片上多做一些備用器件。我們團隊2000年開始做這項工作，目前來說已經行成技術體系，也已經容錯架構用在若干個芯片的設計裡。爲此我們還專門研製了一套軟件工具，讓芯片設計人員去使用它，用於芯片的容錯設計。最近計算所鼓勵我們把這套軟件工具進行產業化，讓更多的人受益，爲此成立一個產業化的公司來把它變成產品，目前正在做這個工作。

芯片容錯細分來講，包括生產過程中的容缺陷，生產出的芯片容故障，再到芯片用於系統中的容差錯。所以容缺陷，容故障到容差錯是一體技術，這個技術和現在大型計算機系統中的容錯計算機是銜接的。我們現在的容錯計算機在銀行、證券、航空航天領域的控制系統都要使用，它的單個器件如果採用我們的基於自測試、自診斷、自修復的容錯技術，那麼整體就會有更長的使用壽命，更有力的可靠性保障。

目前我們團隊開始與地方政府合作，目前在北京市，很快就將推廣到長三角地區。那裡的集成電路從設計、生產、封裝都比較齊全，但是缺少全生命週期的可靠保障，這正好去彌補短板。

在容缺陷、容故障、容差錯之外，我們還有增加一點就是對安全性的檢測。現在國家越來越重視國家信息安全，但這僅僅靠個人意識和政策是不夠的，需要通過技術設置防線來保障信息安全。

問：您個人作爲一名科研人員，是什麼讓您堅持在科研這條道路上一直走下去，您新階段的目標是什麼呢？

李曉維研究員：作爲一名科技工作者，是要有科學家精神的。我們國家是製造業大國，集成電路產業的先進製造的代表，如何杜絕假冒僞劣產品呢？嚴格的測試，是最基本的辦法，在測試技術下假冒僞劣產品無所遁形，包括惡意植入的硬件木馬等都能被發現。從芯片產品質量到硬件安全隱患檢測我們都可以去做。一名科研工作者對事情要有精益求精的態度，做測試要做到“吹毛求疵”的程度，一定要做到完美。

新階段的目標有兩點，一是向前推進技術，把相當多的精力放在硬件安全隱患的檢測和芯片防止被人惡意修改的工作上。二是追求完美，培養更多人才。然後盡力多做一些科普，讓更多人瞭解集成電路從質量到可靠和安全的重要性。

問：作爲中科院的“優秀研究生導師”，您是如何與學生共處的？如何看待新一代年輕人在科研領域的新作用新機遇，有哪些建言。

李曉維研究員：30年前我是出於對科學家的崇敬，對中國科學院這樣科學殿堂的嚮往來讀書的。作爲科技工作者，我覺得要有爲國科研、爲國奉獻，爲國家做事的心。在這點上，我們計算所的特點就是結合承擔的科研任務來培養學生，讓學生參與做科研，在科研中培養學生。我們跟學生之間的關係很融洽，學生和我們做科研不僅僅是學習，更有機會一起去探索新的東西。

現在的學生比我們當年可選擇的範圍要大很多，隨着互聯網高速發展，相關論文資料都可以方便下載閱讀，挺羨慕現在的學生有這樣一個好機遇，我也希望一代更比一代強，他們是未來國家的希望，希望取得更好的成績，要超越我們，然後再超越他們自己。