聊聊70年代自主研制国产CPU芯片的故事

在中美科技战背景下，全体国人充分认识到了芯片的重要性，人们期待我国的芯片产业自强自立，希望CPU芯片等高端通用芯片的短板能尽快补齐。本文回顾一段历史，介绍沈绪榜院士早在上世纪70年代，自主研制国产CPU芯片的故事，以及当时的时代背景，读者可据此了解我国发展***的历程。

近两年，随着美国对我国高技术产业的围堵已从集成电路(芯片、IC)设计，延伸到制造、设备和材料，再深入到关键核心技术，我国芯片产业正经历着历史上的至暗时刻。万众期待我国芯片产业实现自强自立，希望国家出台更强有力的举措来发展芯片产业。

在谈到发展国产CPU芯片时，大家自然会想到中国科学院计算所2001年就开始设计的龙芯系列国产CPU，以及后来陆续推出的兆芯、海光、飞腾等国产CPU品牌，加上海思麒麟系列SoC为代表的一大批SoC品牌，其阵容还算强大。但是，美国正在从制造等环节遏制我们，使我们设计的高端CPU芯片和SoC芯片无法被制造出来。

如果要追寻最早的国产CPU芯片研制历史，应该从航天771所沈绪榜院士1977年主持研制的16位大规模集成电路(VLSI)微型计算机CPU芯片算起。该芯片在设计时是从电路逻辑、制造工艺和整机系统方面通盘考虑的，并且是在该所的生产线上完成。所以沈院士要解决和克服的困难很多。相比之下，龙芯及后来各种国产CPU芯片研制，设计时采用了先进的进口EDA软件，制造时委托芯片制造厂代工，需要解决和克服的困难要相对少一些。作为最早的国产CPU芯片的研制者，国内研究CPU架构的开先河者，沈绪榜院士从2001年开始，先后被邀请参加了龙芯、中星微、银河、天河等CPU芯片和计算机项目的鉴定，并担任鉴定会主席。龙芯及后续的国产CPU芯片距他1977年研制第一款国产CPU芯片晚了二十多年时间。

要回顾这段历史，就要从“两弹一星”的配套工程说起。我国要发展运载火箭和导弹，重要的是要“导”，“导”就是控制和引导。这就要求在火箭和导弹上必须安装又轻又小的微型计算机，用来制导火箭和导弹的飞行轨迹。

一、“两弹一星”的配套工程：156工程

1960年，中国首枚近程导弹虽然成功发射，但由于射程较短，以及技术上的局限，大大制约了未来原子弹和氢弹的研制、发射和投送。

为了提升运载火箭的推力和速度，1965年3月，国家向中国科学院下达了研制远程火箭控制用的微型计算机的任务,微型计算机命名为156微型机，研制任务称为156工程。同年9月，由中科院计算所、电子所、物理所、东北物理所、西北计算所、长春应化所六个研究所的七个研究室的半导体和计算机人员合并后，在北京中关村成立了新型的集成电路与计算机研究所，对外代号为156工程处。不久又在陕西临潼骊山北麓开始“三线”项目建设，项目对外名称是324工程处，由于有部队参与建设和保卫，项目对外也称为兰字826部队。156、324和826都是相同工程的代号，它们是后来航天771所的前身。

令人叹服的是，156工程上马仅一年，1966年9月，中国第一台自主研制的集成电路计算机样机便在北京完成。这是在条件有限的情况下，科研人员克服重重困难，以只争朝夕的工作热情完成的。科研人员回忆当时的情况说道，虽然156工程处的工作条件是国内最好的，但仍然十分简陋。“在没有高精密设备的情况下，工程师们只能用锯子切割硅片。精密的半导体元件竟是在一片片手工打磨的硅片上制作而成。”

那时，156工程全体人员怀着对祖国的满腔热忱，克服一道道难关，先后在北京中关村和陕西临潼骊山脚下开创了“灯火辉煌156”、“战天斗地324”的创业佳话。四年后的1969年，156工程全员迁至陕西临潼，继续进行着航天微电子和微型计算机领域最新、最前沿的技术研究。

骊山的山顶有著名的周朝“烽火戏诸侯”的烽火台，北麓有著名的唐朝杨贵妃“温泉水滑洗凝脂”的华清池，北边远处地下还沉睡着“世界八大奇迹”的秦朝兵马俑军阵。但是，324工程处选址于此，并不是看中了这里的好风水，而是想要依托骊山南侧峰峦叠嶂的山地掩护，把这里当作了中国“三线”建设，国家生产力战略转移的根据地。

当时，324工程处周围的环境就和一般小山村无异，有小桥、农田、菜地和满坡的石榴园，还有雨天泥泞、冰雪天溜滑的斜坡路，甚至生活区夜间偶尔会有狼、豹出没。单位毗邻的临潼县城也很落后，当地农民看见女职工穿裙子都觉得很惊奇，指指点点说城里“婆姨”穿的是“独筒裤”。老人们看到厂区管理严格并有军人守卫，会窃窃私语地议论，“山坡上的324到底是干啥的？”，“听说是造原子弹的”。

生活条件虽然十分艰苦，但是324工程作为当时国内顶尖的高技术研究机构，拥有国内一流的人才队伍和最先进的技术设备。由于我国受“巴统”和“瓦森纳协定”限制，324工程无法购买到当时国际上最先进的4英寸芯片生产线，但国内仅有的三条3英寸芯片生产线中，就有一条安装在324工程处。

1975年，324工程划归当时的第七机械工业部(简称七机部、航天部)直接领导，定名为航天771所，对外称为西安微电子技术研究所。

1983年以后，随着改革开放和国际局势缓和，我国备战需求减少，航天771所的上天军品型号任务随之减少。同时也因为国门大开，IBM系列PC机大量进入中国，航天771所为航天军工单位地面应用研制的通用微型计算机(LS 772微型机)由原来的热销很快变为了滞销，后来通用整机生产线也全面停产。

但与此同时，国际技术交流却日趋活跃，航天771所经常会有国外专家来所里进行技术交流。研究生和全所技术人员在不影响工作情况下，都可以参加这些国际微电子和计算机领域最新技术讲座。重要的讲座都是由外语非常精通的科技委主任黄敞先生亲自翻译。航天771所创造了国内相关领域29项第一，某些技术在国际上也是一流的，举三个例证。

例证1：航天771所前身156工程处1965年成立，而且单位以只争朝夕的精神发展着我国的航天微电子和计算机事业。虽比美国1957年创立的仙童半导体公司晚八年，但相比于同样从事计算机芯片开发的1968年才成立的Intel公司，则早了三年时间。

例如2：沈绪榜院士1977年研制出了16位NMOSVLSI CPU芯片，而相比于Intel公司1978年才推出的16位CPU芯片8086，则早了一年时间。

例证3：晶体管模型参数计算机自动提取技术是由居悌研究员于1981年完成，1982年在国际期刊上发表，而美国1982年才开始这方面的研究，相差了几年时间。1986年，居悌仅以副教授的身份受到美国科学院的邀请，赴美进行技术交流，并在伊利诺伊大学讲学(图2)。

目前，航天771所总部由临潼迁到西安市区，多个科研和生产区分布于西安市碑林区、高新区、临潼区、长安区。在岗职工达到5300多人，其中各类专业技术人员2649人，高级职称以上660人。涌现了全国劳动模范、“百位感动中国人物”罗健夫,中国半导体专业著名专家、俄罗斯外籍院士黄敞，中科院院士沈绪榜、沈天惠等一大批科技精英和模范人物。全所形成了计算机、半导体集成电路和混合系统集成三大专业优势齐头并进、军民融合、科学发展的良好格局。

55年来，航天771所先后承担了国家220多个重点工程及武器型号的计算机、集成电路、混合系统集成产品的研制配套任务，创造了我国计算机和集成电路发展史上的29个第一。其中中国计算机方面的4个第一是，1966年，第一台全国产双极型集成电路微型计算机；1970年，第一台全国产PMOS集成电路微型计算机；1977年，第一台全国产16位VLSI微型计算机；1981年，第一台全国产CMOS抗电磁脉冲加固微型计算机。

航天771所是我国唯一融合了半导体集成电路、微型计算机和混合系统集成三位一体的大型研究机构。它几乎与国外同时期起步，是我国航天微电子和计算机的先驱者，是支撑我国航天军工事业创新发展的主力军，也是全球IT百强企业中兴通讯的创办单位。

航天771所同时肩负着计算机和集成电路领域的人才培养任务。55年来，该所共培养了研究生350多名，其中，博士生150多名。在黄敞、沈绪榜、沈天慧等老一辈科技工作者的奉献精神感召下，所风纯正，人才辈出。毕业的具有深厚专业底蕴、又有爱国敬业情怀的行业精英不胜枚举，戴文华、武平、赵元富、陈南翔、马光悌、龚龙庆、陆铁军、任文杰、张兴、王新安、赵秋奇、陈岚、朱向东、史君、于敦山、冯建华、蒋安平、梁松海、钱刚、李莉、张国新、李剑川、杨丰林等是笔者熟悉的部分毕业生，抱歉不能列出全部的研究生优秀代表。无论在芯片设计、制造工艺、设备和材料、计算机系统集成等行业，还是在政府、高校和科研院所，到处有曾在航天771所学习或工作经历的骊山人，他们是微电子、计算机和混合系统集成领域的多面手，在各自岗位发挥着重要作用，为祖国贡献着聪明才智。因此，航天771所也被誉为中国芯片和计算机行业的“黄埔军校”。

二、国内首台微型计算机：156微型机

156微型机是我国第一台远程运载火箭控制系统制导微型计算机，其体积小、重量轻，可在振动、冲击、高温、低温、潮湿、真空等恶劣环境下稳定工作，具有99．8％的可靠性。中国计算机泰斗吴几康，中国半导体著名专家、俄罗斯外籍院士黄敞，中国计算机著名专家、中科院院士沈绪榜，中国著名化学专家、中科院院士沈天慧，著名专家吴锡九、何泽仁、阮鸿义等一批科技领军人物在极端艰苦的条件下，攻克了大量技术难题，为156微型机的研制做出了巨大贡献。在156工程中，黄敞先生负责全面技术工作，沈绪榜先生任计算机设计组组长，负责火箭控制微型计算机的总体方案、逻辑设计、CPU芯片设计和系统集成等工作。

1966年9月初，第一台156微型机样机诞生(图6)，1971年9月10日，装有156微型机的我国首枚洲际运载火箭飞行成功，156微型机表现优异。1975年11月26日，156微型机成功控制“长征二号”运载火箭将我国第一颗返回式人造地球卫星送上太空。1980年5月18日，全部国产化组件的156微型机精确控制着远程运载火箭飞向太平洋，在预定海域准确降落。后续的“长征”系列运载火箭也大量继承、运用了156微型机的技术。

156微型机是我国第一台自主设计、全国产化、用于火箭控制的薄膜混合组件专用微型计算机。它填补了我国箭控嵌入式计算机的空白，将运载火箭的制导控制系统提高到了一个新的水平。它使当时中国集成电路和微型计算机技术与世界先进水平的距离大大缩小，开创了中国航天微电子与微型计算机发展史上的新纪元。

三、国内最早的CPU芯片研发者：沈绪榜院士

航天771所完成了“两弹一星”的156型箭载微型计算机研制任务后，又开始了新的弹载微型计算机设计任务。1974年，基于对MOS微电子技术发展方向的深刻认识，结合国内NMOS工艺技术发展情况，沈绪榜院士提出研制中国16位集成电路微型计算机的设想。在进行了大量前期预研论证、方案设计和逻辑设计基础上，他和芯片设计团队和制造工艺技术人员一起，共同攻克了NMOS工艺技术难关。1977年，他领导研制的中国第一台16位VLSI微型计算机获得成功，型号命名为LS77型。(荣获国家科技进步三等奖。)

LS77微型计算机的CPU芯片是由运算逻辑部件(ALU)和程序逻辑阵列(PLA)电路组成。为了满足箭载应用的计算精度，该CPU的指令集除了16位运算指令外，还有32位运算指令，有直接、间接、堆栈和相对四种寻址方式。LS77微型计算机的系统配套芯片都是自主研制的。其中包括512x2位静态随机存储器(SRAM)芯片、512x9位只读存储器(ROM)芯片、15种大规模NMOS芯片、6种TTL芯片等。

LS77微型计算机是独立设计、研制、生产和电路配套系列化的中国集成电路计算机的首创之举，实现了中国芯片技术的历史性突破。它的研制成功比国外16位微型计算机的问世还早了1年。它也使国产集成电路计算机指令集设计从此转移到了CPU芯片指令集上来，是国产专用CPU芯片的首创之举，是中国计算机技术发展历史上的一座里程碑。1978年，LS77微型计算机成为了献给全国科学大会的一份厚礼。

1980年以后，随着改革开放和国际技术交流日趋活跃，沈绪榜院士的研究内容更加多元，研究方向更加趋向世界前沿，科研成果源源不断涌现出来。他多次参与国际技术交流，利用与法国专家合作的机会，开始研究数字信号处理器(DSP)芯片，先后共研制了四种DSP芯片；他不断研究多元并行处理(MPP)嵌入式计算机技术、嵌入式系统测试新方法，完成了一种320MIPS阵列微处理器芯片的研制。(1985年荣获国家级特等奖，1986年荣获国家级有突出贡献专家称号)；1987年他研制成功了由5个大圆片(Wafer)共1024个16位定点处理元组成的MPP计算机，工频10Mhz，峰值运算速度6亿次/秒，功耗约1.5瓦，体积只有手掌大小；(1988年荣获国防专用国家级科技进步三等奖)；1995年完成了定点32位RISC微处理器芯片的研制；(获1997年国家级科技进步三等奖)；1997年以后分别完成了定点加减法峰值速度每秒达3.2亿次操作的MPP处理器芯片、浮点32位RISC微处理器芯片、以及MPP嵌入式计算机等项目型号的研制，(2002年获得了两项国防科技进步二等奖)，限于篇幅，抱歉诸多成果难以逐个陈述。

图9. 面向高速图像信号处理的MPP嵌入式计算机

(来源：网上资料)

四、沈绪榜院士的科学思想与卓越成就

沈绪榜院士的科学思想与卓越成就可以归纳为以下几点：

1. 20世纪60年代初，他参加了“两弹一星”专用微型计算机研制，先后设计了我国第一台小规模和中规模芯片箭载计算机，提出了多重积分误差校正新方法、箭载增量计算机新体系结构、火箭控制系统计算机测试方法等，取得了突破性技术创新。

2. 70年代，为打破国外的禁运封锁，他率先开展涵盖计算机指令集、体系结构、逻辑设计方案、具有自主知识产权的芯片和微型计算机研究，成功研制出16位VLSI微型计算机，实现了中国集成电路计算机的历史性突破，与国际计算机发展水平并驾齐驱。

3. 80年代末期开始，他主持研究和设计数字信号处理器芯片、定点和浮点32位RISC微处理器芯片、每秒3.2亿次MPP系统级芯片与MPP计算机。

4. 近10年来，他致力于计算机应用编程语言、设计体系结构和系统级芯片实现技术的创新性研究，将计算机时空计算自然统一，圆一个中国计算机系统级芯片自行设计之梦。

5. 沈绪榜院士在科研领域勤勤恳恳，深耕细作的同时，不忘以严谨的治学态度，积极投身到为国家培养计算机和芯片设计双料科技人才的神圣工作中去。先后培养了130多位博士和硕士研究生。

沈绪榜院士发表了80多篇科技论文，出版了《超大规模集成电路系统设计》等七部学术著作。他于2016年荣获了中国计算机学会颁发的“CCF终身成就奖”。

沈绪榜院士是首个国产CPU芯片的研制者，他的首款国产CPU芯片比后来者早了二十多年（一代人以上）的时间。之后，他孜孜不倦地研究，不断创新CPU、RISC微处理器、DSP微处理器、MPP微处理器等芯片的架构、理论和设计方法，是当之无愧的国产CPU芯片之父。

自20世纪80年代，国外芯片进入中国市场后，国内芯片产业特别是民用领域自主基础研究发展缓慢，甚至停顿下来。国外芯片对国内市场形成了强大冲击和占领。但是，沈绪榜院士坚持走中国集成电路计算机自主发展的道路不动摇，继续紧跟世界芯片技术发展潮流，保持计算机体系结构的创新研究不松懈，随时准备着利用最先进的芯片技术为我国航天军工事业贡献力量。

后记：沈绪榜院士研发的国产16位VLSI微型计算机CPU芯片于1977年推出，而美国Intel公司的8086 16位通用CPU芯片晚了一年才推出。虽然通用CPU要比专用CPU复杂，两者可比性不强。但比较至少可以说明，开始时我国自主的芯片技术与国外芯片技术基本同步。因为“两弹一星”等军工航天事业有迫切需求，所以156工程很快上马，全国人才和物资快速向骊山脚下集中。80年代及以后国外芯片大量销往中国，芯片基础技术研发没有受到应有的重视。直到2000年国家发布18号文和推出相关举措，这种局面才开始从芯片设计业逐步扭转。

参考资料：

1. 沈绪榜院士文集，中国宇航出版社，2018.1

2. 居悌，关中往事，居悌教授的博客

3. 居悌，关中往事（二十三）奥克莱街823号，居悌教授的博客

4. CCF中国计算机历史记忆 156计算机，中国计算机学会官网

5. OFweek可穿戴设备网，盘点中国集成电路史上最具代表性的六位科学家

6. AI财经社，中国芯片往事：扎根骊山靠手工打磨，清华系成资深玩家

7. 人民网，航天科技九院771所成立55周年：创新创业谱新章

编辑：黄飞