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雄关漫道真如铁、而今迈步从头越--我的50年微电子之路 [复制链接]

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发表于 2009-8-6 11:25:53 |显示全部楼层
关键词: 迈步 , 漫道 , 微电子 , 雄关
岁月如流,58年大学毕业至今,半个世纪已逝去,而往事却历历在目,仿佛就发生在昨天,一幕又一幕……

1、 走进微电子

56年毛主席,周总理为了发展我国的科学事业,采取了四项紧急措施,其中之一就是加速半导体学科的发展,清华当年即创办了半导体专业,57年李志坚教授从前苏联学成回国,领导教研室,58年前苏联专家又来清华讲学,因此母校华中工学院(今华中理工大学)即时派我到清华进修,主攻半导体器件,从此与微电子学结上了终身之缘。

我是与清华首届半零[1]同学一起听课和学习的,全部课余时间在初创的实验室参加科研。我被分配到晶体管组,进行合金P-N结的研究并自制一台晶体管参数测试仪。这种理论与实践高度结合的效果非常好,李教授刚讲完能带论、P-N结,我们马上能在科研中看到它、测到它。这是一个充满活力的集体,虽然学习、科研很紧张,但大家都非常愉快、融洽,它既培养了我们的刻苦钻研精神,又培养了我们的团队精神。

60年学毕返校,创建了半导体专业,讲授半导体器件与材料课,同时带领一批比我更年青的教工和学生,风风火火地创建了实验室。什么都自己动手干,并研制出了半导体二极管。当时居然得到心中敬仰的科学院院长、著名诗人、作家郭沫若的视察及鼓励,大家非常兴奋。可是三年困难时期到了!粮食很紧张,国家制定了调整方针,学校对一批刚上马的专业也调整了,半导体下马。62年10月按应届毕业生分配到了中科院计算所二室101组(固体电路组)工作。一进实验室,四壁空空,只看见一个年青人,身穿白大褂,蹲在一个电炉旁边,炉上有一个玻璃烧杯,里面有几块指甲盖大小的紫蓝色硅片,他说:“这是要做二极管的”。我心里暗想,似曾相识!后来才了解到,本组是由59年刚回国的青年科学家黄敞研究员领导,他还在北大讲授半导体器件课,52年美国哈佛大学毕业后即从事晶体三极管的创业工作,应该属于晶体管的创始人之一。58年就在美国电化学与半导体会议上发表过外延模型,并预言可以改善晶体管特性。当时组里正在研究厚膜电阻译码器二极管矩阵(混合集成电路)以及外延技术,这在国内是领先的,与世界亦是同步的。我立即被分配负责研制平面二极管,接着研制外延小功率开关三极管,一切都很吸引人,开始埋头苦干。63年9月,我们组被命名为十一室(集成电路研究室)。

2、激情燃烧的日子---参加微型计算机研制

65年8月,我们去参加了一个院里召开的大会,党委书记兼副院长张劲夫在台上来回走动,激动地挥动双手说:“我提着脑袋把任务给你们要来了,你们要好好干”!,会上宣布,成立计算所二部,亦称“156”,专门研制微型计算机。我们在台下,亦热血沸腾!深知自己参加的工作,是国家所急需,是时代赋予的使命,心中既高兴,又紧张!随后,很快从科大、清华调来了十来个毕业生,干部及设备也配齐了。特别是从东北光机所三天之内调来了一个室。我被任命负责研制外延中功率开关三极管,这个任务难度很大,初期做出的P- N结总是低压击穿,饱和压降也下不来,于是将全组排成三班倒。大家都是随叫随到,正副组长则是12小时一轮换,常常一天干13-14个小时。黄敞先生也亲自指导,教我不要局限一点,要全面考虑各种参数的全面配合,我们又重新设计了版图……那时全组团结得如一个人,人人尽职尽责,指到哪,打到哪,真是激情燃烧的日子!部室领导也抓的非常紧。科研处处长马庆魁就常站在实验室外面等着芯片,副主任何绍宗晚上给我们送面条、面包……情景十分感人。主任赵松岩则遥望南楼,感慨的说:“灯火辉煌156”。记得我们室有一个叫韩景春的同志,负责封装,既无资料更无经验,只有不断地摸索才能前进,在他试验用什么化学药品时,没有高级设备去分析,只靠舌头去尝,感到不对劲时,就跑到水龙头处马上用水冲。在这样的条件下,他把研制出的组件硬是给封好了!76年他重病在身,已病危了,我去看他时,他已经神志不清了,但还陆陆续续跟我说:“毛主席还活着,他正在深圳的上空走着呢!”听着听着,我的泪水洒满了面颊。当时就是这样一群人,为了国家的需要,无私地奉献着自己的青春乃至生命!既无职称、无荣誉,更无光环、奖金,却默默无闻地工作了一辈子,他们什么也不求,只求祖国的富强!

不知道经过了多少不眠之夜,中功率管终于质量和数量全达标了,而且还帮助兄弟组做了引导二极管。整体微型机研制进展也非常快,到了66年8月即研制成功了,还会唱东方红!在2007年的一天,我逐个在一楼大厅仔细看了所历史长廊的画卷,突然一幅图片在我面前出现,令我惊呆了!这就是“156”组件计算机!从来没有看到过啊!这就是我们曾经用青春和热血灌溉过的156!这就是在浩瀚的夜空中追逐星空寻找的“156”!心情顿时激动了起来。旁边的注释是:156组件(集成电路)计算机是1966年8月研制出的我国第一台自行研制的空间计算机,1966年国庆,向国家报喜,得到周总理的表扬。此时,我已不禁热泪盈眶。

3、 创业路、路漫漫

69年12月由于156迁内地,70年计算所又筹建集成电路研究室,71年1月1号我被调回计算所,同时成立了十一室(集成电路研究室)由沈世刚与我负责,1973年7月启动了013大型通用计算机的研制,是我国计算技术创始人之一的王正负责。他亲切地对我说:“013机的咽喉是半导体通导存储器,由你们室负责研制”。面对着更年青的队伍,我心中既兴奋又有点害怕,好在156精神依然在我们的血液中流动。虽然国外封锁厉害,很难找到资料,但我们靠顽强的拼搏,一点一点的摸索,终于完成了任务,研制成功的存储器性能稳定。013机76年也通过了鉴定,投入了使用,获1978年全国科学大会重大成果奖,77年所里将电路预研组调入我室,其组长是所知名的电路设计专家沈亚城同志,而且任命吴几康研究员为室主任。他是53年回国的专家,156时,是十三室主任,专门研究集成电路计算机(79-83年提升为计算所副所长)。任命沈世刚、我、沈亚城、许新武为副主任,沈世刚协助吴几康抓总,我负责集成电路、器件及工艺、研制芯片,沈亚城负责巨型机所用的电路设计,许新武为行政兼改造约1500M2 的芯片研制净化小楼。室已初具规模了,77年12月,所承担了千万次大型机757任务,王正仍是负责人。他说:“一定要给十一室一个项目”。因此我们分析当时各种不同电路的特性:ECL虽然快,但功耗太大,CMOS虽然集成度高,功耗小,但因为Latch-up效应尚未彻底解决,造成了成品率低,只剩下 I2L电路了,其规模可大,功耗亦小,而速度太低,我们从器件原理、工艺原理的分析中,发明了P+-N-P+型高速I2L新结构,并研制成功了 256ROM,与六室外设合作,成功用于757外设的打印机中,为757工程增加了独立自主研制成功的新集成电路。1983年11月757千万次机通过了国家级鉴定,获得国家科学进步一等奖,我们以“集成电路和工艺P+-N-P+型高速I2L新结构”的项目获得1980年院科技成果二等奖,沈亚城负责的电路预研组的“高速低功耗ECL电路系统”的项目亦获1980年院科技成果二等奖。

1983年6月,所里将十一室命名为大规模集成电路室,当时已有6个组,约70-80人,而且已入住改造成功的,位居南楼与北楼中的芯片研制净化小楼,正准备甩开手大干一番。当时北师大有一个“浅结离子注入”项目,我们参加了,研究多晶硅掺杂发射极晶体管及全离子注入晶体管,已有很大的进展。准备提供更高速度的电路(该项目后获北京市科技成果二等奖),但在84年末,科技处周洁来问我:计算所要不要研究大规模集成电路?令我大吃一惊!立即斩钉截铁的回答:计算所若不进行芯片研究,今后做计算机设计的人只知道用芯片,里面是什么都不知道了,怎么能设计一台好的计算机呢?然而不久,所领导正式把我们召去说:“所里经费太紧张,拿不出钱支持大规模集成电路的研究……” 我知道他的意思了,一走出北楼门口,忍不住失声痛哭了,难道我们呕心沥血十几年创建的研究室就这样结束?计算所今后设计计算机的人真的只能看到黑匣子,而里面是什么都不懂了?难道计算所今后真的走向了“无芯”的未来?在万般无奈中,我把最后一个同事安排好工作岗位后,毅然到微电子中心报到了,此时已是86 年年底。87年3月6号,计算所正式撤消了大规模集成电路研究室,结束了这段无法忘怀的历史。

微电子中心成立于1986年年底,又是一个初创的研究所,由三部分组成:半导体所及部分计算所做集成电路的人以及109厂。一天科技处的人通知我去电子部开一个项目研究会,主持人问我:你是哪个单位的?我如实回答,岂料他说:“你们科学院另有经费,不必在这里挂了”,令人失望啊!后来我找到他的上级说:“我们不要经费,只要一个项目,到时按时交帐,如何”?大概他被我的精神感动了,不仅给了项目还给了三万元经费。自此,我就和我的合作者陈晓东同志投入了CAD的研究,但此时我已50岁了,阅读门阵列的描述语言,像读天书,一句一句啃,一咬牙,下决心:从零开始,甘于寂寞,乐于清贫,从此潜心识规律,风华正茂更如前;三十年啊三十年,弹指一挥笑作别。

幸运的是:正好一家与日本人合资的厂家生产洗衣机,他们登门求教,希望帮助研制控制洗衣机的芯片,因为日本人什么都给,唯独洗衣机的芯片设计不给,只卖芯片,奇贵无比。我大胆地接下了这任务,开始全身心的用CAD方法设计了这块芯片,日日夜夜解决难题,有时晚上甚至跳铁门的墙回家,终于研制成功。单位生产处已计划一年生产几十万片。但日本人却降价到四块钱一片,若生产,要赔钱。我不禁感叹,难道我们工作的价值就是逼别人降价?

碰巧有一天,遇到院秘书长候自强与院基金会主席徐正春,徐对我说:“夏培肃研究员(后升院士)申请了一项“等时间差”研究课题的项目,交到香港某公司生产一年没有做出来,现在交帐限期快到了,能否帮忙用三个月去解决一下”?因为这块芯片的物理设计是我们做的,便满口答应,只提了一个条件,为二人在港生活费提供5000元港币。双方当即拍板成交,谁知等到签证手续办完,即将离京时,正式合同才拿到,其中有一条:若三个月做不出芯片,退回5000元生活费。天啊!卖了我也找不回这5000元啊!硬着头皮,背水一战,只好向前冲!到了香港,恨不得一天掰成两天用,别人上班,我们上班;别人下班,我们还在上班。总算在大限之日拿到了合格芯片,免了一劫!

89年我被公派到美国一家公司进行合作。但怎么也没有料到,一生中最大的刺激迎面而来。11月在加州拉斯维加斯有一个国际芯片的展览会,我们在那里参观了一周,成千上万的摊位我几乎跑遍,都找不到我国的摊位。好不容易在拥挤的人群中看到了几个国人手中拿着长城公司的塑料袋,我立马迎上去,亲切地问:“你们是来参展的吧”?“不,是来参观的”心中猛然一震,没有希望找到了。只有我最明白,63年我国的集成电路的研究水平与国外是同步的啊!为什么现在差距如此?内心的痛苦使我掉下了眼泪,“琳琅满目非国货泪眼涟涟”。我暗自下决心,一定要设计一块高水平的芯片来参展,洗刷耻辱。

90年回国后,就潜心钻研各种集成电路的设计方法,从建立版图库,时序库开始,到寄生参数对性能的影响,时钟树的生成,全局规划,时序驱动布线等等,全定制,标准单元,宏单元的设计方法都研究过,用户包括华为的程序控制芯片,计算所的模糊控制芯片等等。批准了两个发明专利,有关单位在2000年推荐我参加了一个在德国纽纶堡召开的国际发明专利博览会。该会1949年创立,第一次邀请我国参加。大约全国去了32人,别人摊位是一个公司,我们则是一个国,摊位小而拥挤,但毕竟突破了“零”。归国的大巴走了约一半车程,被通知我送的专利被评为银奖,高兴之余,写了几句歪句:

神州之尊重泰山,
赤子荣辱轻鸿毛;
灵台无计四十载,
不觉青丝已成雪。

纽纶堡夜星光灿,
启明银座落中华;
十年耻痛今宵去,
芳草天涯迷人还。

但是兴奋之余,定下心来,仔细一想:真正用上的芯片在哪里?虽然在设计时,就像一个老迈之年的人,用战战兢兢的双腿爬上了一个山峰,仰头一看,又一座更高的山峰堵住了前进的路,然后一咬牙,又顽强的一步一步的爬上那更高的山峰,可是令人痛心的是:芯片做出来了,没有用,锁在抽屉中,得了奖,又怎样?它只是一张纸。因此,当江绵恒副院长视察微电子所时,召开了座谈会,在会上我说:“一个科技工作者最大的痛苦,就是他用心血灌溉的珍贵芯片做出来了,没有用!”好心人对我说:“你只会干活,不会说话”,可是,这是我的肺腑之言。

3、激情再次燃烧的日子---参加龙芯物理设计

2001年12月左右,夏培肃院士的博士研究生林琦给我电话:他与李国杰所长要找我,希望我能帮助计算所的CPU做物理设计,当时我有要事没有去,第二天由他带我去找了唐志敏老师。一群年青人坐在一个大会议室中,唐介绍了情况,让我参观了他们研制成功的用FPGA烧成的CPU芯片,并提出了要求。我说,请让我考虑三天。会下,我问韩承德老师:你们有多少经费,回答是全室200万,但要留100万培养研究生,顶多只能拿100万做CPU。我心中一震,软件费、投片费、人工费、返工费。这个经费要差一个数量级啊!因此,不敢接,只怕半途而废,不了了之。然而,我内心深处,对计算所有着深厚的感情,曾经苦苦挣扎,想为计算所的计算机出力,而环境却使我不得不离开,如今……

到了2002年1月21日,我敲开了唐志敏老师办公室的门,开口就说:“我来和你们干CPU物理设计”。他说:“热烈欢迎”!于是22日,我就在微电子所实验室说:新项目还在申请,我准备抽这段时间到计算所参加CPU物理设计,谁愿去?当时杨旭、陈守顺、蒋见花、左红军马上响应。在23号一大早,我们五人就进了龙芯实验室,开始上机熟悉环境了。第一次和胡伟武老师见面。他说:“我要让全中国人都会设计CPU”!我心一震,深深地被感动了!为中国人民服务,这是一生的追求!真是心有灵犀一点通,我们共同的理想一下子溶在一起了。开始了我们之间长达六年之久的真诚合作。系统设计与物理设计无缝地结合了。真正的心往一处想,劲往一处使。

对于从未做过0.18μ工艺规范的人来说,设计时间这样短,要看的资料这样多,信号完整性又是全新的概念,真是心有余而力不足了。那时,每一周,我都要召开会议,要每一个人汇报自己做过的工作,而且请胡老师到会指导。(大约2-3月份,胡老师又派了范宝峡、钟石强参加了进来,后来还有赵继业、李文等)。由于用Cadence信号完整性的仿真软件仿真后的结果指出:几乎一半以上的线网均有问题。我不敢告诉大家,怕影响信心。迫于无奈,找到了 Cadence负责亚洲区的外国专家咨询,他说:Cadence工具对信号完整性的分析太悲观,不能用,要用CeltIC。天呀!为什么不早说?害得我们好苦。此关一过,不仅掌握了方法,而且还独立找到了质量又好,耗时又短的修复信号完整性方法,获得了一项批准的发明专利。在这一段合作的时间中,龙芯课题组的全体年青人,尤其是胡老师那种对崇高理想的执着追求深深的感染着我,这里没有无聊的纷争,而是一颗颗炙热的心,要把龙芯做出来,我感觉到一个激情燃烧的156时期又来到了。因此下决心一定要把CPU的物理设计做成功。也就在这个时候,胡老师做了一个果断的布置,要我在前面搭桥铺路,大家紧紧跟上,而且决定我们自己设计的物理设计要投片。全体后端设计人员立刻紧张了。我回想起做757千万次计算机时,每一个元器件都有备份,以防万一。于是和胡老师商量,要做两个芯片,1B为确保的,以打通全部流程为目标,时序与面积不太苛求;另一个1C为力争的,对时序要严,面积要小,1B由我带,1C由胡老师带,并计划先加工1C,再加工1B,但临近流片时,一天一个冲击波,若有心脏病者,肯定要趴下,尤其当1C在tape out的前一天,测试同志发现,扫描链没有接出来,胡老师迅速决策:人工修改。两人一组,一个人操作,一个人旁边检查是否改错,并调整先流1B,再流 1C。同时胡老师庄严而凝重的说:“这是一个历史时刻……”后,在场的人一个个疲劳得面色苍白,只有眼睛充满血丝,嘴唇还有一点点红色的情况下,依然抖擞精神开始战斗,我心中立刻有一种悲壮感。这不就是没有硝烟的战场吗?这与当年奋战156的情景何其相似!就在我陷于沉思时,左红军神色慌张的找我:“黄老师,1B有一块SRAM的电源地也没有联出来”,胡老师立刻下达命令:“你马上去处理,这儿我管”!我跑过去一看,情况属实,大量布线占满了一块SRAM 的电源地线上面,怎么办?急中生智,我把屏幕尽量做大,在布线中露出了缝隙,可以容纳局部的Via孔通过,一点一点把电源地补齐了,1B顺利地交出了。

在经历千难万险的修正后,1C终于在第二天凌晨3点左右结束设计了,在胡老师的房间,我说:就这样了,已尽力了!但此时此刻已错过了 TSMC最后上交的tape out的时间,要怎样才能争取1C与1B同步加工?突然想到过去我曾在TSMC 流过两个芯片,都是通过上海赖作琪先生联系的,何不找他再帮忙?胡老师马上拍板,要我乘7点的飞机飞上海,9点在大雨中找到赖先生,他为我们的精神所感动,竭力去争取,从电话中传来对方声音:“我们这里人仰马翻了”!眼看无希望了,通过阅读赖作琪先生的文档又发现1C一个错误:PLL CUT CELL中少加了一个金属条,会造成ESD的问题,在通知所里改错时,突然又传来了一个令人振奋的消息:有一个用户因时间问题未能完成设计,空出了一个 MPW的位置,于是1C进线了,真是天道酬勤,上天不负有心人!

随后的日子,与胡老师一样,老做噩梦,这有错,那有错,醒来上机一查又没有错,心惊肉跳的度日,两块芯片都加工,是我坚持的,心中沉甸甸的。如果做不出来,十万美元啊!如何向计算所交代?接着脖子不能动了,大夫说,今后不要再用电脑了,躺在床上整整一个多月,1C回来时,不敢去看,胡老师一个电话打到家:“成功了”!我顿时心花怒放,不知怎的,脖子也不疼了,我完全沉浸在幸福之中,紧接着1B也成功了。

2003年3月,微电子所与计算所正式签了合同后,由微电子所承担龙芯的宏单元库全定制模块设计,我招了一批研究生开始3w6r寄存器堆的设计,但,无情的非典来了,而大家的热情依然高涨,认真学习,努力工作,每天晚上十点,我都要赶人离开实验室,居然还有两个人,杨献与陈为竟通宵达旦的干,我对他们说:若你们得了非典,我如何向你们的父母交代?就在这样的非常时期,我们也按时完成了任务,龙芯2B成功了。

2004年9月,在圆满的完成了龙芯2C中所用的2块寄存器,6种I/O PAD,14种电源地PAD后,我向微电子所领导交代了全部工作及文档总结后,请求退休,因身心太疲劳,已67岁了。回到了桂林老家,胡老师闻讯后,给我写了一封非常感人的信,要我继续为龙芯的理想而奋斗,并派了他爱人晋红、龙芯骨干杨旭、钟石强在桂林找到了我,此时此刻,我没有理由拒绝,跟他们回到了计算所,坚持在2D、2E、2F、2F2中完成了我所承担的工作。

4、感想

参加156及龙芯的工作,是我一生中最紧张,最艰苦的工作,然而也是心情最舒畅和感到最幸福的工作,因为它是如此的相似,一样的激情满怀,一样的时代使命感,一样的拼搏,一样的为国家的需要,一样的进展很快,关于这一点,除了精神因素以外,有一个很重要的原因是两者组织结构合理、科学,系统设计无缝的与物理设计结合在一起,一个领导,统一指挥,没有两层皮,这是一个不可逾越的客观规律,正好像在社会主义中,要进行商品经济一样。另外,也使我联想到:如果计算所86年不彻底地解散大规模集成电路室,留下几个种子,或许龙芯不至于15年后如此艰辛的从零开始做物理设计,进展也许会更快。伟大的毛主席在陕甘宁边区经济极端困难的时刻,不是压缩部队,而是把部队开到南泥湾,生产自救,极大的推动了革命的进程。

在我这一生中的直接领导和合作者中,最佩服的是胡老师,他不仅有一颗热爱祖国、献身民族复兴的灵魂,而且能把这一理念去感染和传递给他领导的团队,有学识,有胆量,有魄力,是一个有理想的人。他承受的压力与挑战太多了,有时也会流泪。有一次,我以为他受不了了,而第二天依然乐观开朗的指挥工作,在一种很高的境界中过关了。是的,当一个人为了崇高的理想,甚至不惜冒生命的危险时,对他就只有爱惜和帮助的份了。我也很羡慕龙芯团队的年青人,一参加工作就有了这样好的项目去发挥自己的才能,如张福新,在产业化最艰苦的日子里,临危受命,为了让龙芯能真正的用起来,杀出了一条血路。高翔、张戈,年纪轻轻,已挑大梁。赵继业、杨旭、范宝峡、钟石强在物理设计中已做出了很大的贡献等等。

在这个优秀的团队中,人才迅速成长,在我们这一代人中是梦寐以求的啊!我们的童年是在抗日战争敌机的扫射中度过的,我就躲过防空洞,亲眼目睹过敌机炸死了两个在洞口抽烟的无辜同胞。国破山河碎的痛苦,四处逃难的恐惧,已深深地印在了我们年幼的心灵中。我们的少年时期,是在新中国欣欣向荣的景象中,沐浴着温暖的阳光中成长。记得初中毕业后,因家贫,上不起学了,想了种种办法都落空了。无望之际,找了团委书记梁汇全同志,他亲切的对我说:国家百废待兴,急需建设人才,你应该继续学习!事后不仅派人到家说服母亲,还在居委会开出了免学费及助学金的证明。当我拿到这证明时,眼泪夺眶而出。因此,在我心中最大的愿望是为祖国的强大而出力。今天,龙芯的理想,就是增强中国国力,加强信息安全,为千万老百姓能用上龙芯而努力。愿以生命的余辉与龙芯人一起,共同奋斗!

南楼、北楼今何在?
只是魂不改。
问君能有几多情?
恰似滚滚长江向东流。

[1] 清华大学半导体专业的第一届学生

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