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俄罗斯微电子发展史

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  2016年8月,俄罗斯总理梅德韦杰夫对俄罗斯当前微电子产业的领先公司JSC Angstrem进行调研,Angstrem目前已经拥有了90纳米的技术和生产,未来俄罗斯的任务是要向新的微电子技术迈进,生产28或是14-16纳米的微电子产品。

  世界半导体产业西风东渐,俄罗斯岿然不动。眼见得全球半导体产业乱纷纷,战斗民族却正在城楼观山景。

  前苏联和美国是世界上仅有的两个完全依靠本国技术发展电子信息产业的国家。前苏联的电子技术水平确实与美国相当,可惜的是,电子技术水平不等于电子工业水平,所以前苏联的电子工业水平还是远远落后于欧美。

  一个国家的微电子产业水平可以通过其计算机水平来体现。下面我们就先了解前苏联的计算机水平。

  二战结束后,前苏联意识到计算机技术的重要性,由于在冷战时期遭受到巴黎统筹委员会(Coordinating Committee for Export to Communist Countries,缩写为CoCom)禁运,前苏联一直致力于研究、生产从半导体器件,到集成电路芯片,乃至计算机整机一整套产品。

  前苏联的计算机产业思路是做自己的技术标准,走自己的路,所以前苏联计算机产业比较完善,整体技术实力非常强。

  1984年上市的Agate-4电脑,足以媲美同时期的AppleII(图片源于网络)

  1991年推出首台笔记本电脑MS 1504,比世界第一台量产的笔记本电脑T1100晚6年(图片源于网络)

  说到前苏联的计算机,不得不提到厄尔布鲁士(Elbrus)系列计算机。Elbrus是前苏联的第四代计算机,具有2个核,由Vsevolod Burtsev带领团队于1973年完成,1986年停产;Elbrus-1完成于1978年,是全球首台使用超标量CPU的计算机;Elbrus-2完成于1984年,是前苏联的第一代超级计算机,具有10个核心;Elbrus-3是由Boris Babaian带领团队于1986年开发完成的具有16个核的计算机,是前苏联第一台采用VLIW体系结构的计算机。

  2012年11月在纪念SPARC25周年大会上,SPARC原始团队成员Steven Muchnick捐赠的Elbrus-2 CPU板(图片源于网络)

  有人说,前苏联在计算机领域最大的贡献是三进制,三进制是效率最高的表示数的方式,三进制很容易实现负数。它为计算机的模糊运算和自主学习提供了可能。在20世纪50、60年代,一批莫斯科国立大学的研究员就设计了人类历史上第一批三进制计算机“Сетунь”和“Сетунь 70”。但可惜的是,三进制没有流行开来。(请大拿给以解惑?)

  俄罗斯的微电子产业发展可以追溯到前苏联时期。前苏联的微电子工业主要集中在今天的俄罗斯和白俄罗斯地区。

  前苏联的专家们的基础知识非常扎实,前苏联缺失的是当年大力发展军事科技而忽视把科技民用化。由于50、60年代正值冷战时期,前苏联和美国展开了太空竞赛,前苏联在空间领域投入了大量的人力、物力和精力,从而忽视了科技了民用化。

  现在提起俄罗斯的微电子产业,大家都会想到JSC Mikron、JSC Angstrem、MCST等,事实上这三家以及白俄罗斯的JSC Integral都是在20世纪50、60年代前苏联创立的半导体企业。

  前苏联的CPU发展始于20世纪70年代。当时位于莫斯科附近的Zelenograd的特殊计算机中心(Special Computing Center,缩写SCC)以D.I. Yuditsky为首的团队在1973年推出了前苏联的第一个16位小型机,其CPU是使用的是4位的587 CPU,被称为第一款苏维埃CPU,其架构被称为Elektronika NC。该款CPU及其后续产品被广泛应用于各种控制系统和电信设备。1976年特殊计算机中心(SCC)宣布解散,其所有的设备和技术转入Angstrem。遗憾是没有找到这款芯片的照片。

  Elektronika NC是前苏联的第一代CPU架构,是属于位片式体系,导致CPU面积偏大,终端产品点笨拙。最后一款基于该架构的CPU是K1801VE1,属于1801 CPU系列。K1801VE1采用NMOS 10µm工艺,具有256个字节片的RAM,2K ROM和其他外围电路,采用的陶瓷平面封装形式(综合DIP和SOIC方式),具有42个引脚。

  1801 CPU系列共推出七款,除第一款采用Elektronika NC架构,其余6款都是采用LSI-11架构。第一款采用LSI-11架构的1801系列CPU是1982年推出的K1801VM1,采用NMOS工艺,裸片面积是25mm2,晶体管数量达到50000个,采用的陶瓷平面封装形式。下图是K1801VM1的Die照片和芯片照片。

  最后一款1801系列CPU是K1801VM4,采用NMOS工艺,晶体管数量超过10万个,有两种封装方式,一是QFP,一是塑料平面封装,引脚数都是64个。

  前方介绍的Elbrus计算机都是采用Elbrus CPU,Elbrus-1 CPU是世界上第一个标量CPU,完成于1977年;Elbrus系列完成人中有两个大牛人,一个是Boris Babaian,一个是Vladimir Pentkovski。1991年底,由于前苏联在政治体制和经济体系上发生了巨大的转变,研究项目的经费丧失了来源,导致这两大牛人的分开。Boris Babaian在莫斯科SPARC技术中心(MCST)与美国SUN公司合作,致力SPARC架构CPU研究,结果直接造成了SUN的崛起;Vladimir Pentkovski加盟美国INTEL,成为首席CPU设计师,打造了奔腾时代,铸就了INTEL的辉煌。

  1986年,前苏联开始32位El-90微处理器研制工作,Vladimir Pentkovski是项目负责人,根据资料表示,El-90微处理器研究项目的技术报告于1987年完成,第一个原型于1990年成功问世。1990年,前苏联开始进行El-91S微处理器的研制工作,Vladimir Pentkovski再度领军。

  Vladimir Pentkovski领军开发的El-90微处理器具有几大特征:一是晶体管数量超过50万个;二是每一个时钟周期可以执行两条指令的超标量体系结构;三是支持十路多重处理;四是支持排错;五是具有支线推算;六是具有高性能的管线浮点单元。我们可以把这六大特点与INTEL的奔腾系列进行对比,恰恰是奔腾系列的特色。

  更具代表性的特点是Elbrus-1中复杂的El-76指令必须被特殊单元转换成简单的微运算指令,而在El-90微处理器中已经可以轻松转换。而Pentium微处理器恰恰拥有一个特殊单元,可以把复杂的x86转换成类似RISC的简单指令。

  前苏联解体,俄罗斯独立,由于经济衰退,研究经费难以为继。但俄罗斯MCST的研究人员还是在SPARC系列CPU中取得了突破,1998年发布了R80 CPU。

  2000年3月普京上台,同年6月批准了《国家信息安全学说》。这是俄罗斯第一部正式颁布的有关国家信息安全方面的重要文件,它将为俄“构筑未来国家信息政策大厦”奠定基础,为对抗外国向俄罗斯政治、经济、军事等领域的信息情报渗透起到指导作用。《国家信息安全学说》提出重点开发的“关键技术”包括:高性能计算机技术、智能化技术、信息攻击与防护技术以及相关的软件技术等。

  在《国家信息安全学说》的指导和推动下,俄罗斯的微电子产业得到了长足发展。

  为发展本国微电子产品,俄罗斯制定和实施了《2013-2025年前电子和广播电子工业发展规划》、《国防工业综合体发展规划》以及联合国家科技规划等几个联邦级产业发展战略。在这些产业发展战略中,对微电子产业给予了大力的财政支持,优先支持的子项目包括电信设备、计算机设备、特殊技术设备、智能控制体系。国家在2013-2025年期间计划为优先支持的子项目下拨预算总额达到1700亿卢布,这意味着每年的财政拨款数额将约为150亿卢布。

  尽管当前俄罗斯经济遭遇困境,但俄政府为保证微电子产业的发展、扩大国内市场需求、提升出口能力等方面做了很多的努力。2016年5月,国家批准了俄罗斯民用微电子产品中期(2016年至2018年)政府采购保障计划,到2018年底,在预算资金保障执行的情况下,政府保障采购超过1000万个微电子产品,政府采购总金额达到750亿卢布。

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