基于國產元器件開展設計的思考

中國電子科技網絡信息安全有限公司 尹生

文章分析和闡述了國產集成電路產業的現狀和今后的發展趨勢，通過基于國產元器件開展設計過程中遇到的一些實際情況和案例，結合了國產元器件使用中的一些經驗教訓，分享了開展國產化替代工作的經驗和促進國產集成電路產業健康有序發展的一些思考。

近幾年，我國核心技術能力地快速提升引起了美國的強烈擔憂，他們企圖采取各種手段來遏制我國信息領域核心技術創新的發展。這讓我們認識到自主可控關乎著國家的戰略與安全，也加強了我們掌握核心技術、加大自主創新的力度和決心。一些部門和領域作為黨和國家的“命脈”，自主可控具有更為特殊的意義和更為重要的地位。

雖然現在我們意識到了國產自主可控的重要性和必要性，實現了國產自主可控的突破。但是在一些關鍵領域的電子元器件國產化率還不高，上游核心技術還受制于人，國產化元器件的生態環境還不夠完善，中國集成電路供求不平衡，核心技術對外依存度高。中國集成電路產業2011年的進出口逆差為1376.3億美元，進出口差距明顯。隨著中國集成電路市場需求的不斷擴展，中國國內供應水平不能滿足自身需求，中國集成電路產業的進出口逆差逐漸拉大，達到2274.2億美元，進出口逆差從2011年到2018年增長幅度達到65.24%。從中國集成電路產業進出口逆差來看，國際競爭力水平仍處于較弱的地位，芯片自給問題是中國集成電路產業的一大痛點?？v觀中國集成電路產業的供應產品大多處于中低端水平，在高端領域不管是設計還是制造環節均依賴進口[1]。

作者從事的行業與國產元器件自主可控緊密相關，也經歷過一些國產化替代的工程和項目。如何快速開展國產元器件替代的項目？如何規避國產元器件設計中的遇到的問題？如何建立良好的國產元器件生態環境？如何促進的國產元器件產業的發展？結合作者從事這方面工作的一些經驗和思考，從以下幾個方面進行闡述。

1 頂層設計，統籌實施

我國集成電路產業起步較晚，同國外相比，在設計、工藝、材料、應用、市場、人才等方面均有一定的差距。盡管我國集成電路產業近幾年呈現總體增長態勢，但產業發展仍然存在諸如企業多而不強、高價值量和高端市場份額的芯片公司較少、基礎環節受制于人的局面尚未得到根本性改變、部分領域“項目雷同”的重復建設的現象導致產業風險加劇等隱憂[2]。

因此需要國家加強宏觀規劃，制定相關政策來支持國產集成電路健康快速的發展。比如2014年國家發布《國家集成電路產業發展推進綱要》，并于2015年設立國家集成電路產業投資基金。2020年8月，國務院印發了《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》，就是從國家層面對集成電路產業給予扶持，推進集成電路產業的發展。

有了國家層面的大力扶持，通過各方面的協作和努力，“十三五”期間，集成電路產業規模實現快速增長，產業鏈結構不斷趨向合理，自主設計和制造能力實現了較大地提升和突破，產業生態環境迎來了新的機遇，產融結合效果顯著[3]。

隨著國產元器件進程的推進，目前國內很多領域也在進行元器件國產化替代工作，這是個系統工程，涉及國產化元器件的方方面面，參與單位和人數眾多。只有通過頂層策劃和總體設計，才能融合國內優勢資源，制定出正確的發展路線；只有加強替代實施過程的統籌，依靠統一指揮、部署和協調，大家齊心協力，才能指導國產化替代工作的快速、有序的開展，完成既定目標和任務。

2 企業重視，大力推進

元器件國產化進程是大趨勢，各個部門和企業是國產化發展進程的重要參與者，而國產元器件產業的推進也會對企業產生較大的影響。

比如作者所在企業，由于領導高度重視產品研制的自主可控，很早意識到國產化替代的重要性，十幾年前就開始部署國產化替代工作，并且成立專項課題組，調研國產化軟硬件現狀，規劃單位的自主可控路線，研究國產化的關鍵技術，并把課題成果應用于多個重大項目工程中。

近幾年，為全面貫徹黨和國家自主可控戰略，落實推進自主可控的總體思想和戰略部署，提升單位關鍵技術自主創新能力，切實做好國產化與自主可控的產業布局，成立了國產自主可控專項工作組，由企業領導親自掛帥，分設多個小組，采取多種手段及時共享自主可控相關成果。

隨著國產化進程的推進，企業和領導審時度勢，及時調整部門組織架構，成立了自主可控相關部門，圍繞一些核心關鍵的國產元器件及國產操作系統，構建企業國產自主產品體系，加強產品的國產化適配能力。

正因我們堅持長期、持續的對自主可控工作進行了部署和研究，對產品研制中國產化替代的技術進行了研究和儲備，當國產化大潮涌來時，我們才能踏浪前行，取得了很大的收獲。

3 研用結合，共促發展

目前，用國產元器件開展產品設計時存在著芯片功能和性能達不到要求，芯片本身BUG較多，工作不穩定，芯片技術資料不完備，使用中條件不明確，供貨周期較長的問題，這就會帶來產品設計上的不確定性，造成產品質量問題，影響產品研制和供貨進度。

解決這些問題，是一個長期的過程，但是需要研用雙方緊密配合，共同努力。國產元器件廠家是芯片的研制方，使用國產元器件的各個企業和用戶是芯片的使用方。我們作為使用方應該不斷提高自身的技術水平，持續關注國產化元器件的發展動態，研究和儲備國產化芯片的技術，與研制方多溝通和交流，提出我們的設計需求，以便在產品設計中能夠快速進行國產化選型替代，制定出產品設計方案。同時可以組建高水平專家隊伍，集中優勢力量進行技術攻關，減少國產元器件使用中的不確定性，加快產品研制進度。研制方應從產品性能、功能、使用環境、價格、周期等多方面深入調研和了解使用方的需求，提升自身設計、生產、服務能力，緊跟芯片在產品中設計、使用和生產過程，最大程度提供芯片的技術支持。研用雙方建立了良好的合作關系，才能充分發揮各自優勢，取長補短，相互促進，才能保證國產元器件生態環境健康成長，實現國產元器件產業的長足發展。

4 供方管理，風險防范

集成電路供應鏈已經延伸至全球范圍，集成電路供應鏈從傳統的物流運輸環節上升到集成電路的采購、設計、研發、生產、存儲、運輸、銷售、維護等全生命周期中的各個環節。集成電路供應鏈的安全風險一般有三種來源，第一種是假冒偽劣；第二種是惡意更改；第三種是中斷供應[4]。只有加強供方管理，保證供應鏈的安全，才能避免我們在設計中由于供應鏈的問題導致的設計方案更改、性能功能指標不符預期、產品交期延遲等風險。

早些年前，國內涌現出了很多FPGA設計公司，像京微雅格這類國內FPGA設計公司已經推出了高端系列的FPGA，而且用戶數量也很多，發展勢頭很好。當時，我們的一些產品也采用了京微雅格的FPGA，雖然使用的時候也有不少問題，但是經過研發人員的努力，以及廠家提供的技術支持，問題已經逐一解決，而且產品整體性能和穩定性也不錯。可就在產品完成樣機的研制即將進入批量生產的時候，突然傳出京微雅格倒閉的消息，我們多方面進行了確認，也證實其FPGA芯片將無法正常供貨。這一切發生得太突然，很難想象，在國家大力扶持集成電路發展的形勢下，用戶數量也逐步增加的情況下，一家擁有國內領先技術和產品、具有極大潛力和無限發展前景的國產芯片廠商，倒下得竟如此迅速。這讓我們陷入了極大被動，不得不緊急啟動尋找京微雅格FPGA的替換方案，重新選型FPGA，重新設計硬件電路，重新投板生產，重新開發FPGA代碼，已經調試成熟的設計被迫推翻重來，嚴重影響了項目的進度。之前積累的基于京微雅格FPGA的開發成果也全部付之東流。

類似的事情還有，2018年中興因受到美國制裁而停止對外供應芯片產品，導致部分裝備中使用的中興接口芯片、電路交換芯片等面臨停產斷供，被迫重新選型設計，甚至不得不臨時恢復使用進口芯片。

這些事件帶給我們來非常大的經驗教訓。在進行裝備國產化替代的過程中，器件的功能、性能、可靠性固然是需要首要重點測試考察的項目，但如何避免在技術、產品之外的一些不確定風險給裝備研制帶來損失，也是需要注意重點防范的。這就需要我們不僅從器件產品本身，還需要從廠商發展狀態、技術支持、售后服務等多方面了解評估國產元器件供貨廠商。這需要物資供應部門、研發部門、裝備生產部門等多方共同關注。對于那些在多年的合作中產品品質可靠，長期供貨穩定，而且技術支持得力、售后服務到位的供貨廠家，我們應當加強與他們的合作，實現共贏。

在供方管理方面，我們建立物資供應體系，加強合格供方管理，優化供方評價要求，定期發布合格供方名錄。并且持續在細化各類供方管理要求、降低供方產品質量風險、發展戰略合作供方、針對性開展供方審查等多方面開展工作，確保供貨渠道和產品質量。

5 挖掘潛能，優化設計

在我們剛開始進行國產化替代時，國產軟硬件行業正處于這一輪大發展的早期階段，國產元器件的生態環境、技術水平、產業鏈、應用條件等方面跟現在相比都相差甚遠。

由于國產元器件種類較少，可供選擇的范圍很小，特別是一些高端器件，可能就那么一兩家能夠基本滿足要求，因此從性能方面和進口的元器件相比降低了很多。比如前幾年我們一個產品需要進行國產化替代，從高端CPU、高性能DSP、大容量FPGA等核心關鍵器件，到SRAM、交換芯片、電源芯片、時鐘芯片等其他芯片，只要當時能夠找到國產芯片的都盡可能進行替換。

從器件的技術指標對比來看，國產元器件比進口元器件的性能差了很多，如果直接進行國產化替代，那么產品的性能肯定會下降不少。同時進口器件的質量和穩定性已經經過大量產品驗證過了，但國產元器件由于剛起步，很多方面可能存在著不足。比如：主頻1.2GHz的Intel酷睿2換成了主頻1.0GHz的龍芯3A，主頻600MHz的Broadcom BCM1125換成了主頻266MHz的龍芯1A；容量1500萬門、集成高速串行接口、65nm工藝制程的Xilinx XC5VLX155T換成了容量600萬門、沒有高速串行接口、0.12μm工藝制程的國產FPGA。

在這樣的條件下，進行國產化替代前，必須要先對關鍵國產元器件的性能、功能、穩定性和可靠性等方面進行系統評估。

在進行性能、功能評估時，需要組織技術專家對相關技術問題進行攻關。國產器件在參數指標方面與進口器件存在差距，我們首先尋找還有沒有性能更高的同類型元器件，實現以高代低，彌補性能不足。如果找不到性能更好的器件，我們可以通過修改總體方案，重新設計系統架構，優化系統設計流程等方法從系統層面來弱化單個元器件對產品性能的影響。在具體技術實現中，提升CPU性能，我們通過任務優化、流程精簡、在不影響用戶體驗的情況下適當降低設備峰值處理性能指標等多種手段綜合解決；FPGA容量不夠大，我們通過以多帶少、任務拆分、多片協同的方式解決。國產器件的功能達不到要求，我們通過自己設計內核來實現相關的功能。

在進行穩定性、可靠性評估時，我們開展了一系列的專題驗證試驗，通過元器件評估板和試驗平臺，結合自制測試驗證板卡、試驗工裝，對關鍵國產軟硬件產品的實際運行性能以及穩定性和可靠性進行全面的測試驗證。

經過以上多方面的評估工作，基本確認了國產替代方案可行，國產替代后的產品在性能和功能上能夠滿足用戶的需求，技術風險可控。

6 冗余降額，確保穩定

在產品研發設計中，經常會出現亞穩態問題。亞穩態是指觸發器無法在某個規定的時間內達到可以確認的狀態。一旦觸發器進入亞穩態，則既無法預測觸發器的輸出電平，也無法預測什么時候穩定在某個確認的電平上。亞穩態一般發生在跨時鐘傳輸、異步信號采集中以及復位電路中。

大量出現或經常復現的問題往往是很容易定位和解決的，而很多亞穩態問題可能在樣品數量較少的時候不會出現，但是在批量的生產中就會出現。由于不是所有的都有問題，我們容易把其作為器件個體差異而導致的問題，將其放走。但是隨著樣品數量的增多、環境的變化后的因素，就會連續不斷的出現問題，這樣產品就像背著個不定時炸彈隨時可能爆炸，在用戶那里會不定時、隨機的出現問題。

我們在某個產品中使用了國產FPGA，FPGA采用的從串配置方式。樣機階段沒有發現問題，但是在生產數量加大后發現其中有幾臺設備啟動時出現故障。

首先進行故障定位，FPGA PS配置后CONFIG_DONE無法變高，器件未正常工作，指示燈都無法點亮。通過檢查各個模塊的工作狀態，發現FPGA的指示燈沒有點亮，說明FPGA的程序沒有加載成功。接著分析FPGA程序無法加載的原因，檢查了FPGA周邊電路，逐步排除電源、復位、時鐘、存儲、配置等硬件電路問題，用示波器測試CCLK、D0時鐘數據相位、電平及內容都是正確的，但是配置完成后FPGA的CONFIG_DONE信號一直為低無法變高，用萬用表測量CONFIG_DONE對阻值，也是正常無短路。接下來我們認真閱讀國產FPGA手冊，沒有發現問題，然后我們又查找了其他相關資料文獻，在進口FPGA的一份勘誤手冊中介紹了在FPGA配置完成后需繼續給一段時間的時鐘。于是我們更改了設計，在FPGA配置完成后延長了一定時間的時鐘，問題就得到了解決。后來我們又測試了其他系列和其他廠家的國產FPGA，都存在類似的問題。

這個問題雖然原因很簡單，但是也可以看出目前國產元器件和進口元器件存在的差距。進口元器件經長期的發展，建立了良好的生態環境，積累了豐富的設計經驗，能夠有效指導器件使用人員進行產品設計和開發。而國產元器件目前細節方面做得還不夠好，一些使用條件不明確，只能靠使用人員的經驗進行設計和開發，導致一些用戶不想用、不敢用。同時，由于設計文檔指導性不強，也容易導致在國產元器件的設計中出現亞穩態的問題，而這類問題常常會誤認為是器件個體差異被忽略。因此我們在基于國產元器件設計的過程中應采取軟硬件的冗余設計或者降額設計的方法來規避和解決這類問題，保證產品的可靠性和穩定性。

7 結語

根據全球集成電路產業發展格局“五要素鉆石模型”，中國集成電路產業要高質量發展，需要本土市場大規模前沿需求、不斷進化的創新生態系統、競爭性市場環境、持續高強度投資的激勵機制以及豐富的高素質人力資源[5]。

我們從國產集成電路浪潮剛來時就開展基于國產化元器件的設計，一路走來，遇到了太多的問題。這樣的問題在國產元器件發展過程中會不斷地出現，要解決這些問題，沒有現成的經驗，需要國產元器件的廠家和用戶共同努力，組織優勢力量進行技術攻關，拿出拼搏奮進，攻堅克難的勇氣，刻苦鉆研，勤于實踐，提升自身技術水平，突破固有思維，勇于創新。每一個問題的解決，都凝聚了研發人員大量的心血，每一次問題的解決，都使我們感覺脫胎換骨，“功力”又進了一層。正是依靠大家的拼搏、創新和共同努力，我們的國產化進程才能不斷的前進。

引用

[1]吳敏琳.中國集成電路產業國際競爭力研究[D].北京:商務部國際貿易經濟合作研究院,2019.

[2]朱晶.2020年中國集成電路產業現狀回顧和新時期發展展望[J].中國集成電路,2020(11):13-14.

[3]朱晶.“十三五”時期我國集成電路產業發展情況分析及對“十四五”展望[J].全球科技經濟瞭望,2021,36(4):28-30.

[4]肖廣娣,葉潤國.我國集成電路供應鏈安全風險和對策研究[J].網絡空間安全,2019(8):42-43.

[5]李鵬飛.全球集成電路產業發展格局演變的鉆石模型[J].財經智庫,2019(4):68-74.