研电赛创始人周祖成教授:为集成电路而奔走的“第一个十年”

2021-09-01 10:19:19 83
 研电赛创始人周祖成教授自1964年留教清华大学,于1996年创办了研电赛,周教授对与研电赛相关的30余年工作进行了回忆,我们将根据回忆内容,以回忆录的形式陆续编辑发出。该篇文章为周祖成教授作《忆及25年前清华大学微波与数字通信国家重点实验室》系列内容,是此系列的第二篇文章,文中详细回忆了周祖成教授与“通信ASIC联实验室”和微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”的故事,后续还会有更多周祖成教授与EDA的故事,以及周老师对历届研电赛的回忆。让我们一起来看看周祖成教授眼中的集成电路行业发展,一同了解研电赛的“前世今生”。
图片
人物介绍-周祖成教授
曾任清华大学教授、博导
微波与数字通信国家重点实验室EDA室主任
深圳清华大学研究院EDA实验室常务主任
深圳市软件协会集成电路专业委员会会长
中国通信协会通信专用集成电路专业委员会主任
《中国集成电路大全》丛书编委会成员
中国研究生电子设计竞赛创始人

图片

创新是设计师的原动力

      到上世纪八十年代末,我们这批文革前大学毕业工作的教师都年近50了。这批人从解放以后的政治生态中能熬过来都不容易,有“雄心壮志”的不多,“听话出活”的不少,敢闯出去办公室的更是微乎其微。我们(清华)无线电(后来称“电子工程”)系又有一些特殊情况,就是文革前和四机部(电子工业部)的十院协作很多国家重要工程,留校的教师也相对多一些(主要是从1958~1965年留校的),我们雷达教研室当时这个时间留校差不多快20人。多数人在自己的业务领域里也是小有成就,退休前就这么再干个十来年也是干得下去的。但从上世纪80年代国家把雷达型号项目向电子部研究院收缩以来,学校的科研是越来越难。这也是当初“雷达教研室”改称“信号检测与信息处理教研室”的现实!我的师长、师兄们(当时我是这批人中最小的一员)也看到了变化,但下决心改行,难呀!只有我觉得还有十多年的光景,凭着自己对技术发展的“敏感性”,下决心“跨界”进入电路与系统的“集成电路”设计了!

当然,“自顶向下”的集成电路的设计和“自底向下”的PCB板的设计不在一个层次。如果说PCB板的工程师在工艺,技师的层次,他们展示的是熟练的技能,欣赏他们的是高超的技艺。他们中的佼佼者是“大国工匠”。然而,集成电路的设计是在设计师和专业工程师的层次,他们展现的是把行业电路与系统新的技术规范(标准,协议和框架)、通过设计综合和优化以最佳的方式,将这些标准,协议和框架的知识产权,通过软硬件协同设计固化到集成电路中去!创新是设计师的原动力,责无旁贷地引领信息社会的生活和工作方式是设计师现实的担当,实现未来的梦是设计师终生的追求!

对我们这批文革前毕业的教师,学习是一个“恶补”的过程,要过外语“”,过计算机“关”,从电子设计师跨界进入集成电路设计,还有一个半导体“工艺关”。即使是有了这些准备,但实现“自顶向下”的电子信息系统片上集成的平台在哪里?尽管回京之后从学科建设上看,上世纪末清华大学电子工程系的“通信与电子信息系统”和“电子科学与技术”两个一级学科已坐稳第一把交椅,但回京之后原无线电系的“半导体教研室”独立成“清华大学微电子学院”,还是使清华大学电子工程系痛失了“电子信息系统片上集成的平台”。但自“863计划”起,意识到这个缺失的“老先生”们,抓紧这个机会分别在“信检”和“通信”两个教研室启动了“电子信息系统片上集成的平台”建设。

我参加了“信检”的“VHSIC实验室”(在前面介绍得不少了)建设,同时“通信”的冯老师也借电子部的支持抓紧建设“通信ASIC联合实验室”,下面将介绍“通信ASIC联合实验室”的建设。

“通信ASIC联合实验室”的建设

真诚可信的的“投名状”


     1985年,在电子部科技委员会青岛会议时,电子部通信导航司郭文昭司长谈到了进入80年代后,大规模集成电路的发展与前景,他指出引进生产线的同时引进核心技术的做法已经越来越难,因为不肯转让知识产权。随着整个电子信息系统的片上集成,国内曾希望“反设计”集成电路亦不可能。因此急需培养能独立设计专用集成电路的电子信息系统的设计师和工程师,这是一条振兴民族电子工业的出路。当时电子部孙俊人副部长支持了通信导航司郭司长的意见,就在当年集中起11个电子部所属工厂和研究所在清华大学以集资形式(集资170万元)建立起“清华大学专用集成电路联合实验室”,目标是引进美国计算机辅助设计的工作站环境和EDA软件,培养专用集成电路(ASIC)设计的人才。当时在清华“通信ASIC联合实验室”引进的这套系统是美国商业部历史上第一次批准出口中国的专用集成电路(ASIC)设计平台。

“通信ASIC联合实验室”承接“八五”攻关项目中的四块用于光纤通信的专用集成电路的设计。1987年设计出两块二、三次群复接器电路(THMTOO1和THMROO1,片上集成了8000个门)。该芯片拥有的自主知识产权(减少抖动的专利)技术,获得国家发明二等奖。国家科委宋健主任批示:“看了非常高兴,请向清华冯重熙同志转致衷心感谢,希望尽快商品化,批量供应,还希望清华的同志们再接再厉,向四次群和更高速前进!宋健“9.13”。

  《中国科学报》上“两头在内、中间在外”的意见。即专用电路和系统的设计和应用在国内,受限于大规模集成电路的加工条件,在当时只能到国外加工。这样既促使企业开发出有自主知识产权的产品,又利用上门主际最先进的半导体工艺,制造出具有国际竞争力的电子与信息系统的芯片,占领国内、外市场。校党委书记李传信同志将“促进在电子工业的系统设计人员中推动专用集成电路设计技术”的意见,转送到当时电子部曾培炎副部长。针对“通信ASIC联合实验室”的示范作用,曾副部长用“部长基金”,通过通信导航司给电子部系统的通信研究所和学校中装备了一批专用集成电路设计工作站。

为推动通信ASIC发展,在90年代初又以两块专用集成电路作为投资,会同电子部通信工程公司和香港招商局等单位,集资100万元建立起“华环电子有限公司”,并以二、三次群复接单板产品,插在微波机内组成微电一体化设备打入市场,不用另立机柜来实现同一功能。

90年代后光纤通信已趋成熟并迅速占领了市场,电子系王一超、林孝康、阮方、葛宁等在国内首先提出研发面向网络型的准同步数字系列(N-PDH)的数字复接芯片HMX3101,葛宁博士首次实现了复接设备在芯片上的系统集成(system on chip),继而开发出系列化产品。同时,林孝康等开发出四次群复接器电路M4320,用CMOS工艺输出口达到150Mb/s能力。
清华大学多名教授、研究生和本科生,以各种形式参加了华环公司工作,“产教融合”促成一大批高级人才的培养。

“通信教研室”的年轻人多,不同于雷达老师多。郑君里老师说你到通信对他们影响不大。但调进一个快50岁的中年教师,要别人不议论,总得有点见面礼,或者称“投名状”吧!

到通信教研室,冯老师把开发“ADPCM”的项目交给了我。在上世纪九十年代初,光纤还只是小规模的在少数几个点上做试验,以同轴电缆为基础的传输系统,成为长途电话的通话瓶颈。长途电话的扩容迫在眉急,于是邮电工业总公司和我们签了“长话倍赠扩容ADPCM设备”的研制合同。冯老师让我负责,一是给我一个熟悉通信协议和通信设备工作方式的机会,同时也是我调到通信,证明自己能力的一个机会(俗话说就是个投名状)。让我带一名硕士(宣文威),一名本科毕业设计学生(陈风光)做这个项目。

确实通信和雷达都是电子系统,但是设计思路和专业习惯差别还是比较大的。除了通信处理的确定信号有别于雷达处理的随机信号之外,最重要的是要背很多实现互联互通的通信协议,这是从事通信专业每个通信教师的基本要求,也可以说是专业习惯吧,但我一定要补这一课!要熟悉PCM、ADPCM、G7XX……等一系列协议。好在我这个人记性好,读了个把月协议和关键芯片的data sheet,就开始板级系统设计了。最重要的一步是从RTL级传统的通信电路和时序电路开始设计,还是把PCM的数据序列和ADPCM的数据序列看成是在开关函数管理下的两个数据集之间的相互映射。如果是后者,就比较容易用计算机技术中的微时序管理,用一个时间-事件队列的方式处理了。

我跟冯老师汇报了我们的设计方案。冯老师听了后评价说:“好像你是杀鸡要用牛刀呀”,我说“冯老师您就同意我们小“牛“吧。为此,我和学生花了半个月的时间排好两个PCM数据序列向一个ADPCM数据序列映射/反映射的微程序图,交给她去编程和在一个FPGA的开发系统上实现。同时我也开始在Mentor的EDA系统上做PCB板的设计。

任务很紧,每个周末都加班,冯老师也陪着我们加班。一次周末,我去系里加班去了,老黄师傅给我开的门(由于经常晚上十点系馆关门后我都会干到十一点半回家,和老黄师傅熟了)。每次周末老黄师傅都让我进系里后又重新锁上系馆的门,冯老师进不了系馆,想陪我加班,就打电话到机房来了,我接电话后,就下楼找老师傅给冯老师开门。冯老师到机房陪着我加班,我才跟他说,系里规定周末闭馆,学生和老师都反映“报国无门”,是不是请冯老师在系务会上重新考虑一下。后来周末系馆开门了,也许是冯老师反映的结果。

3个月后就进入板级系统调试,再一担心和“386计算机”主板大小的板子上,做了两对端的ADPCB装置,即发端两个PCM入,一个ADPCM出;收端一个ADPCM入,两个PCM出;加上一个外同步时钟信号,共七个端口,做在一个标准的机架的插件单元上,十分紧凑。
调试也非常顺利,当我用ADPCM设备给通教研室室CAE室的王一超老师打电话时,他问我有什么事?我问他听出电话声音有什么区别吗?他说没有听出。接着又拨通了通教研室室主任姚彦的电话,姚老师主动地问我:“是用ADPCM设备打的电话吧?”,我才回答:“姚老师真厉害,听出了和PCM 0.2级差别的ADPCM话音了,真不愧是“老通讯”啦!”。

华环小批量的生产,在制定工艺规程和配合的工装后。冯老师因材教教的葛宁派来研究生生宣文威的工作。这样,陈风(我带毕业设计的本科)、葛宁和我继续做ADPCM的调试和到外场(山东电信局)的连机工作。以便为交付邮电工业总公司的ADPCM样机提供鉴定用的“用户报告”,我们到山东省电信局(在济南与德之间问的光纤通信线路和济南到青岛的微波通信线路)上做了ADPCM设备的现场联试。

我、小宣、小陈和华环的工程师,及销售负责人张楠女士坐火车去济南,在德州,小宣和华环的工程师下,去德州电信局机房。一小时后我们也到了济南电信局机房。双方都把事先准备好的一台ADPCM设备的七个端口,与机房通信信道上的七个端子联上,借用电信局的工务线通话联系,不到2小时,线路上用ADPCM编、解码的报、话全通了!

我让去德州电信局的两位直接去青岛,周五晚上到青岛电信局,周六上午做青岛和济南之间微波通信线路的ADPCM联试。周六上午,当青岛电信局的七个电缆头,插入到ADPCM设备的七个端口,借助工务话我们双方联系好,就开始联试了。不到半小时也报、话联通!

周日,山东省电信局的张处长找(可能我岁数最大,又负责技)谈希望我们的ADPCM留下来,他告诉我:“还以为你们会联试几个月呢?没想到这么快。武汉邮科院也在我们省局联ADPCM,都几个月了,好像还要用笔记本机设置不少参数,你们的比较适合目前机房管理和技术人员使用,如果还配合台笔记本机设置参数,一般的机房还用不了。所以,我们希望清华这四端设备留下来,用一段,一定给你们写一个好的现场联试的证明。”后来,确实为我们鉴定ADPCM设备,写了一个评价很高的现场联试证明。让我们申报1993年电子部科技进步奖申报成功!

图1:ADPCM获奖

       后来,邮电工业部的小汤山干部学校,还请我去给他们的全国各地地区一级邮电局长去讲过一次ADPCM设备的报告,当我说:“加装ADPCM设备的效益,会不出3个月就可以从“长话”收益中返回投资”时,佛山邮局的局长说:“周老师,不用3个月,我们佛山邮局一个月就可以收回投资了”!由于华环销售给邮电工业总公司的ADPCM扩容设备是现金交易。当年ADPCM设备,除获得电子部科技进步奖,还获得“清华大学最高效益奖”。而且直到2016年我去华环,公司的总工王一超还说:“周老师,您开发的ADPCM设备还在卖,ADPCM是华环公司目前售出设备唯一没有返修的!”当然,听到当年接受我开发ADPCM设备华环总工的评价,还是很高兴的。它验证了在通信系统设计中用微时序控制两个不同域之间数据重排的设计方法是成功的。另外,也证明了我加入通信时的“投名状”是真诚可信的。


图片

微波与数字通信

国家重点实验室的CAD中心

建好“电子信息系统片上集成的设计平台”

       当时,也还面临两种选择,一种是去华环公司,一种是留在电子系的通信教研室。我认为自己不是办公司的料,我的兴趣仍然在电子设计自动化领域。而当时通信教研组正好申请下来微波与数字通信国家重点实验室,其中有“微波与数字通信国家重点实验室的CAD中心”,“回系里把CAD中心抓好,给公司当个顾问吧!我把CAD中心的王一超博士调到华环公司”冯老师说。

我回系建设“微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”得到清华大学电子工程系和“微波数字通信国家重点实验室”的大力支持!电子工程系常务副主任薛保新通知我:“从主楼九区3楼新划拨120平米的面积和原来“通信ASIC联合实验室”(80平米)一起,重新装修成200平米的“微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”,请周老师提出个方案和预算,系务会审核后,实现机房改扩建”!系里负责教学工作的副系主任刘序明也通知我:““微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”尽快提出教学和学生课程设计上机的计划,系里会安排教学经费和教辅人员”,由于系领导和国重点实验室领导的共识和重视,1992年我一上任“微波数字通信国家重点实验室的CAD中心主任”就忙起来了!

电子系和国家重点实验室的领导建CAD中心的力度如此之大,促使我下决心在退休之前集中精力干好这件事——建好“电子信息系统片上集成的设计平台”。

平台的水准应该是上世纪九十年代国际先进水平;平台的设备应该成当国内示范的窗口;平台任务应该是培养电子信息系统片上集成的高端设计人才。

目标明确以后就下决心干了,系里支持下,副系主任薛保新批准了“微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”的机房改建的资金,又提供了周转的用房,还时常到现场协调与学校相关部门的关系。重点实验室主任龚克亲自修改我国外订货的(英文)的订单;副主任曹志刚老师交给了我实验室原有EDA工具的合同清单,安排我去美国Cadence公司培训;冯重熙老师撤走了原来“通信ASIC联合实验室”的设备,让我放开手脚干!

图2:学生在“微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”上机

经过1992年下半年的实验室改造,一个全新的200平米的出现在东主楼9区三楼的北边了。环境有了但空空荡荡,要进设备(计算机工作站和服务器)和加装EDA软件呀!

利用原来建VHSIC实验室和惠普公司建立的联系,“微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”开始承担惠普公司部分客户培训的任务,惠普捐赠了“中心”几台HP工作站,还帮中心改变了的投影、音响和“电教”环境,从和惠普的合作开始,在主楼九区门口西墙上,谈成一个合作忇议,挂了一个铜牌!接着联系Mentor Graphics在京“明导”公司的刘岩经理,按国外的“大学计划”采购了些急需的EDA软件,同时又促成了Mentor向实验室CAD中心的捐赠,在主楼九区门口的东墙上又加了一块铜牌……;跟着来的是Verylogic公司捐赠了全套PC机上的EDA软件,中心开始能提供给学生在PC机上用Verylogic EDA软件上机,还是在东主楼九区门口东墙挂牌;说实在的,我也不知道机会怎么那么好,最幸运的是上世纪九十年代接待SUN公司的教育副总裁,她一次就赠送了供一个教学班用的30台SUN160工作站和两台Sun260服务器。他们进中国当然是为了赚钱,但他们赚了钱以后,还能回馈给学校,帮我们充实了教学实验室。记得一次清华大学副校长带一个美国大学校长的团队到我们实验室参观,他们惊讶地发现,我们当时实验室拥有的设备和软件,在他们(参观校长所在美国)学校也没有。直到1994年实验室领导安排我去美国Cadence公司接受SPW(信号处理工作站)软件的培训,又有机会促成1995年Synopsys公司的捐赠“微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”20套当时最先进的集成电路和系统的优化软件D,C(Design Compler),并和清华大学共建了“清华大学——Synopsys HLD(高层次设计)中心”,“微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”在国内外的展示度已经够高了!

这期间接待名人不断,院士高文参观“中心”表示了强烈的合作愿望;接待西安电子科技大学校长保铮院士来“中心”参观后,希望与该校的国家重点实验室全面合作和去介绍EDA;海尔的张(瑞敏)董事长参观后指示“海尔北京集成电路设计中心”与清华合作;TCL的李(东生)董事长参观实验室后希望介绍我在深圳的清华大学的学生帮他建“TCL集成电路设计中心”(后来我介绍了8l级的焦剑)………。正在筹建华为“海思”的华为基础部“集成电路中心”主任叶青来访时,我给他提供了“微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”的软、硬件的全套清单;中科院、兄弟院校的参观也应接不暇。
学成回国的“海归”们纷沓而至,魏少军(清华微电子所所长)、高德远(西北工业大学副校长,航空部国家集成电路实验室主任)………回国都曾表示到“微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”工作。当时,在硅谷的系友杨林先是在1993年来实验室参观,表示愿意和“微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”合作“双向寻呼机”的移动通信研发项目,后来在1997年回国做地面(无线)数字电视标准时,又首选了“微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”,和我们签了“地面(无线)数字电视中国标准”第一个合同。确实,“微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”的EDA环境吸引了国、内外人士的关注。
Altera公司大学计划的负责人徐平波经理是在我不停的指责声中进“微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”的。因为我向深圳的Altera的部门订的FPGA的芯片,快一个多月了也没交货,徐总答应我迅速解决,他希望我支持他的“大学计划”,即用Altera的FPGA产品和开发工具,在100所大学建立100个Altera的FPGA实验室,这当然是于高等教育功德无量的事!我让他先在我们CAD中心做出示范,然后在“华北地区EDA/PLD技术研究会(我受聘为名誉“会长”)推广。

和徐平波经理交往十多年,他两次冠名赞助了清华大学承办的“研电赛”(中国研究生EDA竞赛是“微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”发起的);他及时提供了汪玉老师和微软亚洲研究院合作做项目用到Altera的最新的FPGA的芯片;还向清华大学电子工程系的教学实验室捐赠了50台“口袋里的实验室”(这是用Altera的FPGA和IP包做的教学实验装置,便携,可以随时随地的联网做数字逻辑和微处理编程的教学实验)。和徐平波熟了,顺便也给家乡的长江大学弄了个“FPGA的联合实验室”。

说透了“微波数字通信国家重点实验室的CAD中心”就是一个平台,一个集成电路设计和电子信息系统片上集成的工具平台(以后称“EDA工具平台”);一个集成电路设计高端人才培养的教学平台(以后称“人才平台”)。






免责声明:本文转载自“周祖成教授”,本文仅代表作者个人观点,不代表萨科微及行业观点,只为转载与分享,支持保护知识产权,转载请注明原出处及作者,如有侵权请联系我们删除。