国产CPU自主生产程度评估模型

朱　帅，　吴玲达，　郭　静

(1. 装备学院 科研部, 北京 101416；　2.装备学院 复杂电子系统仿真实验室, 北京 101416)



国产CPU自主生产程度评估模型

朱帅1,2，吴玲达2，郭静2

(1. 装备学院 科研部, 北京 101416；2.装备学院 复杂电子系统仿真实验室, 北京 101416)

摘要随着国内CPU设计加工技术的不断提高，国产CPU已进入批量生产阶段并在军队和政府部门得到初步应用。为鉴别国产CPU是否实现独立自主生产，杜绝由植入后门引起的安全隐患，在分析CPU设计生产一般流程的基础上，建立CPU自主生产程度指标体系;基于AHP法、Delphi法设计国产CPU自主生产程度评估模型，明确指标权重的确定策略与评分依据，得出待评估国产CPU自主生产程度值。

关键词自主生产；层次分析法；Delphi法

Evaluation Model for Initiative Degree of Domestic CPU Production

ZHU Shuai1,2,WU Lingda2,GUO Jing2

(1. Department of Scientific Research, Equipment Academy, Beijing 101416, China;2. Science and Technology on Complex Electronic System Simulation Laboratory, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

AbstractWith continuous development of China-made central processing unit (CPU) design and manufacturing technology, domestic CPU has been in mass production and primary application in the military and governmental authorities. To identify whether China-made CPU is produced independently and can avoid the security risk caused by implantation, based on the analysis on general process of CPU design and production, the paper establishes an indicator system of degree of independent CPU production; Based on AHP (Analytic Hierarchy Process) method and Delphi method, the paper designs a model of degree of independent production of China-made CPU, makes clear the determination strategy and evaluation basis for the indicator weight and thus obtain the degree of independent production of China-made CPU to be evaluated.

Keywordsinitiative production; analytic hierarchy process (AHP); Delphi method

随着信息系统在各个领域的普及，信息系统的安全成为人们日益关注的问题。近年来，军队信息化进程不断加速，信息系统在国家要害部门和军事领域应用越来越广泛，由此也带来了一系列安全隐患。2008年微软黑屏事件,2013年棱镜门事件给我国政府和军队敲响了警钟：必须开发自主可控的国产信息系统，掌握信息安全的主动权。CPU作为计算机的关键元器件，是决定信息系统是否自主可控的关键因素。

然而，1971年Intel公司制造世界第一块微处理器，随后就正如摩尔定律所预言，CPU主频以每18个月翻一倍的速度发展[1]。到2009年Intel发布i7处理器，中间相隔38 年时间，IBM、Intel、AMD等国际厂商也积累了大量技术优势。但对于我国而言，由于起步较晚，投入有限，前期对CPU自主生产重视不够，导致了国产CPU大量借鉴国外技术、利用国外工艺的现状。例如，一些国产CPU厂家购买借鉴了MIPS(Million Instructions Per Second)、SPARC(Scalable Processor ARChitecture)指令集等，内地大部分CPU厂家不具备流片能力，需要到台湾或国外流片。

但是，CPU是信息系统的核心，是晶体管高度集成并封装的精密部件，一旦在其生产过程中不能做到自主可控，就很有可能被恶意嵌入后门并很难察觉，从而严重影响到CPU整体的安全性、可用性和稳定性，随之给信息系统带来灾难性的破坏，而使用存在后门的CPU将会给军队和国家安全带来严重的后果。因而，CPU作为核心元器件，正在一步步走向国产化道路。为鉴别国产CPU是否实现独立自主生产，杜绝由植入后门引起的种种隐患。本文通过分析CPU设计生产的一般流程及CPU生产的相关关键技术，包括CPU设计、加工、测试及封装过程，建立了CPU自主生产程度指标体系，并得出待评估国产CPU自主生产程度值，在一定程度上能够作为评价国产CPU自主生产程度的依据。

1CPU生产过程

CPU生产过程大概可分为CPU设计阶段、CPU加工阶段和CPU测试封装阶段。

CPU设计阶段主要包括设计规划、架构设计、微处理器架构设计、逻辑设计、电路设计和版图规划。设计规划阶段，需要阐明产品的概念，运行的应用类型，性能、功耗及成本目标，对设计时间、设计团队规模的估算，设计方法的选择等；架构设计阶段主要完成指令集的设计编写；微处理器架构设计需要完成流水线的高性能优化设计；逻辑设计阶段是用专门模拟计算机硬件的RTL(Right-to-Left)语言实现对晶体管行为的模拟，成为硬件可实现的结构化模型；电路设计阶段是用晶体管来实现上一阶段所确立的逻辑；版图规划需要设计电路时序图、检查逻辑正确性、检查噪声、选择晶体管等，充分考虑晶体管的不理想特性，并绘制出所有元器件的物理尺寸和位置。

CPU加工阶段包括硅的提纯、切割圆晶、影印和蚀刻。硅的提纯是从硅砂中提取生产CPU原材料硅晶的过程；切割圆晶是将提纯后的硅晶切片并打磨光滑，使之符合生产CPU的工艺要求；影印蚀刻是采取特殊工艺，将CPU设计阶段产生的电路图影印到硅片上，进行特殊处理后得到由晶体管组成的电路版图，并将上述过程产生的布满晶片的芯片截成单独的芯片。

CPU测试封装阶段划分为设计中测试、成品测试和封装。设计中测试是在CPU设计阶段进行的验证，包含DFT可测性电路设计和电路验证实施；成品测试是在硅芯片生产出来以后，测试寻找与预期不符的设计漏洞，主要包括逻辑漏洞，性能漏洞，关键路径问题，功率漏洞与电路边际问题；封装要设计引脚数量和配置、引脚类型、衬底类型、芯片黏着、退耦电容、热阻抗等问题，然后将硅裸片和封装组装在一起。

2评估方法相关理论

目前，常用于评估的理论包括：AHP、Delphi法、模糊评价方法与灰色理论。考虑到CPU生产过程复杂，具有一定的层次性，评估CPU自主生产程度的定量描述指标少，并且需要借助各方面专家的知识与经验完成，因此采用AHP与Delphi相结合的方法来设计国产CPU自主生产程度评估模型。

层次分析法是一种有效处理不易定量化变量的多准则决策手段，它把研究对象作为一个系统，按照目标分解、比较判断、综合思维的方式进行评估，具有系统性、层次性、简洁性等特点[2]。运用层次分析法解决问题，可分为4个步骤：第一，建立问题的递阶层次结构，最上层为目标的焦点，仅包含一个元素，下面的层次可包含数个元素，相邻2层的对应元素是按某种规则进行重要性比较排定的；第二，构造两两比较判断矩阵，矩阵元素的取值是针对上一层某要素而言，本层与它有关联的各要素之间的相对优越程度；第三，由判断矩阵计算被比较元素的相对权重，即把本层各要素对上一层来说排出优劣顺序，由各判断矩阵计算得出；第四，按照从上到下的顺序，计算针对上层而言本层次所有元素重要性的权重值，得到总的组合权重。

Delphi法又称专家打分法，是以专家作为索取信息的对象，依靠专家的知识和经验，由专家通过调查研究对问题作出判断、评估和预测的一种方法。Delphi法非常适合具有以下特点的决策问题：需要依靠主观判断得出结论的问题，不确定的复杂问题，多学科问题。在决策过程中，多位专家针对某一复杂问题发表各自观点，通过专家的相互补充、相互激发，得到一个完整、科学的认识。Delphi法的实质是利用专家的主观判断，通过信息沟通与循环反馈，使意见趋于一致，以期得到最高准确率的集体判断结果。

Delphi法应用在层次分析法构建两两比较判断矩阵及对底层指标的判断打分中。

3评估过程与结果

3.1CPU自主生产程度指标体系构建

国产CPU自主生产程度是CPU的研发、设计、加工、测试过程完全依靠自主掌握的生产资料独立实现的程度[3]。评估CPU自主生产程度，需要面向CPU的生产过程进行分析。通过对CPU生产过程的实地考察，依据CPU生产过程差异将CPU自主生产程度分为3个等级层次，作为一级指标、二级指标和三级指标。其中，CPU自主生产程度T为一级指标；Ti为二级指标，Ti=(CPU设计自主程度，CPU加工自主程度，CPU测试封装自主程度)；Tij为对应于Ti的三级指标，如,Tij(对应于CPU设计自主程度)=(设计规划自主程度，架构设计自主程度，微结构设计自主程度，逻辑设计自主程度，电路设计自主程度，版图设计自主程度)。指标结构如图1所示。

图1　国产 CPU自主生产程度指标体系

3.2确定指标权重

3.2.1构建判断矩阵

根据指标体系层次结构，构造两两比较判断矩阵。判断矩阵是表示针对上一层某要素而言，本层与它有关联的各要素之间的相对优越程度。例如，三级指标T11，T12，…，T1n与上一层指标T1有关联。建立这几个方案关于准则T1的判断矩阵如下:

式中,TijTik表示对于上层指标Ti而言，指标Tij与Tik比较而得到的相对重要程度或优越性。TijTik的取值是根据资料、统计数据、征求专家意见以及系统分析员的经验而确定的,主要依据为该指标相对上层指标的重要性，指标该过程的复杂程度，过程的可替代性等。层次分析法采用1~9标度法，使两要素的比较得以定量描述，取值及标度如表1所示。

邀请5名相关领域专家对每层指标体系中的指标进行两两比较，根据对上层指标的重要性、过程的复杂程度、过程的可替代性等特性进行综合打分，取5名专家打分的平均值综合得到判断矩阵：

表1　相对重要性标度

3.2.2判断矩阵一致性并计算权重

为避免其他因素对判断矩阵的干扰，需要判断矩阵满足一致性，表明矩阵是合理的。计算公式为

θCR=θCI/θRI

式中，θCR即为一致性比例，当θCR<0.10时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则应对判断矩阵进行修正。

θCI=(λmax-n)/(n-1)，λmax为矩阵最大特征值。θRI取值如表2所示。

表2　随机一致性指标θRI值

经检验θCR<0.10,然后由判断矩阵计算被比较元素的相对权重，由各判断矩阵计算而得。计算Tij关于Ti的权重时，可先求出判断矩阵的特征向量W，然后经过归一化处理，即可求出Tij关于Ti的相对重要度，即权重。

依照上述方法，由专家打分得出的判断矩阵计算出各层元素的组合权重依次如下：

W1=[0.684 90.089 40.225 7]T

W11=[0.055 40.042 70.230 1

0.244 60.219 80.207 2]T

W12=[0.0940.060 50.476 50.369]T

W13=[0.622 80.274 10.103 2]T

W=[0.037 90.029 20.157 60.167 5

0.150 50.141 90.008 40.005 4

0.042 60.033 0 0.140 60.061 90.023 3]T

矩阵中的元素对应指标体系中底层元素在整个评估模型中的权重值。

3.3指标评分与评估结果

对底层指标的打分主要考察生产过程的独立性，由于生产特点不同，考察独立性方式各异。软件设计中，需要考察必要的设计文档和代码是否齐全，硬件生产中需要对厂家生产条件、工艺水平及阶段性产品进行考察[4]。

具体到各指标要对生产过程中产生的文档数据进行审核，考察必需环节、要素、数据、设备等是否具备，判断专利、设计文档、代码是否真实合理，与产品是否一致，考察工艺、设备、生产环境等以判断被评估方是否具有独立生产程度，专利、工艺或代码是否来源不明或采用国外技术[5-9]。通过对以上要素判断对指标进行打分，打分区间为[0，10]中的任意实数。

初步选定国产某型号CPU进行考察，按照专家打分法的步骤，选定相关专家组，组织考察自主生产程度证据，进行多轮意见征询，并由专家组对底层指标进行逐一打分，加权平均后得到打分结果向量

R=[9.363.208.388.989.429.50

3.8010.002.609.529.049.859.64]

由此得出，被评估CPU整体生产自主程度Z=RW=8.555 3。

从指标权重打分及底层指标打分结果来看，CPU设计中的微结构设计、逻辑设计、电路设计及版图设计，CPU测试封装的设计中测试在评估CPU自主生产能力中影响较大，CPU设计中的架构设计，CPU加工中的硅提纯、影印在实际生产过程中对外界因素依赖过多，评估结果对于有针对性地提高国产CPU自主生产能力，补齐CPU生产过程中的短板有一定的参考价值。

4结 束 语

文章通过建立国产CPU自主生产能力指标体系，设计AHP与Delphi相结合的方法评估模型，对国产CPU自主生产能力进行评估。该评估模型能够发挥相关领域专家作用，合理地进行权重分配与指标评分，具有一定的灵活性和实用性，可为鉴别国产CPU是否实现独立自主生产，是否存在由植入后门引起的隐患，判断信息系统是否安全可靠提供重要依据[10]。

但可以看出，由于CPU生产涉及领域跨度较大，不同领域专家对判断结果认识的一致性存在差异，在两两比较权重环节中，对专家知识覆盖范围要求比较高，需要熟悉CPU生产各个环节，才能对重要性做出正确判断；CPU生产过程复杂，专家评委通过考察设计文档和生产环境等间接证据，对CPU各生产过程自主程度进行判断，如何最大限度保证证据的真实性和判断结果的合理性，也需要进一步探索研究。

参考文献(References)

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(编辑：田丽韫)

中图分类号TP309.1

文章编号2095-3828(2016)01-0098-05

文献标志码A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.01.020

作者简介朱帅(1986-)，男，硕士研究生，主要研究方向为系统评估。yasinzhu@yahoo.com

基金项目核高基国家重大科技专项

收稿日期2015-07-14

吴玲达，女，研究员，博士生导师。