基于国产元器件开展设计的思考

中国电子科技网络信息安全有限公司 尹生

文章分析和阐述了国产集成电路产业的现状和今后的发展趋势，通过基于国产元器件开展设计过程中遇到的一些实际情况和案例，结合了国产元器件使用中的一些经验教训，分享了开展国产化替代工作的经验和促进国产集成电路产业健康有序发展的一些思考。

近几年，我国核心技术能力地快速提升引起了美国的强烈担忧，他们企图采取各种手段来遏制我国信息领域核心技术创新的发展。这让我们认识到自主可控关乎着国家的战略与安全，也加强了我们掌握核心技术、加大自主创新的力度和决心。一些部门和领域作为党和国家的“命脉”，自主可控具有更为特殊的意义和更为重要的地位。

虽然现在我们意识到了国产自主可控的重要性和必要性，实现了国产自主可控的突破。但是在一些关键领域的电子元器件国产化率还不高，上游核心技术还受制于人，国产化元器件的生态环境还不够完善，中国集成电路供求不平衡，核心技术对外依存度高。中国集成电路产业2011年的进出口逆差为1376.3亿美元，进出口差距明显。随着中国集成电路市场需求的不断扩展，中国国内供应水平不能满足自身需求，中国集成电路产业的进出口逆差逐渐拉大，达到2274.2亿美元，进出口逆差从2011年到2018年增长幅度达到65.24%。从中国集成电路产业进出口逆差来看，国际竞争力水平仍处于较弱的地位，芯片自给问题是中国集成电路产业的一大痛点。纵观中国集成电路产业的供应产品大多处于中低端水平，在高端领域不管是设计还是制造环节均依赖进口[1]。

作者从事的行业与国产元器件自主可控紧密相关，也经历过一些国产化替代的工程和项目。如何快速开展国产元器件替代的项目？如何规避国产元器件设计中的遇到的问题？如何建立良好的国产元器件生态环境？如何促进的国产元器件产业的发展？结合作者从事这方面工作的一些经验和思考，从以下几个方面进行阐述。

1 顶层设计，统筹实施

我国集成电路产业起步较晚，同国外相比，在设计、工艺、材料、应用、市场、人才等方面均有一定的差距。尽管我国集成电路产业近几年呈现总体增长态势，但产业发展仍然存在诸如企业多而不强、高价值量和高端市场份额的芯片公司较少、基础环节受制于人的局面尚未得到根本性改变、部分领域“项目雷同”的重复建设的现象导致产业风险加剧等隐忧[2]。

因此需要国家加强宏观规划，制定相关政策来支持国产集成电路健康快速的发展。比如2014年国家发布《国家集成电路产业发展推进纲要》，并于2015年设立国家集成电路产业投资基金。2020年8月，国务院印发了《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，就是从国家层面对集成电路产业给予扶持，推进集成电路产业的发展。

有了国家层面的大力扶持，通过各方面的协作和努力，“十三五”期间，集成电路产业规模实现快速增长，产业链结构不断趋向合理，自主设计和制造能力实现了较大地提升和突破，产业生态环境迎来了新的机遇，产融结合效果显著[3]。

随着国产元器件进程的推进，目前国内很多领域也在进行元器件国产化替代工作，这是个系统工程，涉及国产化元器件的方方面面，参与单位和人数众多。只有通过顶层策划和总体设计，才能融合国内优势资源，制定出正确的发展路线；只有加强替代实施过程的统筹，依靠统一指挥、部署和协调，大家齐心协力，才能指导国产化替代工作的快速、有序的开展，完成既定目标和任务。

2 企业重视，大力推进

元器件国产化进程是大趋势，各个部门和企业是国产化发展进程的重要参与者，而国产元器件产业的推进也会对企业产生较大的影响。

比如作者所在企业，由于领导高度重视产品研制的自主可控，很早意识到国产化替代的重要性，十几年前就开始部署国产化替代工作，并且成立专项课题组，调研国产化软硬件现状，规划单位的自主可控路线，研究国产化的关键技术，并把课题成果应用于多个重大项目工程中。

近几年，为全面贯彻党和国家自主可控战略，落实推进自主可控的总体思想和战略部署，提升单位关键技术自主创新能力，切实做好国产化与自主可控的产业布局，成立了国产自主可控专项工作组，由企业领导亲自挂帅，分设多个小组，采取多种手段及时共享自主可控相关成果。

随着国产化进程的推进，企业和领导审时度势，及时调整部门组织架构，成立了自主可控相关部门，围绕一些核心关键的国产元器件及国产操作系统，构建企业国产自主产品体系，加强产品的国产化适配能力。

正因我们坚持长期、持续的对自主可控工作进行了部署和研究，对产品研制中国产化替代的技术进行了研究和储备，当国产化大潮涌来时，我们才能踏浪前行，取得了很大的收获。

3 研用结合，共促发展

目前，用国产元器件开展产品设计时存在着芯片功能和性能达不到要求，芯片本身BUG较多，工作不稳定，芯片技术资料不完备，使用中条件不明确，供货周期较长的问题，这就会带来产品设计上的不确定性，造成产品质量问题，影响产品研制和供货进度。

解决这些问题，是一个长期的过程，但是需要研用双方紧密配合，共同努力。国产元器件厂家是芯片的研制方，使用国产元器件的各个企业和用户是芯片的使用方。我们作为使用方应该不断提高自身的技术水平，持续关注国产化元器件的发展动态，研究和储备国产化芯片的技术，与研制方多沟通和交流，提出我们的设计需求，以便在产品设计中能够快速进行国产化选型替代，制定出产品设计方案。同时可以组建高水平专家队伍，集中优势力量进行技术攻关，减少国产元器件使用中的不确定性，加快产品研制进度。研制方应从产品性能、功能、使用环境、价格、周期等多方面深入调研和了解使用方的需求，提升自身设计、生产、服务能力，紧跟芯片在产品中设计、使用和生产过程，最大程度提供芯片的技术支持。研用双方建立了良好的合作关系，才能充分发挥各自优势，取长补短，相互促进，才能保证国产元器件生态环境健康成长，实现国产元器件产业的长足发展。

4 供方管理，风险防范

集成电路供应链已经延伸至全球范围，集成电路供应链从传统的物流运输环节上升到集成电路的采购、设计、研发、生产、存储、运输、销售、维护等全生命周期中的各个环节。集成电路供应链的安全风险一般有三种来源，第一种是假冒伪劣；第二种是恶意更改；第三种是中断供应[4]。只有加强供方管理，保证供应链的安全，才能避免我们在设计中由于供应链的问题导致的设计方案更改、性能功能指标不符预期、产品交期延迟等风险。

早些年前，国内涌现出了很多FPGA设计公司，像京微雅格这类国内FPGA设计公司已经推出了高端系列的FPGA，而且用户数量也很多，发展势头很好。当时，我们的一些产品也采用了京微雅格的FPGA，虽然使用的时候也有不少问题，但是经过研发人员的努力，以及厂家提供的技术支持，问题已经逐一解决，而且产品整体性能和稳定性也不错。可就在产品完成样机的研制即将进入批量生产的时候，突然传出京微雅格倒闭的消息，我们多方面进行了确认，也证实其FPGA芯片将无法正常供货。这一切发生得太突然，很难想象，在国家大力扶持集成电路发展的形势下，用户数量也逐步增加的情况下，一家拥有国内领先技术和产品、具有极大潜力和无限发展前景的国产芯片厂商，倒下得竟如此迅速。这让我们陷入了极大被动，不得不紧急启动寻找京微雅格FPGA的替换方案，重新选型FPGA，重新设计硬件电路，重新投板生产，重新开发FPGA代码，已经调试成熟的设计被迫推翻重来，严重影响了项目的进度。之前积累的基于京微雅格FPGA的开发成果也全部付之东流。

类似的事情还有，2018年中兴因受到美国制裁而停止对外供应芯片产品，导致部分装备中使用的中兴接口芯片、电路交换芯片等面临停产断供，被迫重新选型设计，甚至不得不临时恢复使用进口芯片。

这些事件带给我们来非常大的经验教训。在进行装备国产化替代的过程中，器件的功能、性能、可靠性固然是需要首要重点测试考察的项目，但如何避免在技术、产品之外的一些不确定风险给装备研制带来损失，也是需要注意重点防范的。这就需要我们不仅从器件产品本身，还需要从厂商发展状态、技术支持、售后服务等多方面了解评估国产元器件供货厂商。这需要物资供应部门、研发部门、装备生产部门等多方共同关注。对于那些在多年的合作中产品品质可靠，长期供货稳定，而且技术支持得力、售后服务到位的供货厂家，我们应当加强与他们的合作，实现共赢。

在供方管理方面，我们建立物资供应体系，加强合格供方管理，优化供方评价要求，定期发布合格供方名录。并且持续在细化各类供方管理要求、降低供方产品质量风险、发展战略合作供方、针对性开展供方审查等多方面开展工作，确保供货渠道和产品质量。

5 挖掘潜能，优化设计

在我们刚开始进行国产化替代时，国产软硬件行业正处于这一轮大发展的早期阶段，国产元器件的生态环境、技术水平、产业链、应用条件等方面跟现在相比都相差甚远。

由于国产元器件种类较少，可供选择的范围很小，特别是一些高端器件，可能就那么一两家能够基本满足要求，因此从性能方面和进口的元器件相比降低了很多。比如前几年我们一个产品需要进行国产化替代，从高端CPU、高性能DSP、大容量FPGA等核心关键器件，到SRAM、交换芯片、电源芯片、时钟芯片等其他芯片，只要当时能够找到国产芯片的都尽可能进行替换。

从器件的技术指标对比来看，国产元器件比进口元器件的性能差了很多，如果直接进行国产化替代，那么产品的性能肯定会下降不少。同时进口器件的质量和稳定性已经经过大量产品验证过了，但国产元器件由于刚起步，很多方面可能存在着不足。比如：主频1.2GHz的Intel酷睿2换成了主频1.0GHz的龙芯3A，主频600MHz的Broadcom BCM1125换成了主频266MHz的龙芯1A；容量1500万门、集成高速串行接口、65nm工艺制程的Xilinx XC5VLX155T换成了容量600万门、没有高速串行接口、0.12μm工艺制程的国产FPGA。

在这样的条件下，进行国产化替代前，必须要先对关键国产元器件的性能、功能、稳定性和可靠性等方面进行系统评估。

在进行性能、功能评估时，需要组织技术专家对相关技术问题进行攻关。国产器件在参数指标方面与进口器件存在差距，我们首先寻找还有没有性能更高的同类型元器件，实现以高代低，弥补性能不足。如果找不到性能更好的器件，我们可以通过修改总体方案，重新设计系统架构，优化系统设计流程等方法从系统层面来弱化单个元器件对产品性能的影响。在具体技术实现中，提升CPU性能，我们通过任务优化、流程精简、在不影响用户体验的情况下适当降低设备峰值处理性能指标等多种手段综合解决；FPGA容量不够大，我们通过以多带少、任务拆分、多片协同的方式解决。国产器件的功能达不到要求，我们通过自己设计内核来实现相关的功能。

在进行稳定性、可靠性评估时，我们开展了一系列的专题验证试验，通过元器件评估板和试验平台，结合自制测试验证板卡、试验工装，对关键国产软硬件产品的实际运行性能以及稳定性和可靠性进行全面的测试验证。

经过以上多方面的评估工作，基本确认了国产替代方案可行，国产替代后的产品在性能和功能上能够满足用户的需求，技术风险可控。

6 冗余降额，确保稳定

在产品研发设计中，经常会出现亚稳态问题。亚稳态是指触发器无法在某个规定的时间内达到可以确认的状态。一旦触发器进入亚稳态，则既无法预测触发器的输出电平，也无法预测什么时候稳定在某个确认的电平上。亚稳态一般发生在跨时钟传输、异步信号采集中以及复位电路中。

大量出现或经常复现的问题往往是很容易定位和解决的，而很多亚稳态问题可能在样品数量较少的时候不会出现，但是在批量的生产中就会出现。由于不是所有的都有问题，我们容易把其作为器件个体差异而导致的问题，将其放走。但是随着样品数量的增多、环境的变化后的因素，就会连续不断的出现问题，这样产品就像背着个不定时炸弹随时可能爆炸，在用户那里会不定时、随机的出现问题。

我们在某个产品中使用了国产FPGA，FPGA采用的从串配置方式。样机阶段没有发现问题，但是在生产数量加大后发现其中有几台设备启动时出现故障。

首先进行故障定位，FPGA PS配置后CONFIG_DONE无法变高，器件未正常工作，指示灯都无法点亮。通过检查各个模块的工作状态，发现FPGA的指示灯没有点亮，说明FPGA的程序没有加载成功。接着分析FPGA程序无法加载的原因，检查了FPGA周边电路，逐步排除电源、复位、时钟、存储、配置等硬件电路问题，用示波器测试CCLK、D0时钟数据相位、电平及内容都是正确的，但是配置完成后FPGA的CONFIG_DONE信号一直为低无法变高，用万用表测量CONFIG_DONE对阻值，也是正常无短路。接下来我们认真阅读国产FPGA手册，没有发现问题，然后我们又查找了其他相关资料文献，在进口FPGA的一份勘误手册中介绍了在FPGA配置完成后需继续给一段时间的时钟。于是我们更改了设计，在FPGA配置完成后延长了一定时间的时钟，问题就得到了解决。后来我们又测试了其他系列和其他厂家的国产FPGA，都存在类似的问题。

这个问题虽然原因很简单，但是也可以看出目前国产元器件和进口元器件存在的差距。进口元器件经长期的发展，建立了良好的生态环境，积累了丰富的设计经验，能够有效指导器件使用人员进行产品设计和开发。而国产元器件目前细节方面做得还不够好，一些使用条件不明确，只能靠使用人员的经验进行设计和开发，导致一些用户不想用、不敢用。同时，由于设计文档指导性不强，也容易导致在国产元器件的设计中出现亚稳态的问题，而这类问题常常会误认为是器件个体差异被忽略。因此我们在基于国产元器件设计的过程中应采取软硬件的冗余设计或者降额设计的方法来规避和解决这类问题，保证产品的可靠性和稳定性。

7 结语

根据全球集成电路产业发展格局“五要素钻石模型”，中国集成电路产业要高质量发展，需要本土市场大规模前沿需求、不断进化的创新生态系统、竞争性市场环境、持续高强度投资的激励机制以及丰富的高素质人力资源[5]。

我们从国产集成电路浪潮刚来时就开展基于国产化元器件的设计，一路走来，遇到了太多的问题。这样的问题在国产元器件发展过程中会不断地出现，要解决这些问题，没有现成的经验，需要国产元器件的厂家和用户共同努力，组织优势力量进行技术攻关，拿出拼搏奋进，攻坚克难的勇气，刻苦钻研，勤于实践，提升自身技术水平，突破固有思维，勇于创新。每一个问题的解决，都凝聚了研发人员大量的心血，每一次问题的解决，都使我们感觉脱胎换骨，“功力”又进了一层。正是依靠大家的拼搏、创新和共同努力，我们的国产化进程才能不断的前进。

引用

[1]吴敏琳.中国集成电路产业国际竞争力研究[D].北京:商务部国际贸易经济合作研究院,2019.

[2]朱晶.2020年中国集成电路产业现状回顾和新时期发展展望[J].中国集成电路,2020(11):13-14.

[3]朱晶.“十三五”时期我国集成电路产业发展情况分析及对“十四五”展望[J].全球科技经济瞭望,2021,36(4):28-30.

[4]肖广娣,叶润国.我国集成电路供应链安全风险和对策研究[J].网络空间安全,2019(8):42-43.

[5]李鹏飞.全球集成电路产业发展格局演变的钻石模型[J].财经智库,2019(4):68-74.