打造光通信“中國芯”：烽火P-OTS芯片煉成史 —— 文章正文2015-06-09

    【電子網(wǎng)】芯片曾被形象地比喻為國家的“工業(yè)糧食”，是信息產(chǎn)業(yè)的核心，是所有整機(jī)設(shè)備的心臟。在計算機(jī)、消費類電子、網(wǎng)絡(luò)通信、汽車電子等幾大領(lǐng)域，芯片幾乎起著生死攸關(guān)的作用。然而，我國芯片產(chǎn)業(yè)起步較晚，許多核心技術(shù)受制于人，關(guān)鍵設(shè)備、原材料等長期依賴進(jìn)口。

    2013年，一則消息震驚了國人：來自海關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2013年我國集成電路進(jìn)口高達(dá)2313億美元，超過石油進(jìn)口排名高居首位。事實上，中國有十余年集成電路進(jìn)口額超過石油，長期居各類進(jìn)口產(chǎn)品之首。

    國際貨幣基金組織曾測算過，芯片1元的產(chǎn)值可帶動相關(guān)電子信息產(chǎn)業(yè)10元的增長，帶來100元的GDP增長。我國每年2000多億美元的消耗量，帶動全球20多萬億美元的GDP。然而，中國巨大的市場卻并未給自己帶來多少利潤。我國每年生產(chǎn)占全球77%的手機(jī)，自主芯片卻不到3%，全球半導(dǎo)體市場規(guī)模超過3000億美元，而國內(nèi)制造的芯片只占國內(nèi)市場份額的不到10%。

    “只生產(chǎn)而不掌握核心技術(shù)，我國芯片業(yè)今后將面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。未來5年是我國芯片產(chǎn)業(yè)‘生死存亡’的關(guān)鍵時期，這絕不是危言聳聽。”國內(nèi)某權(quán)威集成電路企業(yè)專家表示。

    嚴(yán)峻的現(xiàn)實表明，在信息通信領(lǐng)域，打造“中國芯”已成為產(chǎn)業(yè)由大變強(qiáng)的緊迫任務(wù)。芯片雖小，但其核心技術(shù)事關(guān)國家安全、網(wǎng)絡(luò)安全和產(chǎn)業(yè)安全。對企業(yè)來說，芯片的研發(fā)更是關(guān)系到企業(yè)競爭與發(fā)展。國內(nèi)有遠(yuǎn)見的系統(tǒng)設(shè)備商都建立了自己的芯片研發(fā)和生產(chǎn)體系，包括華為的“海思”、中興微電子、大唐電信的聯(lián)芯科技等。正如華為總裁任正非所言：沒有芯片核心技術(shù)，總有一天會被國外供應(yīng)商“斷糧”，到那時我們必將不戰(zhàn)自敗。作為我國光通信發(fā)源地和核心技術(shù)的創(chuàng)造者，烽火通信對打造光通信“中國芯”多年來不遺余力，成果豐碩。“芯片是我們極其重要的核心競爭力，它關(guān)系到烽火未來的長遠(yuǎn)發(fā)展，因此對芯片的研發(fā)投入只會不斷增加而不會減少。”烽火通信總裁何書平對記者說。

    自主創(chuàng)新開啟SDH黃金十年

    芯片又叫集成電路，它是通過微細(xì)加工技術(shù)，把半導(dǎo)體器件制造在硅晶圓表面上獲得的一種電子產(chǎn)品。實際上，它是將多達(dá)幾億個微小的晶體管連在一起，以類似用底片洗照片的方式翻印到硅片上的“集成電路”。晶體管極其微小，小到一根頭發(fā)絲直徑里能放下1000個，而制造出來的芯片只有指甲蓋大小。

    設(shè)計一款芯片，科研人員首先要明確需求，確定芯片的“規(guī)范”，定義諸如指令集功能等關(guān)鍵信息，再設(shè)計出芯片電路“版圖”，并將數(shù)以億計的電路按其連接關(guān)系有規(guī)律地翻印到一個硅片上，至此，芯片設(shè)計才算完成。

    設(shè)計復(fù)雜，制造更難。現(xiàn)代集成電路芯片是采用硅材料來制造的，硅經(jīng)過熔煉得到純凈的“單晶硅錠”，再橫向切割拋光做成一個個晶圓，其制造過程就是把一個集成電路的設(shè)計版圖，通過光刻、注入等程序和一道道復(fù)雜工序，最終賦予其各種功能而生產(chǎn)出來。

    事實上，芯片的設(shè)計與制造遠(yuǎn)比上面的描述要復(fù)雜得多，正因為如此，目前世界上只有極少數(shù)國家能夠設(shè)計和制造，并作為核心技術(shù)來掌控。芯片自誕生以來，便成為信息產(chǎn)業(yè)的核心。

    縱觀芯片的發(fā)展，基本遵循著摩爾定律的發(fā)展速度，即芯片上可容納的晶體管數(shù)量每隔18個月就會翻一番。人們雖不確定未來是否會繼續(xù)遵循這一規(guī)律發(fā)展，但可以肯定的是，芯片性能將不斷提升，功耗和體積則會進(jìn)一步下降。

    據(jù)烽火通信微電子部總經(jīng)理楊志勇介紹，在上世紀(jì)90年代，傳輸技術(shù)已徹底完成了PDH時代向SDH時代的轉(zhuǎn)型，SDH技術(shù)已經(jīng)基本定型，其產(chǎn)品成為國家通信基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)重點。經(jīng)過5年左右的技術(shù)積累、人才培育，烽火通信從戰(zhàn)略考量的角度，于2001年成立了微電子部。依靠1996年以來積累的相關(guān)技術(shù)，烽火相繼開發(fā)了2M映射、高低階交叉、高低階指針調(diào)整以及STM1/4/16幀處理器。從2000年到2009年，在SDH產(chǎn)品大規(guī)模布局各大運營商的黃金十年里，烽火研制的光系統(tǒng)芯片為降低整機(jī)設(shè)備成本、提升產(chǎn)品特別是低端產(chǎn)品核心競爭能力作出了巨大貢獻(xiàn)，為這一次技術(shù)轉(zhuǎn)型畫上了一個圓滿的句號。

    領(lǐng)航光網(wǎng)“芯”動力

    隨著技術(shù)的演進(jìn)和發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)融合之勢不斷增強(qiáng)，以高速率、大帶寬、智能化為特點的OTN/P-OTS技術(shù)逐漸成為主流，使芯片的集成度越來越高、規(guī)模越來越大、主頻越來越快、推向市場的周期越來越短。

    然而，業(yè)界主流芯片規(guī)格定制的話語權(quán)集中在寥寥可數(shù)的幾家大公司手中，這對烽火系統(tǒng)設(shè)備的研發(fā)進(jìn)度、工程質(zhì)量、設(shè)備成本以及產(chǎn)品的持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，同時也帶來不可控的危機(jī)和風(fēng)險。業(yè)內(nèi)某國外芯片公司甚至表示，只要烽火停止開發(fā)芯片，就可以把價格降到烽火期望的水平。

    如何在新的技術(shù)浪潮中，讓烽火的產(chǎn)品擁有自主研發(fā)、技術(shù)領(lǐng)先的核心芯片，不受制于人，這不僅是微電子人始終思考的問題，更是一份責(zé)任與使命。2012年年初，面對嚴(yán)峻的市場競爭形勢和接入網(wǎng)市場的巨大需求，P-OTS低速業(yè)務(wù)處理芯片項目成功通過立項。

    微電子部副總經(jīng)理馮峻峰說：“當(dāng)時，微電子部面臨著巨大的挑戰(zhàn)，一方面，由于先進(jìn)工藝高昂的投片費用，讓部門經(jīng)營承受著很大壓力；另一方面，芯片的價值又讓大家心中都憋著一股勁兒。”

    一顆成功芯片的誕生，意味著這款芯片的方案、代碼、驗證、后端、晶圓制造、封裝、DFT測試等所有階段的工作都必須做到100%成功，任何環(huán)節(jié)的任何一個小疏漏，都會使高達(dá)上千萬元的投片費用付諸東流。而且，芯片一旦完成設(shè)計將無法更改，有些問題在后期不能通過軟件方式修補，所以對芯片開發(fā)而言，只有0分和100分的差別，而沒有99分的概念。更值得一提的是，2011年年底，P-OTS芯片標(biāo)準(zhǔn)才剛剛成熟，因此，一項業(yè)界全新的、關(guān)系烽火未來生存的核心芯片項目成為微電子部面臨的巨大挑戰(zhàn)。經(jīng)過科研人員數(shù)月的刻苦攻關(guān)，該芯片終于一次性投片成功。

    P-OTS芯片成為烽火迄今為止自主開發(fā)的規(guī)模最大、工藝最先進(jìn)、時鐘最為復(fù)雜的核心專用芯片，實現(xiàn)了烽火在OTN/P-OTS方向的核心芯片自主化上零的突破，為高端OTN設(shè)備的持續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。該芯片的成功，不僅使單片價格只相當(dāng)于外部采購價的十分之一，顯著降低了產(chǎn)品成本，還可以使烽火系列OTN/P-OTS低速接口盤實現(xiàn)單盤歸一，解決了目前為不同目的需要采用不同廠家的芯片的現(xiàn)狀，既體現(xiàn)了烽火設(shè)備自身的功能特色，提高了設(shè)備的核心競爭力，又避免了設(shè)備上因多套解決方案而采購不同廠家的芯片，大幅降低了供應(yīng)鏈風(fēng)險。

    順應(yīng)需求變化實現(xiàn)研發(fā)轉(zhuǎn)型

    2006年開始，新的傳送網(wǎng)技術(shù)暗流涌動，IP化趨勢不可逆轉(zhuǎn)，SDH、MSTP、ASON面臨著向交換效率更高的PTN演進(jìn)。