㈠ 中国半导体产业现状
全球半导体产业向亚太转移,我国半导体产业融入全球产业链
全球半导体市场规模06年达到247.7亿美元。主要应用领域包括计算机、消费电子、通信等。在电子制造业转移和成本差异等因素的作用下,全球半导体产业向亚太地区转移趋势明显。我国内地半导体产业发展滞后于先进国家,内地企业多位于全球产业链的中下游环节。我国半导体产业成为全球产业链的组成部分,产量和产值提高迅速,但是产品技术含量和附加值偏低。
2007年半导体产业大幅波动,长远发展前景良好
半导体产业的硅周期难以消除。2007年上半年,在内存价格上升等因素作用下,全球半导体市场增速明显下滑。至2007年下半年,由于多余库存的降低、资本支出的控制,半导体市场开始回升。预计2008年,半导体产业增速恢复到一个较高的水平。长远来看,支撑半导体产业发展的下游应用领域仍然处在平稳发展阶段,半导体产业的技术更新也不曾停滞。产品更新与需求形成互动,推动半导体产业持续增长。
我国半导体市场规模增速远快于全球市场
我国半导体市场既受全球市场的影响,也具有自身的运行特点。
我国半导体应用产业中,PC等传统领域仍保持平稳增长,消费电子、数字电视、汽车电子、医疗电子等领域处于快速成长期,3G通信等领域处于成长前期。我国集成电路市场规模增速远快于全球市场,是全球市场增长的重要拉动元素。2006年,我国集成电路市场已经成为全球最大市场。
我国半导体产业规模迅速扩大,产业结构逐步优化
我国半导体产业规模同样快速提高。在封装测试业保持高速增长的同时,设计和制造业的比例逐步提高,产业结构得到优化。在相关管理部门、科研机构和企业的共同努力下,我国系统地开展了标准制定和专利申请工作,有效地保障本土企业从设计、制造等中上游产业链环节分享内地快速增长的电子设备市场。
分立器件、半导体材料行业是我国半导体产业的重要组成部分
集成电路是半导体产业的最大组成部分。分立器件、半导体材料和封装材料也是半导体产业的重要组成部分。我国内地分立器件和半导体材料市场和产业也处于快速增长之中。
上市公司
我国内地半导体产业上市公司面对诸多挑战。技术升级和产品更新是企业生存发展的前提。半导体材料生产企业有较强的定价能力,在保持产品换代的前提下,有较大的成长空间;封装测试公司整体状况较好;分立器件企业发展不均。
全球半导体产业简况
根据WSTS统计,2006年全球半导体市场销售额达2477亿美元,比2005年增长8.9%;产量为5192亿颗,比2005年增长14.0%;ASP为0.477美元,比2005年下降4.5%。
从全球范围来看,包括计算机(Computer)、通信(Communication)、消费电子(ConsumerElectronics)在内的3C产业是半导体产品的最大应用领域,其后是汽车电子和工业控制等领域。
美、日、欧、韩以及中国台湾是目前半导体产业领先的国家和地区。2006年世界前25位的半导体公司全部位于美国、日本、欧洲、韩国。2005年,美国和日本分别占有48%和23%的市场份额,合计达71%。韩国和台湾的半导体产业进步很快。韩国三星已经位列全球第二;台积电(TSMC)的收入在2007年上半年有了很大的提高,排名快速升至第6,成为2007年上半年进入前20名的唯一一家台湾公司,这从一个侧面反映了台湾代工业非常发达。
中国市场简况
中国已经成为全球第一大半导体市场,并且保持较高的增长速度。2006年,中国半导体市场规模突破5800亿,其中集成电路市场达4863亿美元,比2005年增长27.8%,远高于全球市场8.9%的增速。我国市场已经达到全球市场份额的四分之一强。
在市场增长的同时,我国半导体产业成长迅速。以集成电路产业为例,2006年国内生产集成电路355.6亿块,同比增长36.2%。实现收入1006.3亿元,同比增长43.3%。我国半导体产业规模占世界比重还比较低,但远高于全球总体水平的增长率让我们看到了希望。
中国集成电路的应用领域与国际市场有类似之处。2006年,3C(计算机、通信、消费电子)占了全部应用市场的88.5%,高于全球比例。而汽车电子1.3%的比例,比起2005年的1.1%有所提高,仍明显低于全球市场的8.0%。与此相对应的是,我国汽车市场销量呈增长态势,汽车电子国产化比例逐步提高。这说明,在汽车电子等领域,我国集成电路应用仍有较大成长空间。
我国在国际半导体产业中所处地位
我国半导体市场进口率高,超过80%的半导体器件是进口的。国内半导体产业收入远小于国内市场规模。
2006年国内IC市场规模达5800亿,而同期国内IC产业收入是1006.3亿。
我国有多个电子信息产品产量已经位居全球第一,包括台式机、笔记本电脑、手机、数码相机、电视机、DVD、MP3等。中国已超过美国成为世界上最大的集成电路产品应用国。但目前国内企业只能满足不到20%的集成电路产品需求,其他依赖进口。
中国大陆市场的半导体产品前十名的都是跨国公司。这十家公司平均21%的收入来自中国市场。这与中国市场占全球市场规模的比例基本吻合。2006年这十家公司在中国的收入总和占到中国大陆半导体市场规模的34.51%。上述两组数字从另一个侧面反映出跨国公司占有国内较高市场份额。国内半导体市场对进口产品依赖性高。
虽然我国半导体进口量非常大,但出口比例也非常高。2005年国内半导体产品有64%出口。这种现象被称为“大进大出”,主要是由我国产业链特点造成的。
总的来看,我国IC进口远远超过出口。据海关统计,2006年我国集成电路和微电子组件进口额为1035亿美元,出口额为200亿美元,逆差巨大。
由于我国具有劳动力竞争优势,国际半导体企业把技术含量相对较低、劳动密集型的产业链环节向我国转移。我国半导体产业逐渐成为国际产业链的一环。产业链调整和转移的结果是,我国半导体产业在低技术、劳动密集型和低附加值的环节得到了优先发展。2006年,我国IC设计、制造和封装测试业所占的比重分别是18.5%、30.7%和50.8%。一般认为比较合理的比例是3:4:3。封装测试在我国先行一步,发展最快,规模也最大,是全球半导体产业向中国转移比较充分的环节。而处于上游的IC设计成为最薄弱的环节。芯片制造业介于前两者之间,目前跨国公司已经开始把芯片制造逐步向我国转移,中芯国际等国内企业发展也比较快。
这样的产业结构特点说明,国内的半导体企业多数并未直接面对半导体产品的用户—电子设备制造商和工业、军事设备制造商,甚至多数也没有直接分享国内市场。更多的是充当国际半导体产业链的一个中间环节,间接服务于国际国内电子设备市场。这种结构,利润水平偏低,定价能力不强,客户结构对于企业业绩影响较大。究其原因,还是国内技术水平低,高端核心芯片、关键设备、材料、IP等基本依赖进口,相关标准和专利受制于人。国内企业发展也不够成熟,规模偏小,设计、制造、应用三个环节脱节。
与产业链地位相对应,我国大陆的企业多为Foundry(代工)企业,这与台湾的产业特点相类似。国际上大的半导体跨国公司多为IDM形式。
2007全球半导体市场波动,未来增长前景良好
半导体产业长期具有行业波动性
硅周期性依然将长期存在。这是由半导体产业所处的位置决定的。半导体产业本身具有较长的产业链环节。
同时,半导体产业本身是电子设备大产业链的一个中间环节。下游需求和价格变动等外在扰动因素、产业技术升级等内在扰动因素必然在整个产业链产生传导作用。传导过程存在延时,从而导致半导体公司的反应滞后。半导体产业只有提高自身的下游需求预见性,及早对价格、需求和库存等变动做出预测,从而尽量减小波动的幅度。但是,半导体产业的波动性将长期存在。
2006年全球手机销售量增加21%
2006年全球手机销售量为9.908亿部,同比增长21%,其中,2006年四季度售出2.84亿部,占全年28.5%。
Gartner预测2007年手机销量为12亿部,比2006年增加2亿部。手机市场增长平稳。手机作为个人移 动终端,除了通信和已经得到初步普及的音乐播放功能外,将集成越来越多的功能,包括GPS、手机电视等等。3G的逐渐部署也极大促进手机市场的增长。手机用芯片包括信号处理、内存和电源管理等。图9反映了手机用内存需求的增加情况。
2006至2011年全球数字电视机市场将增长一倍
iSuppli预测,从2006年至2011年全球数字电视机半导体市场将增长一倍,从71亿美元增至142亿美元。
数字电视机的芯片应用包括输入/输出电路、驱动电路、电源管理等方面。带动数字电视机增长的因素有多种,包括平板电视价格下降,新一代DVD播放机普及,高清电视推广等。此外,许多国家的政府都宣布了从模拟电视切换到数字电视广播系统的计划。例如,2009年2月17日,全美模拟电视将停播,全部切换为数字电视广播。
中国内地半导体产业的“生态”环境
中国大陆半导体产业作为国际产业链的一个环节,企业形态以代工型企业(foundry)为主,产业结构偏重封装测试环节,半导体制造快速发展,未来我国半导体产业与国际产业大环境的联系将愈发密切。
总的来看,国内企业规模和市场份额相对较小,产品单一,企业发展和技术水平还不够成熟稳定,行业处于成长期。下游通信、消费电子、汽车电子等产业同样是正在上升的市场,发展程度低于国际先进水平,发展速度快于国际平均水平。各种因素共同作用,使得我国半导体产业发展并非完全与国际同步,具备自身的产业“生态环境”,具有不同的发展特点。
2007年上半年,虽然全球市场增速只有2%,但我国内地依然保持了较高的增长速度。上半年中国集成电路总产量同比增长15.2%,达到192.74亿块。共实现销售收入总额607.22亿元,同比增长33.2%。收入增长与2006上半年的48%相比有所回落,部分是受国际市场的影响,但相当大的程度还是国内产业收入基数增大等因素及内在发展规律所致。
我国半导体市场和产业规模增长远快于全球整体增速
受益于国际电子制造业向我国内地转移,以及国内计算机、通信、电子消费等需求的拉动,我国内地半导体市场规模的增长远快于全球市场的增长速度,已经成为全球半导体市场增长的重要推动区域。
作为半导体产业的重要组成部分,国内集成电路产业规模也是全球增长最快的。上世纪90年代初,我国IC产业规模仅有10亿元,至2000年突破百亿元,用了近10年时间;而从2000年的百亿元增至2006年的千亿元,只用了6年时间。今年年底,中国集成电路产业收入总额有望超过全球8%,提前实现我国“十一五”规划提出的“到2010年国内集成电路产业规模占全球8%份额”的目标。
我国半导体应用产业处在高速发展阶段
PC、手机等传统领域发展依然平稳,同时多媒体播放GPS和手机电视为手机等移 动终端带来了新的增长点。
我国数字电视、3G、汽车电子、医疗电子等领域发展进程有别于国际水平,未来几年内将进入高速发展阶段,有力促进国内半导体需求。
抢占标准制高点,充分利用国内市场资源
其实,从目前的角度来看,我国市场规模的快速增长,国内企业在某种程度的程度还不是直接受益者。这是由国内半导体产业在国际产业链中所处的位置所决定的。这一情况在逐步改善,其中最重要的一点,就是我国在标准和专利方面取得突破。
国内的管理部门、专家团队、科研机构和企业已经具有了产业发展的规划能力和前瞻性。在国内相关发展规划的指导下,产业管理部门、科研机构和企业的共同努力,促使3G通信标准TD-SCDMA、数字音视频编解码标准AVS标准、数字电视地面传输国家标准DTMB等系列国内标准出台;手机电视标准虽然尚未明确,但CMMB等国内标准已经打下了良好的基础。这些国有标准虽然未必使国内公司独享这些领域的半导体设计和制造市场,但是标准的制定主要是依靠国内科研机构和企业。在标准制定的过程之中,这些科研机构和企业已经系统地实现了相关技术,研发出了验证产品,取得先入优势。标准制定的同时,国内科研机构已经开展专利池的建设。这样,国内半导体产业就具备了分享这些领域的国内市场的有利条件。我们有理由相信,国内数字电视、消费电子等产业进一步发展,已经对国内半导体产业等上游产业具有了昔日不可比拟的带动能力,本土半导体公司可以更加直接的“触摸”到国内半导体应用产业了。
产业链结构缓慢向上游迁移
自有标准体系的建立,使国内半导体产业的发展具备了一定的优势。身处有利的“生态环境”内,我国半导体产业发展前景良好。目前,我国半导体产业结构已经在逐渐发生变化。2002年,中国IC设计、制造和封装测试业所占的比重分别为8.1%、17.6%、和74.3%,2006年,这一数字变为18.5%、30.7%和50.8%。设计、制造、封装测试三业并举,我国半导体产业才能产生更好的协同作用,国际公认的合理比例是3:4:3。我国半导体产业比例的改变,说明我国集成电路产业在向中上游延伸,但距离理想的比例还有差距。设计和制造业需要更快的提高。
芯片设计水平和收入逐步提高
从集成电路产业链的角度来看,只有掌握了设计,使产业链结构趋于合理,才能掌握我国IC产业的主动权,才能进入IC产业的高附加值领域。近年来,我国集成电路的设计水平不断提高。20%的设计企业能够进行0.18微米、100万门的IC设计,最高设计水平已达90纳米、5000万门。
虽然我国半导体产业很多没有直接分享国内3G、消费电子等领域的高成长。但是,这些领域确实对我国IC设计业的发展提供了良好的发展契机。例如,鼎芯承担了中国3G“TD-SCDMA产业化”国家专项,并在2006年成为中国TD产业联盟第一家射频成员;展讯通信(上海)有限公司是一家致力于手机芯片研发的半导体企业,2006年的销售额达3.32亿元。内地排名第一的芯片设计企业是珠海炬力集成电路设计有限公司(晶门科技总部位于香港),MP3芯片产品做的比较成功,去年的销售额达到了13.46亿美元。中星微电子和展讯通信公司先后获得国家科技最高奖—国家科技进步一等奖。
芯片生产线快速增长
我国新建IC芯片生产线增长很快。从2006年至今增加了10条线,平均每年增加6条。已经达到最高90纳米、主流技术0.18微米的技术水平。12英寸和8英寸芯片生产线产能在国内晶圆总产能中所占的比重则已经超过60%。跨国企业加快了把芯片制造环节向国内转移的速度,Intel也将在大连投资25亿兴建一座芯片生产厂。
建成投产后形成月产12英寸、90纳米集成电路芯片52000片的生产能力,主要产品为CPU芯片组。目前我国大尺寸线比例仍然偏小,生产线的总数占全世界的比例也还小于10%。“十一五”期间我国IC生产线有望保持快速增加。
㈡ 第1、2、3、4代计算机的特点和主要应用领域
1、第一代计算机(1946~1958)
电子管为基本电子器件;使用机器语言和汇编语言;主要应用于国防和科学计算;运算速度每秒几千次至几万次。
计算机主要用于科学计算。主存储器是决定计算机技术面貌的主要因素。当时,主存储器有水银延迟线存储器、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓和磁心存储器等类型,通常按此对计算机进行分类
2、第二代计算机(1958~1964)
晶体管为主要器件;软件上出现了操作系统和算法语言;运算速度每秒几万次至几十万次。
主存储器均采用磁心存储器,磁鼓和磁盘开始用作主要的辅助存储器。不仅科学计算用计算机继续发展,而且中、小型计算机,特别是廉价的小型数据处理用计算机开始大量生产。
3、第三代计算机(1964~1971)
普遍采用集成电路;体积缩小;运算速度每秒几十万次至几百万次。
在集成电路计算机发展的同时,计算机也进入了产品系列化的发展时期。半导体存储器逐步取代了磁心存储器的主存储器地位,磁盘成了不可缺少的辅助存储器,并且开始普遍采用虚拟存储技术。随着各种半导体只读存储器和可改写的只读存储器的迅速发展,以及微程序技术的发展和应用,计算机系统中开始出现固件子系统
4、第四代计算机(1971~至今 )
新一代计算机是把信息采集存储处理、通信和人工智能结合在一起的智能计算机系统。它不仅能进行一般信息处理,而且能面向知识处理,具有形式化推理、联想、学习和解释的能力,将能帮助人类开拓未知的领域和获得新的知识。
以大规模集成电路为主要器件;运算速度每秒几百万次至上亿次。
(2)我国在半导体存储器的地位扩展阅读
第四代计算机出现与发展
将CPU浓缩在一块芯片上的微型机的出现与发展,掀起了计算机大普及的浪潮。1969年,英特尔(Intel)公司受托设计一种计算器所用的整套电路,公司的一名年轻工程师费金(Federico Fagin)成功地在4.2×3.2的硅片上,集成了2250个晶体管。
这就是第一个微处理器——Intel 4004。它是4位的。在它之后,1972年初又诞生了8位微处理器Intel 8008。1973年出现了第二代微处理器(8位),如Intel 8080(1973)、M6800(1975,M代表摩托罗拉公司)、Z80(1976,Z代表齐洛格公司)等。
1978年出现了第三代微处理器(16位),如Intel 8086、Z8000、M68000等。1981年出现了第四代微处理器(32位),如iAPX432、i80386、MAC-32、NS-16032、Z80000、HP-32等。
它们的性能都与七十年代大中型计算机大致相匹敌。微处理器的两三年就换一代的速度,是任何技术也不能比拟的。
㈢ 中国半导体产业的前景如何
2017年是全球半导体产业精彩纷呈的一年,全球半导体龙头基于新产业方向均大幅上涨,不断创新高!2017年,在市场分歧及争议中,我们从“科技红利”产业研究基本方法出发,20万字《随笔系列》阐述半导体行业深度产业逻辑,风雨之后终于见彩虹,A股也从下半年开始,在龙头兆易创新等半导体产业龙头引领下,行业板块多个公司创新高,用漂亮的行业整体上涨完美收官!
中国半导体产业的2017是精彩纷呈的一年!中芯国际引入梁孟松,大师已来,更重要的是意味着我国对顶级人才的吸引力,其实不仅是一个梁大师,很多国际上专业领域有很大声望的专家、中青年实干学子都在陆续归国,为中华半导体崛起贡献自己力量,从我自己的师兄、师姐来看,近几年基于材料、设计的顶级专家都在陆续归国,科技红利基于人才流入的拐点体现的非常明显!
国内龙头企业的发展也是令人激动的,华为的主芯片、人工智能芯片快速突破,达到国际一流水平,而华为应该有更大的战略布局推进半导体;smic引入梁孟松之后,团队陆续到位,加快推进14nm制程;兆易创新在存储器领域这个半导体市场单一最大领域加快突破,nor flash进入国际一线阵营,而合肥项目亮剑DRAM更是展现了企业家的战略雄心,也承载了中华半导体人多年的梦想!
㈣ 国产新星半导体巨头崛起,实现弯道超车,长江存储实力究竟有多牛
首先是长江存储在全球拥有10,000多名员工,7000多项专利申请。是一家以3D NAND闪存为主,涵盖计算机、移动通信等领域的电路企业,致力于成为存储技术的领导者。如今,作为三星、东芝这样的高科技企业,长江存储曾经有着令人钦佩的R&D历史。长江存储的前身武汉新鑫,因经济衰退而举步维艰。危急之时,接受国家财政援助,在武汉新新的基础上建立长江仓储。
要知道的是中国存储行业追赶速度更快,但中美关系持续恶化,层层制裁和人才短缺仍是制约中国发展的关键因素。评价一下长江存储的NAND芯片,用于国内销售的部分iPhone。美国商务部工业与安全局(BIS)宣布修改出口管理条例,旨在进一步阻止中国发展其存储芯片能力和相关军事能力。
㈤ 中国计算机的主要发展历程(侧重比较有里程碑的事件和设备出现事件)
计算机发展历程
计算机是新技术革命的一支主力,也是推动社会向现代化迈进的活跃因素。计算机科学与技术是第二次世界大战以来发展最快、影响最为深远的新兴学科之一。计算机产业已在世界范围内发展成为一种极富生命力的战略产业。
现代计算机是一种按程序自动进行信息处理的通用工具,它的处理对象是信息,处理结果也是信息。利用计算机解决科学计算、工程设计、经营管理、过程控制或人工智能等各种问题的方法,都是按照一定的算法进行的。这种算法是定义精确的一系列规则,它指出怎样以给定的输入信息经过有限的步骤产生所需要的输出信息。
信息处理的一般过程,是计算机使用者针对待解抉的问题,事先编制程序并存入计算机内,然后利用存储程序指挥、控制计算机自动进行各种基本操作,直至获得预期的处理结果。计算机自动工作的基础在于这种存储程序方式,其通用性的基础则在于利用计算机进行信息处理的共性方法。
计算机的历史
现代计算机的诞生和发展 现代计算机问世之前,计算机的发展经历了机械式计算机、机电式计算机和萌芽期的电子计算机三个阶段。
早在17世纪,欧洲一批数学家就已开始设计和制造以数字形式进行基本运算的数字计算机。1642年,法国数学家帕斯卡采用与钟表类似的齿轮传动装置,制成了最早的十进制加法器。1678年,德国数学家莱布尼兹制成的计算机,进一步解决了十进制数的乘、除运算。
英国数学家巴贝奇在1822年制作差分机模型时提出一个设想,每次完成一次算术运算将发展为自动完成某个特定的完整运算过程。1884年,巴贝奇设计了一种程序控制的通用分析机。这台分析机虽然已经描绘出有关程序控制方式计算机的雏型,但限于当时的技术条件而未能实现。
巴贝奇的设想提出以后的一百多年期间,电磁学、电工学、电子学不断取得重大进展,在元件、器件方面接连发明了真空二极管和真空三极管;在系统技术方面,相继发明了无线电报、电视和雷达……。所有这些成就为现代计算机的发展准备了技术和物质条件。
与此同时,数学、物理也相应地蓬勃发展。到了20世纪30年代,物理学的各个领域经历着定量化的阶段,描述各种物理过程的数学方程,其中有的用经典的分析方法已根难解决。于是,数值分析受到了重视,研究出各种数值积分,数值微分,以及微分方程数值解法,把计算过程归结为巨量的基本运算,从而奠定了现代计算机的数值算法基础。
社会上对先进计算工具多方面迫切的需要,是促使现代计算机诞生的根本动力。20世纪以后,各个科学领域和技术部门的计算困难堆积如山,已经阻碍了学科的继续发展。特别是第二次世界大战爆发前后,军事科学技术对高速计算工具的需要尤为迫切。在此期间,德国、美国、英国部在进行计算机的开拓工作,几乎同时开始了机电式计算机和电子计算机的研究。
德国的朱赛最先采用电气元件制造计算机。他在1941年制成的全自动继电器计算机Z-3,已具备浮点记数、二进制运算、数字存储地址的指令形式等现代计算机的特征。在美国,1940~1947年期间也相继制成了继电器计算机MARK-1、MARK-2、Model-1、Model-5等。不过,继电器的开关速度大约为百分之一秒,使计算机的运算速度受到很大限制。
电子计算机的开拓过程,经历了从制作部件到整机从专用机到通用机、从“外加式程序”到“存储程序”的演变。1938年,美籍保加利亚学者阿塔纳索夫首先制成了电子计算机的运算部件。1943年,英国外交部通信处制成了“巨人”电子计算机。这是一种专用的密码分析机,在第二次世界大战中得到了应用。
1946年2月美国宾夕法尼亚大学莫尔学院制成的大型电子数字积分计算机(ENIAC),最初也专门用于火炮弹道计算,后经多次改进而成为能进行各种科学计算的通用计算机。这台完全采用电子线路执行算术运算、逻辑运算和信息存储的计算机,运算速度比继电器计算机快1000倍。这就是人们常常提到的世界上第一台电子计算机。但是,这种计算机的程序仍然是外加式的,存储容量也太小,尚未完全具备现代计算机的主要特征。
新的重大突破是由数学家冯·诺伊曼领导的设计小组完成的。1945年3月他们发表了一个全新的存储程序式通用电子计算机方案—电子离散变量自动计算机(EDVAC)。随后于1946年6月,冯·诺伊曼等人提出了更为完善的设计报告《电子计算机装置逻辑结构初探》。同年7~8月间,他们又在莫尔学院为美国和英国二十多个机构的专家讲授了专门课程《电子计算机设计的理论和技术》,推动了存储程序式计算机的设计与制造。
1949年,英国剑桥大学数学实验室率先制成电子离散时序自动计算机(EDSAC);美国则于1950年制成了东部标准自动计算机(SFAC)等。至此,电子计算机发展的萌芽时期遂告结束,开始了现代计算机的发展时期。
在创制数字计算机的同时,还研制了另一类重要的计算工具——模拟计算机。物理学家在总结自然规律时,常用数学方程描述某一过程;相反,解数学方程的过程,也有可能采用物理过程模拟方法,对数发明以后,1620年制成的计算尺,己把乘法、除法化为加法、减法进行计算。麦克斯韦巧妙地把积分(面积)的计算转变为长度的测量,于1855年制成了积分仪。
19世纪数学物理的另一项重大成就——傅里叶分析,对模拟机的发展起到了直接的推动作用。19世纪后期和20世纪前期,相继制成了多种计算傅里叶系数的分析机和解微分方程的微分分析机等。但是当试图推广微分分析机解偏微分方程和用模拟机解决一般科学计算问题时,人们逐渐认识到模拟机在通用性和精确度等方面的局限性,并将主要精力转向了数字计算机。
电子数字计算机问世以后,模拟计算机仍然继续有所发展,并且与数字计算机相结合而产生了混合式计算机。模拟机和混合机已发展成为现代计算机的特殊品种,即用在特定领域的高效信息处理工具或仿真工具。
20世纪中期以来,计算机一直处于高速度发展时期,计算机由仅包含硬件发展到包含硬件、软件和固件三类子系统的计算机系统。计算机系统的性能—价格比,平均每10年提高两个数量级。计算机种类也一再分化,发展成微型计算机、小型计算机、通用计算机(包括巨型、大型和中型计算机),以及各种专用机(如各种控制计算机、模拟—数字混合计算机)等。
计算机器件从电子管到晶体管,再从分立元件到集成电路以至微处理器,促使计算机的发展出现了三次飞跃。
在电子管计算机时期(1946~1959),计算机主要用于科学计算。主存储器是决定计算机技术面貌的主要因素。当时,主存储器有水银延迟线存储器、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓和磁心存储器等类型,通常按此对计算机进行分类。
到了晶体管计算机时期(1959~1964),主存储器均采用磁心存储器,磁鼓和磁盘开始用作主要的辅助存储器。不仅科学计算用计算机继续发展,而且中、小型计算机,特别是廉价的小型数据处理用计算机开始大量生产。
1964年,在集成电路计算机发展的同时,计算机也进入了产品系列化的发展时期。半导体存储器逐步取代了磁心存储器的主存储器地位,磁盘成了不可缺少的辅助存储器,并且开始普遍采用虚拟存储技术。随着各种半导体只读存储器和可改写的只读存储器的迅速发展,以及微程序技术的发展和应用,计算机系统中开始出现固件子系统。
20世纪70年代以后,计算机用集成电路的集成度迅速从中小规模发展到大规模、超大规模的水平,微处理器和微型计算机应运而生,各类计算机的性能迅速提高。随着字长4位、8位、16位、32位和64位的微型计算机相继问世和广泛应用,对小型计算机、通用计算机和专用计算机的需求量也相应增长了。
微型计算机在社会上大量应用后,一座办公楼、一所学校、一个仓库常常拥有数十台以至数百台计算机。实现它们互连的局部网随即兴起,进一步推动了计算机应用系统从集中式系统向分布式系统的发展。
在电子管计算机时期,一些计算机配置了汇编语言和子程序库,科学计算用的高级语言FORTRAN初露头角。在晶体管计算机阶段,事务处理的COBOL语言、科学计算机用的ALGOL语言,和符号处理用的LISP等高级语言开始进入实用阶段。操作系统初步成型,使计算机的使用方式由手工操作改变为自动作业管理。
进入集成电路计算机发展时期以后,在计算机中形成了相当规模的软件子系统,高级语言种类进一步增加,操作系统日趋完善,具备批量处理、分时处理、实时处理等多种功能。数据库管理系统、通信处理程序、网络软件等也不断增添到软件子系统中。软件子系统的功能不断增强,明显地改变了计算机的使用属性,使用效率显着提高。
在现代计算机中,外围设备的价值一般已超过计算机硬件子系统的一半以上,其技术水平在很大程度上决定着计算机的技术面貌。外围设备技术的综合性很强,既依赖于电子学、机械学、光学、磁学等多门学科知识的综合,又取决于精密机械工艺、电气和电子加工工艺以及计量的技术和工艺水平等。
外围设备包括辅助存储器和输入输出设备两大类。辅助存储器包括磁盘、磁鼓、磁带、激光存储器、海量存储器和缩微存储器等;输入输出设备又分为输入、输出、转换、、模式信息处理设备和终端设备。在这些品种繁多的设备中,对计算机技术面貌影响最大的是磁盘、终端设备、模式信息处理设备和转换设备等。
新一代计算机是把信息采集存储处理、通信和人工智能结合在一起的智能计算机系统。它不仅能进行一般信息处理,而且能面向知识处理,具有形式化推理、联想、学习和解释的能力,将能帮助人类开拓未知的领域和获得新的知识。
计算技术在中国的发展 在人类文明发展的历史上中国曾经在早期计算工具的发明创造方面写过光辉的一页。远在商代,中国就创造了十进制记数方法,领先于世界千余年。到了周代,发明了当时最先进的计算工具——算筹。这是一种用竹、木或骨制成的颜色不同的小棍。计算每一个数学问题时,通常编出一套歌诀形式的算法,一边计算,一边不断地重新布棍。中国古代数学家祖冲之,就是用算筹计算出圆周率在3.1415926和3.1415927之间。这一结果比西方早一千年。
珠算盘是中国的又一独创,也是计算工具发展史上的第一项重大发明。这种轻巧灵活、携带方便、与人民生活关系密切的计算工具,最初大约出现于汉朝,到元朝时渐趋成熟。珠算盘不仅对中国经济的发展起过有益的作用,而且传到日本、朝鲜、东南亚等地区,经受了历史的考验,至今仍在使用。
中国发明创造指南车、水运浑象仪、记里鼓车、提花机等,不仅对自动控制机械的发展有卓越的贡献,而且对计算工具的演进产生了直接或间接的影响。例如,张衡制作的水运浑象仪,可以自动地与地球运转同步,后经唐、宋两代的改进,遂成为世界上最早的天文钟。
记里鼓车则是世界上最早的自动计数装置。提花机原理刘计算机程序控制的发展有过间接的影响。中国古代用阳、阴两爻构成八卦,也对计算技术的发展有过直接的影响。莱布尼兹写过研究八卦的论文,系统地提出了二进制算术运算法则。他认为,世界上最早的二进制表示法就是中国的八卦。
经过漫长的沉寂,新中国成立后,中国计算技术迈入了新的发展时期,先后建立了研究机构,在高等院校建立了计算技术与装置专业和计算数学专业,并且着手创建中国计算机制造业。
1958年和1959年,中国先后制成第一台小型和大型电子管计算机。60年代中期,中国研制成功一批晶体管计算机,并配制了ALGOL等语言的编译程序和其他系统软件。60年代后期,中国开始研究集成电路计算机。70年代,中国已批量生产小型集成电路计算机。80年代以后,中国开始重点研制微型计算机系统并推广应用;在大型计算机、特别是巨型计算机技术方面也取得了重要进展;建立了计算机服务业,逐步健全了计算机产业结构。
在计算机科学与技术的研究方面,中国在有限元计算方法、数学定理的机器证明、汉字信息处理、计算机系统结构和软件等方面都有所建树。在计算机应用方面,中国在科学计算与工程设计领域取得了显着成就。在有关经营管理和过程控制等方面,计算机应用研究和实践也日益活跃。
计算机科学与技术
计算机科学与技术是一门实用性很强、发展极其迅速的面向广大社会的技术学科,它建立在数学、电子学 (特别是微电子学)、磁学、光学、精密机械等多门学科的基础之上。但是,它并不是简单地应用某些学科的知识,而是经过高度综合形成一整套有关信息表示、变换、存储、处理、控制和利用的理论、方法和技术。
计算机科学是研究计算机及其周围各种现象与规模的科学,主要包括理论计算机科学、计算机系统结构、软件和人工智能等。计算机技术则泛指计算机领域中所应用的技术方法和技术手段,包括计算机的系统技术、软件技术、部件技术、器件技术和组装技术等。计算机科学与技术包括五个分支学科,即理论计算机科学、计算机系统结构、计算机组织与实现、计算机软件和计算机应用。
理论计算机学 是研究计算机基本理论的学科。在几千年的数学发展中,人们研究了各式各样的计算,创立了许多算法。但是,以计算或算法本身的性质为研究对象的数学理论,却是在20世纪30年代才发展起来的。
当时,由几位数理逻辑学者建立的算法理论,即可计算性理论或称递归函数论,对20世纪40年代现代计算机设计思想的形成产生过影响。此后,关于现实计算机及其程序的数学模型性质的研究,以及计算复杂性的研究等不断有所发展。
理论计算机科学包括自动机论、形式语言理论、程序理论、算法分析,以及计算复杂性理论等。自动机是现实自动计算机的数学模型,或者说是现实计算机程序的模型,自动机理论的任务就在于研究这种抽象机器的模型;程序设计语言是一种形式语言,形式语言理论根据语言表达能力的强弱分为O~3型语言,与图灵机等四类自动机逐一对应;程序理论是研究程序逻辑、程序复杂性、程序正确性证明、程序验证、程序综合、形式语言学,以及程序设计方法的理论基础;算法分析研究各种特定算法的性质。计算复杂性理论研究算法复杂性的一般性质。
计算机系统结构 程序设计者所见的计算机属性,着重于计算机的概念结构和功能特性,硬件、软件和固件子系统的功能分配及其界面的确定。使用高级语言的程序设计者所见到的计算机属性,主要是软件子系统和固件子系统的属性,包括程序语言以及操作系统、数据库管理系统、网络软件等的用户界面。使用机器语言的程序设计者所见到的计算机属性,则是硬件子系统的概念结构(硬件子系统结构)及其功能特性,包括指令系统(机器语言),以及寄存器定义、中断机构、输入输出方式、机器工作状态等。
硬件子系统的典型结构是冯·诺伊曼结构,它由运算器控制器、存储器和输入、输出设备组成,采用“指令驱动”方式。当初,它是为解非线性、微分方程而设计的,并未预见到高级语言、操作系统等的出现,以及适应其他应用环境的特殊要求。在相当长的一段时间内,软件子系统都是以这种冯·诺伊曼结构为基础而发展的。但是,其间不相适应的情况逐渐暴露出来,从而推动了计算机系统结构的变革。
计算机组织与实现 是研究组成计算机的功能、部件间的相互连接和相互作用,以及有关计算机实现的技术,均属于计算机组织与实现的任务。
在计算机系统结构确定分配给硬子系统的功能及其概念结构之后,计算机组织的任务就是研究各组成部分的内部构造和相互联系,以实现机器指令级的各种功能和特性。这种相互联系包括各功能部件的布置、相互连接和相互作用。
随着计算机功能的扩展和性能的提高,计算机包含的功能部件也日益增多,其间的互连结构日趋复杂。现代已有三类互连方式,分别以中央处理器、存储器或通信子系统为中心,与其他部件互连。以通信子系统为中心的组织方式,使计算机技术与通信技术紧密结合,形成了计算机网络、分布计算机系统等重要的计算机研究与应用领域。
与计算实现有关的技术范围相当广泛,包括计算机的元件、器件技术,数字电路技术,组装技术以及有关的制造技术和工艺等。
软件 软件的研究领域主要包括程序设计、基础软件、软件工程三个方面。程序设计指设计和编制程序的过程,是软件研究和发展的基础环节。程序设计研究的内容,包括有关的基本概念、规范、工具、方法以及方法学等。这个领域发展的特点是:从顺序程序设计过渡到并发程序设计和分币程序设计;从非结构程序设计方法过渡到结构程序设计方法;从低级语言工具过渡到高级语言工具;从具体方法过渡到方法学。
基础软件指计算机系统中起基础作用的软件。计算机的软件子系统可以分为两层:靠近硬件子系统的一层称为系统软件,使用频繁,但与具体应用领域无关;另一层则与具体应用领域直接有关,称为应用软件;此外还有支援其他软件的研究与维护的软件,专门称为支援软件。
软件工程是采用工程方法研究和维护软件的过程,以及有关的技术。软件研究和维护的全过程,包括概念形成、要求定义、设计、实现、调试、交付使用,以及有关校正性、适应性、完善性等三层意义的维护。软件工程的研究内容涉及上述全过程有关的对象、结构、方法、工具和管理等方面。
软件目动研究系统的任务是:在软件工程中采用形式方法:使软件研究与维护过程中的各种工作尽可能多地由计算机自动完成;创造一种适应软件发展的软件、固件与硬件高度综合的高效能计算机。
计算机产业
计算机产业包括两大部门,即计算机制造业和计算机服务业。后者又称为信息处理产业或信息服务业。计算机产业是一种省能源、省资源、附加价值高、知识和技术密集的产业,对于国民经济的发展、国防实力和社会进步均有巨大影响。因此,不少国家采取促进计算机产业兴旺发达的政策。
计算机制造业包括生产各种计算机系统、外围设备终端设备,以及有关装置、元件、器件和材料的制造。计算机作为工业产品,要求产品有继承性,有很高的性能-价格比和综合性能。计算机的继承性特别体现在软件兼容性方面,这能使用户和厂家把过去研制的软件用在新产品上,使价格很高的软件财富继续发挥作用,减少用户再次研制软件的时间和费用。提高性能-价格比是计算机产品更新的目标和动力。
计算机制造业提供的计算机产品,一般仅包括硬件子系统和部分软件子系统。通常,软件子系统中缺少适应各种特定应用环境的应用软件。为了使计算机在特定环境中发挥效能,还需要设计应用系统和研制应用软件此外,计算机的运行和维护,需要有掌握专业知识的技术人员,这常常是一股用户所作不到的。
针对这些社会需要,一些计算机制造厂家十分重视向用户提供各种技术服务和销售服务。一些独立于计算机制造厂家的计算机服务机构,也在50年代开始出现。到60年代末期,计算机服务业在世界范围内已形成为独立的行业。
计算机的发展与应用
计算机科学与技术的各门学科相结合,改进了研究工具和研究方法,促进了各门学科的发展。过去,人们主要通过实验和理论两种途径进行科学技术研究。现在,计算和模拟已成为研究工作的第三条途径。
计算机与有关的实验观测仪器相结合,可对实验数据进行现场记录、整理、加工、分析和绘制图表,显着地提高实验工作的质量和效率。计算机辅助设计已成为工程设计优质化、自动化的重要手段。在理论研究方面,计算机是人类大脑的延伸,可代替人脑的若干功能并加以强化。古老的数学靠纸和笔运算,现在计算机成了新的工具,数学定理证明之类的繁重脑力劳动,已可能由计算机来完成或部分完成。
计算和模拟作为一种新的研究手段,常使一些学科衍生出新的分支学科。例如,空气动力学、气象学、弹性结构力学和应用分析等所面临的“计算障碍”,在有了高速计算机和有关的计算方法之后开始有所突破,并衍生出计算空气动力学、气象数值预报等边缘分支学科。利用计算机进行定量研究,不仅在自然科学中发挥了重大的作用,在社会科学和人文学科中也是如此。例如,在人口普查、社会调查和自然语言研究方面,计算机就是一种很得力的工具。
计算机在各行各业中的广泛应用,常常产生显着的经济效益和社会效益,从而引起产业结构、产品结构、经营管理和服务方式等方面的重大变革。在产业结构中已出观了计算机制造业和计算机服务业,以及知识产业等新的行业。
微处理器和微计算机已嵌入机电设备、电子设备、通信设备、仪器仪表和家用电器中,使这些产品向智能化方向发展。计算机被引入各种生产过程系统中,使化工、石油、钢铁、电力、机械、造纸、水泥等生产过程的自动化水平大大提高,劳动生产率上升、质量提高、成本下降。计算机嵌入各种武器装备和武器系统干,可显着提高其作战效果。
经营管理方面,计算机可用于完成统计、计划、查询、库存管理、市场分析、辅助决策等,使经营管理工作科学化和高效化,从而加速资金周转,降低库存水准,改善服务质量,缩短新产品研制周期,提高劳动生产率。在办公室自动化方面,计算机可用于文件的起草、检索和管理等,显着提高办公效率。
计算机还是人们的学习工具和生活工具。借助家用计算机、个人计算机、计算机网、数据库系统和各种终端设备,人们可以学习各种课程,获取各种情报和知识,处理各种生活事务(如订票、购物、存取款等),甚至可以居家办公。越来越多的人的工作、学习和生活中将与计算机发生直接的或间接的联系。普及计算机教育已成为一个重要的问题。
总之,计算机的发展和应用已不仅是一种技术现象而且是一种政治、经济、军事和社会现象。世界各国都力图主动地驾驭这种社会计算机化和信息化的进程,克服计算机化过程中可能出现的消极因素,更顺利地向高智能化方向发展。
㈥ 半导体的现状及其发展趋势
中国计算50年
——中国数字电子计算机的创业历程及领路人
(2006-09-11 16:18:31)
■ 中国科学院院士、北京科技大学教授 高庆狮
编者按: 一转眼,中国的计算机事业已经走过了50个春秋。在《计算机世界》纪念中国计算机事业发展50年的过程中,我们看到,在这50年里,有太多激动人心的创举出现,也有太多令人黯然的无奈穿过。
几代大师为了中国计算机事业的发展鞠躬尽瘁,更多人为了中国计算机产业的前行奋发图强。为此,我们特邀中国科学院院士、北京科技大学教授、中国科学院计算技术研究所终身研究员高庆狮撰写此文,以纪念过往、庆祝成就,同时也警醒现状、激励未来。
50年风雨之后,为了寻求ICT的融合和计算领域的更大发展,中国正在积极酝酿更好的政策环境。2006年8月29日,全国信息产业科技创新会议在京召开。
自从1946年,世界上第一台数字电子计算机在美国诞生,与计算机最邻近领域的数学和物理界的共和国泰斗、世界数学大师华罗庚教授和中国原子能事业的奠基人钱三强教授,十分关注这一新技术如何在国内发展。
中国诞生计算机
从1951年起,国内外和计算机领域相近的其他领域人才,尤其是从国外回来的教授、工程师和博士,不断转入到该行业中。他们当中的很多人,都在华罗庚领导的中科院数学所和钱三强领导的中科院物理所里,其中包括国际电路网络权威闵乃大教授、在美国公司有多年实践经验的范新弼博士、在丹麦公司有多年实践经验的吴几康工程师,以及从英国留学回来的夏培肃博士和从美国留学回来的蒋士飞博士。
他们积极推动,把发展计算机列入12年发展规划。
1956年3月,由闵乃大教授、胡世华教授、徐献瑜教授、张效祥教授、吴几康副研究员和北大的党政人员组成代表团,参加了在莫斯科主办的“计算技术发展道路”国际会议,到前苏联“取经”,为我国制定12年规划的计算机部分做技术准备。当时的代表团主要成员后来都参加了12年规划。此外,范新弼、夏培肃和蒋士飞也加入规划制定中。在随后制定的12年规划中,确定了中国要研制计算机,并批准中国科学院成立计算技术、半导体、电子学及自动化等四个研究所。
计算技术研究所筹备处由科学院、总参三部、国防五院(七机部)、二机部十局(四机部)四个单位联合成立,北京大学、清华大学也相应成立了计算数学专业和计算机专业。为了迅速培养计算机专业人才,这三个单位联合举办了第一届计算机和第一届计算数学训练班。计算数学训练班的学生有幸听到了刚刚归国的钱学森教授和董铁宝教授讲课。钱学森教授在当时已经是国际控制论的权威专家,而董铁宝教授在美国已经有过3~4年的编程经验,也是当时国内惟一真正接触过计算机的学者。当时我也是学生之一。
钱学森的数学功底的深度和广度几乎涵盖了我们所学的数学的所有课程,而且运用自如,我们作为北大数学系学生,对此感到十分钦佩。同时,钱学森教授也帮助我们具体了解到,数学如何应用到实际物理世界中。
在前苏联专家的帮助下,由七机部张梓昌高级工程师领导研发的中国第一台数字电子计算机103机(定点32二进制位,每秒2500次)在中国科学院计算技术研究所诞生,并于1958年交付使用。参与研发的骨干有董占球、王行刚等年轻人。随后,由总参张效祥教授领导的中国第一台大型数字电子计算机104机(浮点40二进制位、每秒1万次)在1959年也交付使用,骨干有金怡濂,苏东庄,刘锡刚,姚锡珊,周锡令等人。其中,磁心存储器是计算所副研究员范新弼和七机部黄玉珩高级工程师领导完成的。在104机上建立的、由仲萃豪和董韫美领导的中国第一个自行设计的编译系统,则在1961年试验成功(Fortran型)。
国防是首要服务对象
在任何先进国家,计算机的发展首先都是为国防服务,应用于国家战略部署上,中国也不例外。1958年,北京大学张世龙领导包括当时作为学生的王选在内的北大师生,与中国人民解放军空军合作,自行设计研制了数字电子计算机“北京一号”,并交付空军使用。当时中国人民解放军朱德总司令还亲自到北京大学北阁“北京一号”机房参观了该机器。随后,张世龙带领北大师生(包括王选和许卓群在内),立即投入北大自行设计的“红旗”计算机研制工作,当时设定的目标比前苏联专家帮助研制的104机还高,并于1962年试算成功。但是由于搬迁和文革的干扰,搬迁后“红旗”一直没有能够恢复和继续工作。
与此同时,1958年,在哈尔滨军事工程学院(国防科技大学前身)海军系柳克俊的领导下,哈尔滨军事工程学院和中国人民解放军海军合作,自行设计了“901”海军计算机,并交付海军使用。在海军系康继昌的领导下,哈尔滨军事工程学院和中国人民解放军空军合作,自行设计的“东风113”空军机载计算机也交付空军使用。随后,柳克俊领导的国产晶体管军用的计算机,也在1961年交付海军使用。
1958年~1962年期间,中国人民解放军总参谋部也前后独立研制成功了一些自行设计、全部国产化的计算机。
1964年,中科院计算技术研究所吴几康、范新弼领导的自行设计119机(通用浮点44二进制位、每秒 5万次)也交付使用,这是中国第一台自行设计的电子管大型通用计算机,也是当时世界上最快的电子管计算机。当时美国等发达国家已经转入晶体管计算机领域,119机虽不能说明中国具有极高水平,但是仍然能表明,中国有能力实现“外国有的,中国要有;外国没有的,中国也要有”这个伟大目标。
在119机上建立的,是董韫美领导的自行设计的编译系统,该系统在1965年交付使用(Algol型),后来移植到109丙机上继续起作用。
哈尔滨军事工程学院计算机系慈云桂教授领导的自行设计的晶体管计算机441B(浮点40二进制位、每秒8千次)在1964年研制成功,骨干人员包括康鹏等人。1965年,441B机改进为计算速度每秒两万次。
与此同时,中科院计算技术研究所蒋士飞领导的自行设计的晶体管计算机109乙机(浮点32二进制位、每秒6万次),也在1965年交付使用。为了发展“两弹一星”工程,1967年,由中科院计算机所蒋士飞领导,自行设计专为两弹一星服务的计算机109丙机,并交付使用,骨干有沈亚城、梁吟藻等人。两台109丙机分别安装在二机部供核弹研究用和七机部供火箭研究用。109丙机的使用时间长达15年,被誉为“功勋计算机”,是中国第一台具有分时、中断系统和管理程序的计算机,而且,中国第一个自行设计的管理程序就是在它上面建立的。
这些由中国科研人员自力更生、努力拼搏研制出的第一批计算机,代表了中国人掌握计算机的技术水平和成果,证明了中国有能力发展自己的全部国产化的计算机事业。
突破百万到超越亿计算
虽然我国自行设计研制了多种型号的计算机,但运算速度一直未能突破百万次大关。1973年,北京大学(由张世龙培养的、包括许卓群和张兴华等骨干人员)与“738厂”(包括孙强南、陈华林等骨干人员)联合研制的集成电路计算机150(通用浮点48二进制位、每秒1百万次)问世。这是我国拥有的第一台自行设计的百万次集成电路计算机,也是中国第一台配有多道程序和自行设计操作系统的计算机。该操作系统由北京大学杨芙清教授领导研制,是国内第一个自行设计的操作系统。
1973年3月,在全国实际研制目标200~500万次不能满足中国飞行体设计的计算流体力学需要的情形下,时任国防科委副主任的钱学森,根据飞行体设计需要,要求中科院计算所在20世纪70年代研制一亿次高性能巨型机,80年代完成十亿次和百亿次高性能巨型机,并且指出必须考虑并行计算道路。中科院计算所根据国防情报所和计算所情报室提供的国际上的公开资料,分析了1970年前后美国研制的高性能巨型机的优缺点之后,于1973年5月提出“全部器件国产化一亿次高性能巨型机(20M低功耗ECL、电路-四条流水线)及其模型机(757向量计算机、10M ECL、电路-单条流水线)”的可行方案。由于文革中受到严重干扰,以及文革后“走马灯”式良莠不齐的领导乱指挥,尽管在1979年,由亚城负责的20M低功耗ECL电路的集成电路芯片投片已经研发成功,但是最终“全部器件国产化一亿次高性能巨型机”的研发,因为任务变化,最终搁浅。
表1和表2给出了代表中国掌握电子管、晶体管、集成电路计算机技术的发展时间表,水平主要是根据创新的“三性”中的先进性。需要说明的是,表中所列只是代表中国已掌握的计算机技术水平的计算机,其中,带*的103、104、119、150、757,及银河-1号巨型机和银河-2仿真计算机等7台计算机,都被载入“记述对中华文明发展起促进作用的重要历史事件”的中华世纪坛青铜甬道铭文中。
除了研制水平之外,产业、市场和应用的发展也同样重要。在批量生产计算机上,电子工业部及其相关研究所(例如着名的15所)和工厂(例如着名的738厂)功不可没。不仅上述中国早期计算机的研制和批量生产要依靠它们,而且它们也独立设计和研制过一些成批生产的计算机(例如108系列、与清华大学合作的DJS-130等),尤其在人造卫星地面系统(例如320计算机及舰上718计算机)及其他军工任务上,这些研究所和工厂都有过突出贡献。研究所和工厂研究工作的重点,主要是在技术和工艺方面。他们的领军人包括莫根生、陈立伟、曹启章及一批骨干人员,例如江学国等。现任中国工程院院士罗沛霖领导的仿IBM系列也起过历史性作用,沈绪榜和李三立负责的有关卫星天上和地上计算机及其他任务用的计算机也做出了重要的贡献。此外,七机部、清华大学及中科院各分院在发展计算技术方面还做出了许多贡献,这里就不枚举了。
中国自力更生全部国产化的半导体、集成电路计算机事业,和20世纪50~70年代林兰英、王守武、王守觉和徐元森等教授领导的中科院半导体所、上海冶金所和109厂的研究及开发工作是分不开的。中科院半导体所和109厂都是从中国科学院物理所独立出来的,中科院物理所对中国计算机事业的历史贡献功不可没。
人才培养至关重要
发展计算机事业离不开人才培养,20世纪50~70年代,中科院计算技术研究所(及之后的中国科技大学)的夏培肃副研究员、北京大学和哈尔滨军事工程学院,在组织教师和学生动手研制计算机、进行实践、培养人才等方面,都取得了很好的成绩。夏培肃领导组织教师和学生动手研制了107(定点32二进制位、每秒 250次)计算机,该计算机于1960年交付使用,并且还复制了两台。尽管107计算机比103(1958年交付使用)、104计算机(1959年交付使用)速度低了10倍到40倍,但是对培养人才起了重要作用。
一个计算机系统是由多方面研究成果构成的。范新弼领导的磁心存储器长期处于领先地位,其中主要的骨干有伍福宁、王振山、徐正春、张杰、甘鸿,等等。王克本领导了中国第一个八层印刷电路版研究与设计小组。方光旦在磁头、磁胶,张品贤在磁带,顾尔旺在磁鼓等方面,都做出了出色的贡献。实际上,大多计算机的研发都是集体成果,例如全国参加757计算机研发工作的人员,就有上千人。
我国第一个“计算机系统结构设计”小组于1957年在中科院计算所成立。20世纪50~70年代,它承担了中科院计算所代表性的计算机(119、109乙、109丙、757、717等计算机)的系统结构设计任务。参与成员则根据当时前苏联计算机领军人物、前苏联科学院列贝捷夫院士的建议,由年轻的数学专业毕业生组成。第一任小组负责人是国际网络权威人士闵乃大教授,第一个正式设计任务则是1958年5月国防部门的“导弹防御系统计算机”系统结构设计。设计工作由北京大学张世龙和第二任小组负责人虞承宣,加上6名数学专业毕业的大学生组成,其中周巢尘、沈绪榜等3人后来分别由不同领域(软件、航天、系统结构)、不同单位被选为中科院院士。
中国20世纪60年代编译系统的带头人在当时都是年轻人,如中国人民解放军总参谋部杨奇、中科院计算所董韫美和仲萃豪、南京大学徐家福、国防科技大学陈火旺等。中国20世纪60年代操作系统的带头人有北京大学杨芙清、南京大学大孙仲秀等,当时也都是年轻人。软件正确性设计(容易推广到硬件的正确性设计)是近20多年国际上关注的具有巨大经济效益、社会效益和理论价值的重大问题。我国领军人物何积丰院士、周巢尘院士如今已经是国际上知名的佼佼者。20世纪70年代,逐渐形成容错和检测理论和实践的带头人是魏道政,而知识处理的带头人是陆汝钤。
依赖进口弊端过大
20世纪70年代后期以后,中国研制的计算机,几乎全部使用进口元器件、进口部件。
由于超大规模集成电路迅速发展,数千万甚至上亿个晶体管逐渐能够集成在一个芯片上,20世纪80年代及其之后得到迅速发展的计算机,是普通个人使用的“微机”(PC机)及超强“微机”(后者可以组成服务器或者并行处理的高性能计算机),而其他各式各样的计算机(包括超级中小型计算机在内)由于性价比问题,无法和微机竞争,就自然逐步退出舞台了。国际上没有及时调整战略的计算机公司,例如CDC公司、王安公司等,纷纷倒闭。虽然如此,国内那一段过渡时期为了满足用户需求而研制的各种机型也曾有过较大贡献,例如张修领导的KJ8920,在为用户提供优质服务软件方面就很突出。
中国最早意识到个人计算机发展趋势而率先转向研究“微机”,并且做出突出贡献的带头人有倪光南、韩承德等。
国内高性能计算机,有慈云桂、卢锡城、周兴铭、杨学军领导的银河系列;张效祥、金怡濂、陈左宁领导的神州系列;李国杰、孙凝晖领导的曙光系列;祝明发领导的联想深腾系列;以及周兴铭领导的银河-2数字仿真巨型机等。PC机有联想系列、长城系列、方正系列、同方系列等,其学术代表性带头人是倪光南,产业代表性的领军人是柳传志。
计算机产业作为一个产业链,软件发展依赖于整机和应用需求的发展;整机的发展依赖于芯片、部件及需求的发展;芯片的发展则依赖于“集成电路生产线大三角形”的发展。这里集成电路生产线大三角形是指集成电路生产线的三大部分,即大底座、中间层和顶层。大底座(价值十多亿美元的集成电路制造工艺生产线)是从拉单晶硅到光刻-扩散-参杂,到最后封装,相当于过去林兰英、王守武、王守觉和徐元森等领导中科院半导体所、上海冶金所的研究工作。中间层是各种高速低功耗电路设计,相当于过去中科院计算所电路设计组蒋士飞、沈亚城等人的研究工作。20世纪70年代,沈亚城所进行的高速低功耗ECL电路设计,直到做成芯片,才可以算做完成。顶层则是硅编译等等软件工作,这部分工作过去是计算所使用小规模集成电路时把逻辑设计图变成为工程布线图的手工工作,加上半导体所制造小规模集成电路各种掩模版所需的手工工作。在超大规模集成电路的情况下,从复杂性、可靠性角度,手工是绝对不可能完成的,需要依靠硅编译来自动完成。
在允许部分进口的环境下,一个产业链如果要求全部国产化,会造成一环落后引发产业链后续部分全部落后的情况;使用进口元器件、进口部件,使得各种类型整机可以在国际先进基础上得到发展,进而软件和应用都能在国际先进基础上得到发展,从市场经济角度看,这无疑是正确的。
但是,当国内所研制的计算机全部转向使用进口元器件、进口部件时,一方面中国的高性能计算和PC机的发展依赖于进口元器件和进口部件的水平;另一方面中国的集成电路研制力量,由于缺少巨大的经济支持,都转向非计算机用的其他难度小的方向。
“元器件全部进口化”导致的结果是,不仅全部国产化的亿次高性能巨型机研制中止,而且真正完全自主的国产的计算机集成电路研制工作也中断,至今也没有恢复,甚至没有任何恢复的迹象,这两方面对国家安全都很不利。实际上,“集成电路生产线大三角形”依靠进口的集成电路生产线,就等于依赖外国集成电路生产线水平和外国政府批准向中国出口的集成电路生产线的水平。引进无法达到最先进,而且在特殊情况下,引进很可能中断,引进的生产线的备份件也不能得到更新。
“中国芯”何时真正崛起
进入21世纪以后,李德磊负责的“方舟”、胡伟武负责的“龙芯”、以及王沁参加负责的“多思”、方信我负责的“国安”等等“中国芯”项目不断涌现,计算机产业链国产化又前进了一大步。但当前或者未来将出现的众多的“中国芯”的共同点,都是“集成电路生产线大三角形”的一个应用。也就是说,其水平仍然是依赖于外国集成电路生产线水平和外国政府批准向中国出口的集成电路生产线的水平,仍然受制于人。
众多“中国芯”的主要的差别只是在系统结构设计上,或者在高速低功耗电路等设计上,有没有重大创新、重大突破。设计明显创新的,有国外学者称之为相当于“大学生课程设计”水平,虽然难听却也有几分道理。尽管能设计“中国芯”的人或公司越来越多,但是能设计“中国集成电路生产线大三角形”的人,如果不采取措施,不仅目前没有,恐怕不远的将来仍然是空白。如果中国不能制造中国的“集成电路生产线大三角形”,那么无论有多少种“中国芯”,中国的高性能计算机和中国PC机的发展水平就必然还是取决于美国“集成电路生产线大三角形”的发展水平及美国政府允许向中国出口的水平。
现实的道路是,我们可以通过引进、消化、吸收与独立研究相结合的方式发展芯片产业,而建立完全自主的“集成电路生产线大三角”,则应该是国家急需解决的重中之重。
早在1965年,中科院半导体所王守觉就开始研制从逻辑图到掩模版的自动形成系统“图形发生器”,这项研究比美国还早。由于文革破坏而中断了3年,1971年初研制成功时,反而比美国晚了一年多。以上历史说明,中国人的独立研究能力也不容忽视,研究环境也不容被忽视。
如何做到既能使产业链的各个环节的发展都能建立在国际最高水平之上,又能确保国家安全?这不仅仅是一个计算机产业链的问题,应该是许多产业链所存在的共同问题,更是决策者急需处理的政策问题。
中国半个世纪电子数字计算机事业的领路人,是在两位共和国功勋科学家华罗庚和钱三强关注下的一个群体,这个群体在50年前,是10多名从相邻领域转过来的30~40多岁的中青年带头人,和五、六十名受过专业教育的20多岁的青年骨干,还有数十名当时尚未出世的后起之秀,本文列举的,只是这个百人群体中的一小部分。
链接:文中部分科学家简历
华罗庚:江苏金坛人。中国解析数论、典型群、矩阵几何学、自守函数论与多复变函数论等很多方面研究的创始人与开拓者,国际知名数学家,先后当选美国科学院外籍院士,第三世界科学院院士,法国南锡大学、美国伊利诺大学、香港中文大学荣誉博士,联邦德国巴伐利亚科学院院士等。
钱三强:浙江湖州人,出生于浙江绍兴。核物理专家、中国核原子科学之父,曾师从居里的女儿、诺贝尔奖获得者伊莱娜?居里及其丈夫约里奥?居里。在中国研发原子弹期间,担任技术总负责人、总设计师,被追授“两弹一星功勋奖章”。
范新弼:电子计算机专家,湖南长沙人。1951年获美国斯坦福大学电子学博士学位,在电子器件研究与应用领域获8项美国专利。归国后,领导我国第一台大型计算机及其后多台大型计算机的磁芯存储器研制工作,领导中国半导体存储元件研究,建立了国内第一批测试设备。
张效祥:计算机专家、中国科学院院士(学部委员)、中国解放军总参谋部计算技术研究所研究员。领导中国第一台大型通用电子计算机的仿制并在此后的35年中主持中国自行设计的电子管、晶体管到大规模集成电路各代大型计算机的研制,为中国计算机事业的创建、开拓和发展,起了重要作用。1985年,领导完成中国第一台亿次巨型并行计算机系统。
钱学森:中国现代物理学家、世界着名火箭专家、全国政协副主席,浙江杭州市人,生于上海。钱学森曾在美国任讲师、副教授、教授以及超音速实验室主任和古根罕喷气推进研究中心主任。1950年开始,历经5年努力,于1955年才回到祖国,1958年起长期担任火箭导弹和航天器研制的技术领导职务。
董铁宝:力学家、计算数学家,江苏武进人,“中国第一个程序员”(王选),长期致力于结构力学、断裂力学、材料力学性能、计算数学的研究和教学,我国计算机研制和断裂力学研究的先驱者之一。1945年赴美学习,1956年归国教学,1968年在文革中因受迫害自杀。
金怡濂:中国工程院院士、着名高性能计算机专家、国家最高科学技术奖获得者,原籍江苏常州。中国第一台大型计算机研制者之一,先后提出多种类型、各个时期居国内领先或国际先进水平的大型、巨型计算机系统的设计思想和技术方案,为我国高性能计算机技术的跨越式发展和赶超世界计算机先进水平有着重要贡献。
王选:江苏无锡人。着名的计算机应用专家,主要致力于文字、图形、图象的计算机处理研究。中国科学院院士、中国工程院院士、第三世界科学院院士、国家最高科学技术奖获得者。曾任北大方正集团董事、方正控股有限公司首席科技顾问,九三学社副主席、中国科协副主席、九三学社副主席、中国科协副主席。2003年当选十届全国政协副主席。
周巢尘:计算机软件专家,原籍江苏南汇,中国科学院院士(学部委员)、第三世界科学院院士、中国科学院软件研究所研究员,曾任联合国大学国际软件技术研究所所长。
杨芙清:北京大学计算机学科第一位教授、博士生导师,中国科学院院士(学部委员)、计算机科学技术及软件专家,无锡人。历任软件工程国家工程研究中心主任、北京大学信息与工程科学学部主任、北京大学软件工程研究所所长、北京大学计算机科技系教授。
孙仲秀:计算机科学家、中国科学院院士,原籍浙江余杭,生于江苏省南京市,历任南京大学助教、讲师、副教授、教授、博士生导师、副校长等职。1974年后主持研制了中国国产系列计算机DJS200系列的DJS200/XT1和 DJS200/XT1P等操作系统。从1979年起开始对分布式计算机系统软件和应用进行了研究,1982年在国内首次研制成功ZCZ分布式微型计算机系统,研究和开发了多个实用的分布式计算机系统。
何积丰:中国科学院院士、计算机软件专家,生于上海,祖籍浙江宁波。现任华东师范大学终身教授、软件学院院长,上海嵌入式系统研究所所长、联合国大学国际软件技术研究所高级研究员。早年进行管理信息系统和办公自动化系统的研发。
吴几康:安徽歙县人。计算机专家、中国计算机事业的开拓者之一。曾于1951年至1953年在丹麦任无线电厂开发工程师,归国后调至中国科学院近代物理研究所,后参与筹建计算技术研究所。1965年负责研制成功两台大型通用计算机,后参与筹建771微电子学研究所,任副所长和研究员。
张梓昌:电子计算机专家。江苏崇明(今属上海市)人。历任航天工业部第二研究院所长、测控公司总工程师,中国计算机学会第一届副理事长,中国宇航学会第一、二届理事。长期从事电子设备和计算机的研制,曾负责我国第一台计算机的技术工作,是我国计算机技术的学科带头人之一。
张世龙:北京大学计算机科学与技术系主任、教授,曾参加我国第一台自行设计制造的大型计算机119机和北大红旗计算机的系统设计。
慈云桂:着名计算机科学家、教授,中国科学院技术科学部学部委员,安徽桐城人。历任国防科技大学副校长兼电子计算机系主任和计算机研究所所长等职,先后主持了我国多种型号计算机的研制,从领导研制我国第一台电子管数字计算专用机,到担任“银河”亿次计算机研制的技术总指挥和总设计师,为国家经济建设、国防建设及科学研究事业做出了突出贡献。
冯康:应用数学和计算数学家、中国科学院院士、世界数学史上具有重要地位的科学家。生于江苏南京,原籍浙江绍兴。其独立创造了有限元方法、自然归化和自然边界元方法,开辟了辛几何和辛格式研究新领域。中国现代计算数学研究的开拓者。1997年底国家自然科学一等奖授予冯康的另一项工作“哈密尔顿系统辛几何算法”。历任中国科学院计算技术研究所任副研究员、研究员,中国科学院计算中心主任、名誉主任。(排名不分先后)
(计算机世界报)
参考资料:http://www.cnii.com.cn/20060808/ca371826.htm