一个柔弱的女性,一块最硬的骨头

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划重点

01黄令仪,一位80岁的微电子专家,被誉为“中国龙芯之母”,曾参与研制用于“两弹一星”的第一台航天计算机。

02她一生致力于芯片研究,领导团队成功研发出我国第一款具有自主知识产权的CPU龙芯一号,结束中国计算机“无芯”的历史。

03除此之外,黄令仪还在龙芯研发团队中发挥关键作用,推动龙芯从1号到3A4000系列的处理器的研发。

042021年,龙芯推出了自主指令集系统LoongArch,实现了更为充分的自主可控,中国在CPU指令系统设计上具有了不再受制于人的能力。

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作者 | 南风窗记者 付思涵

编辑 | 朱秋雨

这并不是一个为大众所知晓的名字。直到2023年6月,黄令仪去世两个月后,中国科学院大学的毕业典礼上,校长周琪才在致辞中提到了她。

“不久前刚刚离开我们的微电子所研究员黄令仪老师,为了解决国家芯片‘卡脖子’问题,年近八十依然坚守在龙芯研发中心。她说,我这辈子最大的心愿——”周琪哽咽地停顿了,“就是匍匐在地,擦干祖国身上的耻辱。”

晚年的黄令仪,身形瘦削,穿着粗布衣,短发银白,走起路来行动有些迟缓。旁人很难将这位其貌不扬的老太太同高精尖的芯片联系起来。可是她的学生知道,黄老师到了实验室,坐在电脑前拖着鼠标查看版图时,目光犀利,一丝不苟。那是一名顶尖科技工作者的风范。

1936年,黄令仪出生在广西南宁。她来自一个知识分子家庭,父亲是广西博物馆创始人,母亲则是广西化学纤维所的元老。

4年后,在美国新泽西州的贝尔实验室,科学家发现了硅中的P-N结和光伏效应,为晶体管和集成电路的发明奠定了基础,掀开了半导体波澜壮阔的发展史。

与半导体技术近乎“同龄”,黄令仪的一生与这项事业紧密缠绕。

从1960年进入清华大学进修半导体算起,黄令仪在半导体和集成电路领域躬耕了60年。她的同事、学生中有很多院士,而她退休时的职位依然是中国科学院微电子研究所的一名研究员。她不爱做项目负责人,只钟情于一件事:俯下身子,踏踏实实做芯片。

翻开黄令仪的人生篇章,也就翻开了一本厚重的中国集成电路事业发展史。她属于我国第一批半导体专业人才,参与研制用于“两弹一星”的第一台航天计算机,研发我国第一台大型通用集成电路通用电子计算机、第一台大型向量计算机的核心器件,直到研制出我国第一款具有自主知识产权的CPU龙芯一号,结束中国计算机“无芯”的历史。她也由此被后人称为,“中国龙芯之母”。

跨越半世纪,在题为“自主”的曲折求索中,这颗赤忱的“中国芯(心)”经历呐喊与彷徨,始终澎湃有力地跳动着。

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1999年,黄令仪(前排正中间)和家人在一起/图源:中国科学院大学

01

“向科学进军”

1958年,黄令仪从华中工学院(现华中科技大学)电机及电器专业毕业,随即被派往清华大学新开设的半导体器件及材料专业进修。

老照片里,年轻的她扎着两条乌黑的麻花辫,黑白分明的大眼睛直视前方,眼神清澈、坚定。22岁的她和新中国刚刚起步的半导体事业,都一样风华正茂。

此次进修,可谓恰逢其会。

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黄令仪(前排左一)和兄弟姐妹合影/图源:中国科学院大学

1950年代,国外的半导体研究正飞速进展,西方国家对我国进行了严密的技术封锁。时不我待,黄昆、王守武、汤定元、洪朝生等最早一批回国的半导体专家,筹办了“全国半导体物理学讨论会”,希望引起国家层面的重视。

1956年,新中国吹响了“向科学进军”的号角。周恩来总理在《关于知识分子问题的报告》中疾呼:“要在第三个五年计划期末,使我国最急需的科学部门接近世界先进水平。”

半导体被列为国家发展新技术的“四大紧急措施”之一,一批专门的研究机构和高校专业很快建立起来,清华大学的半导体专业就在其中。

在清华时,黄令仪师从当时刚从苏联学成归来的李志坚教授,在晶体管组进行合金P-N结(半导体器件中的一种基本结构)的研究。理论与实践高度结合,李教授在课上讲完P-N结,学生马上就能在科研中实测观察。

1960年,黄令仪返回华中工学院,带领一批比她还年轻的学生,风风火火地创建了半导体实验室。“什么都自己干”,她(他)们用半年多时间研制出了二极管。但很快,三年困难时期来了,华工只得下马包括半导体在内的一批新建专业。1962年,黄令仪被分配到了中国科学院计算技术研究所二室101组(固体电路组)工作。

黄令仪回忆,进实验室的第一天,四壁空空,只见一个穿白大褂的年轻人蹲在电炉边,炉上有一个玻璃烧杯,里面有几块指甲盖大小的紫蓝色硅片。年轻人告诉她:“这是要做二极管的。”

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黄敞

这名年轻人就是1959年从美国归来的青年科学家黄敞。他曾在美国电化学与半导体会议上发表外延模型,预言其可以改变晶体管特性,其研究成果至今仍是世界半导体开发研制的重要基础。

在黄敞的带领下,101组正在研究厚膜电阻译码器二极管矩阵(混合集成电路)及外延技术,这不仅在国内领先,也与世界相同步。黄令仪被分配研制平面二极管、外延小功率开关三极管,“一切都很吸引人,开始埋头苦干”。

02

灯火辉煌156

1965年8月,中国科学院党组书记、副院长张劲夫在台上来回走动,激动地挥着双手说:“我提着脑袋把任务给你们要来了,你们要好好干!”

这个任务,指的是研发适用于航天领域的箭载微(小)型计算机。20世纪60年代,“两弹一星”战略武器的研发迫在眉睫。火箭是远程导弹的载体,制导计算机则是火箭导航和控制系统中的核心部件,用于控制火箭的飞行路径和姿态,调整发动机推力等。“两弹一星”要保证射程,就必须让箭载微型计算机作为“大脑”有效指挥。

为集中攻关,中国科学院抽调技术人员,组建“156工程处”,专攻集成电路和微型计算机。张劲夫立下了军令状,要用一年时间,研制出航天计算机。黄令仪负责研制半导体器件——外延中功率开关三极管,它是实现电路通断、构建计算机集成电路的基础之一。

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灯火辉煌的一五六

当时,我国的计算机还处在电子管时代,体型庞大。箭载嵌入式计算机,必须体积小、重量轻,性能高,可靠性强,能够抗击恶劣的空间环境。微型计算机要用集成电路组建,但国内在此领域几乎空白,面临技术封锁,唯有自力更生。

黄敞的学生、展讯通信创始人武平听那一代科学家提起,在没有高精密器件的情况下,当时只能拿着锯子从硅晶上切下硅片,手工打磨,磨平后再在上面做精密的半导体元件。

中国科学院院士吴德馨跟随导师王守觉从事高速开关晶体管研制,“一无资料,二无图纸,实验设备一穷二白”。国内没有光刻机设备,王守觉就巧妙地用两台显微镜、一个紫外曝光灯,搭建了一台“土光刻机”。

黄令仪的科研任务难度也很大,和小功率三极管相比,中功率三极管用于承担更高的电流及功率输出,在制造工艺上需要考虑更大的散热结构和相应的热管理措施。

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年轻时的黄令仪与同事们

那时,全组排成三班倒,常常一天干13~14个小时,不断更换参数和版图设计试错。同室的韩景春负责集成电路封装,没资料、没经验,试验要用到的化学药品,只能靠舌头去尝,感到不对劲,就跑到水龙头马上用水冲。就这样,“硬”把研制出的组件给封好了。

在中关村计算所南楼,156项目组所在的楼层夜间经常灯火通明,“灯火辉煌156”,成为156参与者难忘的记忆。1966年7月底,整机调试完成,计算机中传来《东方红》的曲调——研制成功了。

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我国第一台自行研制的空间计算机156计算机/图源:中国计算机协会

156计算机,自此跟随“东方红一号”人造地球卫星遨游太空。这也是中国集成电路与计算机史上浓墨重彩的一笔,揭开了我国航天微电子的新纪元。不止“两弹一星”,航天计算机也是一个民族航天事业的战略基础。

2007年的一天,黄令仪偶然从研究所的长廊画卷上,看到了自己和同仁们用青春和热血浇灌过的156计算机。旁边的注释写着:156组件(集成电路)计算机是1966年8月研制出的我国第一台自行研制的空间计算机,1966年国庆,向国家报喜,得到周总理的表扬。读罢,她不禁热泪盈眶。

03

“琳琅满目非国货”

时间来到1970年代,半导体编年史步入大规模集成电路(LSI)阶段。1971年,美国公司英特尔推出了世界上第一个商用微处理器4004,上千个晶体管集成在一枚小芯片上,接近大众认知的轻便的现代计算机有了雏形。芯片产业的国家竞争,来到了加速期。

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1971年,美国Intel公司推出全球第一个微处理器4004芯片,图中人物为第一颗微处理器的发明者——特德·霍夫

1973年以来,黄令仪和团队接到为013机、757机等重大计算机项目研制“咽喉”核心器件的任务。她(他)们成功研发出性能稳定的半导体通导存储器,改造出高速的I2L新结构电路等,后者还获得了1980年中国科学院科技成果二等奖。

集成电路的研制在一次次摸索中稳步推进。1983年,计算所成立大规模集成电路研究室,黄令仪团队与北京师范大学正合作一个高性能晶体管研发项目,准备甩开手“大干一番”。但是,坏消息传来了。

黄令仪记得,那是1984年末,领导来问她,计算所要不要研究大规模集成电路。她没想到这会成为一个有余地的问题,斩钉截铁地回答:“计算所若不进行芯片研究,今后只知道用芯片,不知道造芯片,怎么能设计一台好的计算机呢?”

然而不久,上级下达了裁撤大规模集成电路研究室的通知。黄令仪走出办公楼,忍不住失声痛哭。她只有一个想法:“难道计算所今后真的走向了‘无芯’的未来?”

那是一段众多芯片工作者难挨的日子。“七五”到“九五”期间,限于国内经济条件和国际技术封锁,再加上国外芯片产品的涌进,国家对自主研发CPU(通用处理器)的支持力度有所下降,很多技术人员选择了转行。

但黄令仪不甘心。1986年底,她进入新成立的中国科学院微电子研究中心,转身开始研究用CAD(计算机辅助设计)研制芯片。集成电路技术一日千里,人工绘制版图难以适用日渐复杂的电路形态,使用工具软件综合布线成为主流。50岁的黄令仪从头开始学习如何使用硬件描述语言来呈现数字电路,“像读天书”,然而终究一句一句地啃下来了。

1989年11月,黄令仪在美国拉斯维加斯的一场国际芯片展览会上,迎来“一生中最大的刺激”。她待了一周,几乎跑遍展会成千上万个摊位,但找不到一颗来自中国的芯片。好不容易在人群中看到几个中国人,手里拿着长城公司的塑料袋,她怀着希望上前询问,才知道对方也是来参观的。

“只有我最明白,1963年我国集成电路的研究水平与国外是同步的啊!琳琅满目非国货,泪眼涟涟。”黄令仪下决心,一定要设计一块高水平的芯片参展,洗刷耻辱。

回到国内,她愈加潜心地学习各种集成电路的设计知识:建立版图库、时序库,时钟树的生成、时序驱动布线、寄生参数对性能的影响等等。2000年,黄令仪设计的芯片在德国纽伦堡国际发明专利博览会上获评银奖。

可是高兴过了,她回头一想,芯片做出来了,但“没有用”——停留在实验室样品阶段的设计成果,根本无法同已经统治了全球市场的国外芯片相提并论。耿直的黄令仪对前来视察的领导说:“一个科技工作者最大的痛苦,就是她用心血灌溉的珍贵芯片做出来了,没有用!”

这份遗憾持续到了黄令仪从科研岗位上退休。

但不久,机会来了。

04

啃最硬的“骨头”

到“九五”期末,我国已连续10年没有部署CPU研制项目。信息革命的步伐在加速,自主可控的CPU是信息时代保证国家生命线的“两弹一星”,中国科学院计算所所长李国杰心急如焚。

李国杰认为,芯片产业不能再走像个人电脑产业一样以组装为主的老路。在分析了技术储备和优势后,中国科学院计算所决定,就从CPU设计这块最硬的“骨头”啃起。龙芯的研发,就此拉开帷幕。

2000年11月,龙芯课题组建立。起初规模很小,只有十来个人、100万元经费、一间50平方米大小的实验室。33岁的中国科学院计算所博士胡伟武是项目负责人。

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2004年,黄令仪(右一)与胡伟武(右三)及龙芯课题组成员,在龙芯2C芯片设计运行成功后到天安门看升旗

CPU设计首先要选定一种技术“基座”,即指令系统,后者定义了处理器能够理解和执行指令的方式,进而实现芯片的微架构。如最为人熟知的英特尔系列芯片,就是基于x86指令系统。

龙芯则选择采用MIPS指令系统。与x86代表的复杂指令集相比,MIPS作为一种精简指令集,指令数量更少,指令的解码和执行更快,在硬件设计的成本和开放性上具有优势。在此基础上进行芯片的自主研发,一方面绕过了x86的专利高墙,另一方面能够与MIPS有所应用的操作系统和软件相兼容,不至于单兵无援。

真正意义上自主研发CPU核,而非在国外CPU核的基础上做系统级芯片(SoC),是龙芯被作为我国首枚拥有自主知识产权之CPU的原因。

最开始,龙芯团队和他们的前辈一样,面临着一条没有走过的路。经过大半年的努力,龙芯处理器的前端系统设计完成了,能够在计算机上实现操作。但更难的在于后端物理设计——怎样将电路的逻辑设计转换为可以在硅片上制造的物理版图。

芯片物理设计工艺要求高、人才极稀缺,龙芯找来的救兵,就是有着丰富经验的黄令仪。

2002年春节前夕,66岁的黄令仪带着4名研究生,重新回到她奋斗的战场。龙芯定位的规格是当时主流的0.18微米工艺,这是黄令仪未曾接触过的,又是一场新的硬仗。学生杨献回忆,龙芯研发期间,黄老师丝毫不顾及自己的年龄,每天都坚持到晚上10点半才下班,遇到紧急情况还会通宵排查。

到了龙芯1号交付流片(芯片试生产)前夕,这项复杂的系统工程,每出一个微小问题,都要投入千百倍的精力解决,“一天一个冲击波”。课题组成员一个个疲劳得面色苍白,嘴唇没了血色,眼睛充满血丝。这样没有硝烟的战斗,黄令仪尽收眼底。

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龙芯中科芯片

流片的一个多月里,黄令仪心惊肉跳地度日,生怕收到失败的消息。她建议龙芯1号设计1B、1C两个版本以备意外,但成本飙升,“10万美元啊!如何向计算所交代?”心理压力下,脖子不能动了,医生告诉她,不能再用电脑了。

2002年8月9日,胡伟武在传达室看到了龙芯的信件——是日思夜想的芯片样品。10日凌晨,经过一晚的调试后,“Login”的字样终于出现在显示屏上,龙芯1号,研制成功了。西方国家垄断、国产计算机无“芯”可用的历史,从此被打破。

得知1B、1C成功流片,黄令仪在自传中回忆道:“不知怎的,脖子也不疼了。我完全沉浸在幸福之中。”

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黄令仪加入龙芯团队后

05

“匍匐在地,擦干耻辱”

龙芯1号研制成功了,但性能和国际先进水平仍有很大差距。生态应用也是一道难关。

在个人电脑市场,“Wintel”体系几乎牢不可破,英特尔引领着CPU的发展,微软则在操作系统和应用软件方面同x86芯片进行紧密协作,形成垄断。移动市场上,ARM-Android构成的“AA”体系同理。后发者如果走不同的技术路线,则需要面临与市场主流不具兼容性的挑战,更遑论量产。

胡伟武也感到,判断龙芯成败的标准不在科研体制内的鉴定会上,而在市场和产业化上。“中国不缺院士,缺像英特尔这样的企业。”

2010年,龙芯课题组集体脱离计算所编制,下海成立企业。当时,国产CPU历经10年发展,整体成果并不显著,质疑声四起,龙芯遭遇了资金难题。一些国外芯片企业找上门希望“合作”,胡伟武拒绝了这条看似快捷的路径。“其实就是四个字:缴枪不杀。”他不愿放弃来之不易的自主性。

在最艰难的时刻,黄令仪找到胡伟武,掏出了11万积蓄,无偿支持龙芯。而生活俭朴的她,30多年来,始终住在上世纪90年代分到的一套中关村小房子里。

直到生命的最后几年,黄令仪仍坚持在龙芯的研发一线,拖着鼠标、盯着屏幕,仔细查看电路和版图。胡伟武回忆,自己曾经劝她把工作交给年轻人做,把把关就好,但黄令仪很认真地对他说:“胡老师,我这辈子最大的心愿就是匍匐在地,擦干祖国身上的耻辱。”

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2016年,80岁的黄令仪在工作

龙芯没有辜负黄令仪的期待。

2015年,第17颗北斗卫星装载上了龙芯1E和龙芯1F抗辐照处理器。龙芯上天,意味着我国卫星导航系统在自主可控上迈出关键一步。能源、交通、金融、电信等关键领域,也陆续装上国产心脏。

2019年,新发布的龙芯3A4000通用处理器,性能已经追平AMD公司28nm工艺最后一款CPU“挖掘机(Excavator)”。

2021年,龙芯推出了自主指令集系统LoongArch,放弃了以往的MIPS授权。这意味着龙芯实现了更为充分的自主可控,中国在CPU指令系统设计上具有了不再受制于人的能力。

胡伟武希望,终有一天,中国能够建立起一套自主可控的信息技术与产业生态体系,与“Wintel”“AA”三足鼎立。他还记得,2016年时,80岁的黄令仪在一封写给他的信里说道:

“得知国家要在重要领域使用自主研发的CPU,我非常兴奋。我那青少年之梦有望实现了。我清楚与龙芯人共同奋斗的岁月不长了,格外珍惜。”

文中配图部分来源于视觉中国,部分来源于网络

本文首发于《南风窗》杂志第20期

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值班主编 | 黄茗婷

排版 | 风间澈

值班主编 | 黄茗婷

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