我国电子技术应用 光电子技术的“破茧”之路

光电子技术的“破茧”之路

近日，中国科学院半导体研究所（以下简称半导体所）“半导体光电子器件及集成技术”入选了中科院“率先行动”计划第一阶段重大成果及标志性进展。

作为国家信息产业的基础技术之一，光电子技术在宽带互联网、高性能计算、智能机器人、先进制造和智慧城市等多个领域起到关键性支撑作用。它也因此成为了衡量一个国家综合实力和国际竞争力的重要标志。

认准了半导体光电子器件及集成技术是构建未来信息社会的核心和基础，半导体所在“十二五”和“十三五”期间，分别将其作为重点培育方向和重大突破方向，坚持面向国家重大需求，突破半导体光电子器件及集成技术的瓶颈，研制出自主可控核心光电子器件，以实现其在光通信、光互连、光传感等领域的典型应用。

新一代信息技术、机器人、航空航天装备、新能源汽车、新材料、生物医药及高性能医疗器械等，这些中国制造重点领域都离不开一项支撑技术——激光技术。

而半导体激光器是全固态激光、光纤激光、气体激光等的泵浦源，是核心器件，不可或缺、不可替代。但我国在激光芯片方面的发展现状却是低端芯片依赖进口，高端芯片受制于人。

1996年11月开始实施的《瓦森纳协定》明确了对中国禁运的半导体激光芯片的清单，且随着技术的演进，每年清单中的器件类型、器件指标都在不停更新，旨在将中国的半导体激光器应用技术限制在低端水平。

2003年博士后研究工作结束后返回半导体所的郑婉华，只想到了一条出路——突破高性能激光芯片技术，而且必须探索一条自主发展的道路，实现换道超车。

当年她向科技部提出建议，中国应该创新发展光子晶体半导体激光器新原理与新技术，解决半导体激光面临的功率密度低、光束质量差的世界性难题。这一提议不仅获得了“863”项目的支持，后期也得到了国家自然科学基金等新项目的帮助。郑婉华团队在2006年率先在中国实现光子晶体激光的突破，中国也成为了当时实现光子晶体激光激射的少数几个国家之一。

许多半导体人都有着和郑婉华一样的境遇和经历。“限制”反而成了光电子技术突破的磨刀石。

同样艰难迎战的还有光通信芯片团队。国家宽带网络建设的核心芯片，以前主要掌握在美国、日本、韩国、丹麦及英国等国的几家企业手中，中国以进口芯片封装为主。面对国家光网络建设需求，半导体所经过10多年的技术攻关，不仅解决了光分路器及AWG芯片设计及关键工艺问题，还实现了光分路器及AWG的成果转化。如今，光分路器芯片全球市场占有率达50%以上，AWG芯片实现海外市场突破，有力保障了我国宽带网络建设芯片的自主可控，促进了我国硅基光子学器件的产业链完整性建设。

度过漫长的沉默期

光电子技术，特别是芯片技术，一头是研发，一头是制造。要从这一头走到那一头，并且稳稳地落地，常常是孤独又漫长的。

2010年，半导体所光通信芯片团队开启了成果转化之路。10年中，他们需要解决损耗均匀性、芯片良率、工艺稳定性、一致性及可靠性等一系列问题。“这些问题在半导体所基础研究中并非重点关注的问题，而在产业化中却是必须解决的。”半导体所研究员安俊明告诉《中国科学报》，为此，一款芯片需要30多次的设计优化制版、上百次的实验流片验证，才能使芯片性能达到国际同类芯片水平，与国外芯片同台竞争。

他说，团队还非常注重每个细节的芯片开发方式。“比如AWG芯片，结构中分五大部分，还有上千条波导的结合，而涉及的性能参数，每个通道就有十多个，看似千头万绪。一个参数的好坏受多方面的影响，如何准确判断问题所在？团队人员会把芯片的每一部分分别进行研究，不放过任何可能的影响因素，才使问题一步步得到解决。”

为了加快研究进度，团队想尽了各种办法。安俊明说：“我们经常会有一些方案，大家会预测结果，比如我们曾经预测第一次流片的光分路器损耗，有的说会达到10dB以下，有的说刚流片，不会那么乐观，这种打赌的方式也提升了转化速度。”

郑婉华也坦言，实验室的技术成果向市场转化的过程困难重重。

在她看来，半导体激光芯片是一个高资金投入、高密集人才、高度设备依赖的技术，如果上述问题得以克服，仍然面临实验室样品向批量化转移中的诸多工程技术难题。“因为我们先于国外开展这种高端激光芯片的批量制造，因此解决这些难题没有捷径可走，必须投入时间、人力、物力，且需要全体人员不浮躁、沉下心，一个难题一个难题攻克。”

“半导体光电子技术领域的研究工作，目前都是硬骨头工作，存在发表文章难、出成果难的问题。在人才培养方面，由于很难获得各种人才称号，我们只能以身作则，以国家需求为己任，留住人才。”郑婉华说。

壮大转化队伍

半导体所除了以基础前沿为引领来立身，同样重要的是在全面服务国家重大需求和国民经济发展中发挥不可替代的基础支撑作用。急国家和市场之所需一直是该研究所坚持的科研文化。

郑婉华表示，得益于国家、中科院“率先行动”计划和研究所在技术转移方面的优厚政策，最大化地提升了年轻人的收入水平，从而逐渐吸引了一些有理想、有抱负的博士生留下来，投入到这项事业中。

对科研人员而言，要投身转移转化，最难转变的是思维。如果思维转变不过来，再好的政策也无法推动。这就要求部分研究人员带头去从事成果转化工作，从而形成示范效应，让更多人加入这一行列。

目前，以半导体所为技术方的河南仕佳已成为国际上规模最大的光无源芯片生产企业。今年8月，河南仕佳正式在科创板上市，这也为半导体所人走在成果转化的道路上加足了信心。

值得一提的是，在这一过程中，半导体所已经形成了一支从理论分析、设计优化、工艺开发到产业化应用，完整的、训练有素的、敢于啃硬骨头的团队。也因此，半导体所承担了中科院科技成果转移转化重点专项（弘光专项）“硅基二氧化硅阵列波导光栅芯片产业化”，实现了我国数据中心及骨干网核心波分复用芯片的国产化，更加提升了科技成果转化能力。

提到团队培养的经验，安俊明表示，“我们的特色是把研究生的培养放在产业转化一线，使他们掌握的知识更接地气，他们的许多经验、教训来源于生产实践，这在研究所是无法得到的。”如此培养的年轻人，在今后从事科研的过程中，也会更注重我国光电子产业链中的难点问题、设计及开发的实用性和产业转化的可行性，更注重解决国家急需的产业化难题。

来源： 《中国科学报》

变道超车 中国电子突破自主可控核心技术

编者按

近日，由中宣部发起、国务院国资委组织的“走进央企·创新组歌——关注网络信息安全”在中国电子奏响，《电子技术应用》作为专业媒体的代表，受邀与来自人民日报、新华社、求是杂志、经济日报、中央人民广播电台、中国日报、科技日报、中新社、第一财经、中国电子报等十多家媒体的记者、专家学者走进中国电子网络安全和信息化产业基地，近距离了解中国电子在安全芯片、操作系统、数据库、整机、网络设备、存储等自主可控核心技术产品，以及安全咨询、系统集成、安全运维等聚合式全生命周期的信息安全服务体系，中国电子的掌门人芮晓武董事长介绍了中国电子作为网络信息安全的国家队，在服务国家网络安全和信息化产业发展、构筑网络安全健康生态建设方面的谋划、思考与实践。

2016年3月7日，美国商务部宣布，将中兴及其附属的三家公司列入“实体清单”，禁止美国企业及代理美国产品、技术的厂商向中兴出口相关的技术和产品。

2015年4月，美国商务部发布公告，决定限制英特尔公司（Intel）向国家超级计算广州中心、长沙中心、天津中心和国防科技大学出售“至强”处理器芯片（Xeon和Xeon Phi）。

虽然3月24日美国商务部宣布给予中兴出口临时许可证，临时许可证6月30日到期，之后中兴需要再申请。时不时来的禁运条令，如同悬在我国电子信息产业的达摩克利斯之剑！缺芯，一切信息化设备都是无本之末，永远受制于人。

习近平总书记在4月19日的网络安全和信息化工作座谈会上深刻指出，核心技术是我们最大的“命门”，核心技术受制于人是我们最大的隐患。总书记特别强调一个互联网企业即便规模再大、技术再高，如果核心元器件严重依赖外国，供应链的命门掌握在别人手里，就好比在别人的墙基上建房子，再大再漂亮也可能经不起风雨，甚至不堪一击。

如何突破核心技术？

中国电子董事长 芮晓武

“作为中国电子信息产业的排头兵，中国电子信息产业集团有限公司（以下称“中国电子”）从国家战略需求出发，着眼未来、积极布局，主营业务分布于新型显示、网络安全和信息化、集成电路、信息服务等国家战略性、基础性电子信息产业领域，核心业务关系国家信息安全和国民经济发展命脉。早在2011年7月就启动实施“网络安全系统工程”，采用“超前布局、联合创新、军民融合、系统推进”的推进策略，全面开展“本质安全”、“过程安全”、“工控安全”建设，服务于重要行业、重点部门领域，保障国家重要信息系统和关键基础网络的信息安全。经过近五年的精心打造，初步构建了“可发现、可防范、可替代”的自主可控信息安全防护体系，核心技术取得突破，达到国际领先水平，已成为我国网络安全和信息化领域的重要支撑力量。”中国电子董事长芮晓武说到。

近距离了解中国电子的创新成果

基于ARM架构的CPU安全可控

长期以来，国内近八成的芯片依赖于进口，其中高端芯片进口率超过九成，芯片也超过石油成为国内排名第一的进口大户。

虽然这两年，大手笔并购和投资合作为中国芯片产业带来了极大的关注度，这能在多大程度上解决中国缺芯之痛？

面对越来越严峻的网络信息安全局势，以及自主架构芯片在产业化实践的严重滞后，中国电子经过多方调研，最终选择国际主流ARM架构的技术路线，目前已研制成功世界首款兼容ARM 64位指令集的16核和 4核 飞腾FT1500A系列高性能通用微处理器，以及64核和双核的飞腾 FT2000系列高性能通用处理器。在2015年9月召开的“FT-1500A高性能通用64位微处理器”科技成果鉴定会上，鉴定委员会认为：“FT-1500A总体技术水平国内领先 ,在高效能超标量单核微体系结构设计及平衡高效能片上多核并行体系结构设计上取得重大创新，是世界上首款兼容 ARM 64位指令集的16核高性能通用微处理器产品，处于国际先进水平。”

“习总书记将核心技术分为三类，一是基础技术、通用技术；二是非对称技术、“杀手锏”技术；三是前沿技术、颠覆性技术。三类技术的内容不一样，现有基础不一样，目的作用不一样，突破路径也不一样。我们正在从事的CPU、操作系统是第一类技术，难度大，需要长期投入，刻苦攻关，对产业发展至关重要。中国电子作为共和国的长子，多干难活苦活，举联合发展大旗，敢啃硬骨头勇挑重担，做好这些责无旁贷，已经取得的重大成果也让我们信心百倍，今后更加一往无前。“芮董事长自豪地说道。

笔者通过中国电子所属天津飞腾信息技术有限公司总经理谷虹女士了解到：“飞腾FT1500A没有采用ARM公版内核，而是飞腾自己设计的“Xiaomi”内核。这个内核融入了飞腾团队多年的技术积累，在上一版内核的基础上进行技术提升，并兼容ARM V8技术标准，因此在ARM生态体系的支持下，基于飞腾CPU的整机和系统用户体验良好。”

FT1500A芯片

中国信息安全研究院副院长左晓栋博士认为“核心技术买不来，闭门造车难如登天，在受制于人的局面没有发生根本改变的情况下，不能简单地排斥国外的技术与产品，但必须确保其可控。国外产品不是不能用，而是不可控不能用。即使将来我们突破了核心技术，也不可能拒绝国外先进的技术产品，安全可控才是我们要牢牢把握的关键和要害。”

核高基重大专项总师、清华大学微电子所所长、教授魏少军高度赞扬了中国电子选择ARM架构的技术路线，他指出：“信息安全更需要创新，但是创新需要勇气，要敢于走前人没走过的道路，中国电子基于ARM架构芯片的成功研发，有望让我国实现变道超车。”

不仅CPU，中国电子在高端网络交换芯片和内存缓冲控制器芯片方面都取得了很大的突破。

中国电子旗下的苏州盛科成功自主研发出第四代SDN智能高密度万兆以太网交换芯片CTC8096，填补了国内空白，达到甚至领先国外同类芯片水平。

基于CTC8096交换芯片的SDN交换机在2013年全球开放网络（ONS）峰会获得冠军大奖

另一家企业澜起科技自主研发的DDR4内存缓冲控制器芯片，成功通过英特尔测试认证并在全球首先实现量产，全球市场占有率超过50%。在2016年6月3日中国电子学会组织的最新科技成果鉴定会中，鉴定委员会专家一致认为：该技术成果突破了动态电源管理与动态时钟分配管理、低功耗高速收发器、低延迟输出驱动器与高灵敏度输入接收器等一系列关键技术，整体技术达到国际领先，极大地提升了我国在DDR内存缓冲控制器领域的芯片设计和产业化水平。

低功耗DDR系列内存缓冲控制器芯片对全生态系统的支持

联合创新 打造完整产业链

大家都知道，国产自主芯片厂商要取得产业突破，必须加快对软硬件生态系统的培养，而这些不是靠芯片自身的技术实力所能简单实现的，需要广泛的产业技术协同。中国电子五年来已经建立起一个开放的紧密协作的技术产业联盟，以及聚合式的保障服务平台，几十家企业一起在联合攻关、适配协同，见证了国产基础软硬件从“基本不可用”到“越来越好用”的全部过程。

围绕联合创新战略，中国电子与高等院校、科研院所、国内外企业开展广泛深入的合作，构建产业共赢生态圈。一是与清华大学、北京理工大学等开展产学研合作，吸纳外部创新力量和资源，实现优势互补。二是广泛开展同IBM、Intel、DELL、西门子、联想等国内外优秀厂商的合作，联合进行产品开发与技术攻关。三是与湖南、贵州、辽宁、四川、陕西等近30个省、市地方政府签订战略合作及项目投资协议，在信息安全、轨道交通、三网融合等领域开展深入合作与联合创新。

中国电子面向FT1500A自主研制了中标麒麟操作系统，成功推出桌面版、服务器版、定制版三种版本。

以此为基础，中国电子推出了基于飞腾FT1500A CPU芯片和麒麟操作系统的自主可控安全整机。目前已进行了四型十款整机的研发，其中PC机、一体机和服务器已定型，6款机型实现了量产和市场销售，已广泛应用于国家重点行业部门领域。

中国电子的自主可控安全整机产品还得到了国内外主流厂商的认同，中国电子已与联想、DELL签订战略合作协议，越来越多的主流厂商逐步加入到基于飞腾CPU和麒麟操作系统的产业生态圈。

据报道，麒麟操作系统已经成功应用在我国最新研制并发射升空的长征七号运载火箭。

在网络交换芯片方面，中国电子通过芯片与设备的有效整合，打通产业链上下游，打造网络系统解决方案，获得了中国第一张自主可控路由器入网证，自主可控安全路由器NSR2900在2015年的科技成果鉴定中，被鉴定为“整体技术居国内领先水平，可替代国外同类产品”。目前中国电子已拥有覆盖高中低端的全系列网络产品，形成了自主可控整网解决方案，广泛应用于政府、交通、电力、金融、电信等重点行业。

目前，澜起科技正与清华大学、Intel合作开发RCP+X86+内存控制器的多核异构芯片。该可重构CPU将开启CPU发展史上新的里程碑。

经过五年艰苦的工作，中国电子目前已经初步建立了较为全面的网络安全产业体系,涵盖了自主可控计算机、网络、工业控制、安全服务等多个领域的多个环节，自主研发的技术和产品得到了较为广泛的应用。

针对网络信息安全领域面临的创新难题，中国电子董事长芮晓武认为：发展网络安全与信息化事业，要正确处理好自主与开放的关系，联合不能没底线，开放不能没底线，要选对肩膀，在巨人的肩膀上更高层次地创新，打造自主先进的产业发展生态环境。

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