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沈绪榜院士为南京2007嵌入式计算平台论坛撰写论文

ECP论坛首席科学家

沈绪榜 中国科学院 院士、嵌入式计算机设计专家

Shen XuBang Professor

沈绪榜,湖南省临澧县人，1957年毕业于北京大学数学力学系。长期从事计算机体系结构研究，VLSI与嵌入式计算机设计，教授，中国科学院院士。获国家级科技进步特等奖一次(1985年)，国家级科技进步三等奖三次(1985年，1988年，1997年)。

沈绪榜先生为我国自主创新开发嵌入式计算机作出了重要贡献。是我国嵌入式系统学科的奠基人和功勋科学家。早在1977年在没有国外技术资源的情况下，沈绪榜先生主持研制出我国第一台双极小规模集成电路嵌入式计算机，PMOS中规模嵌入式计算机和NOMS超大规模集成电路16位嵌入式计算机，并成功地应用于我国战略性重大技术装备领域，使我国的航天技术进入国际前茅，1985年因此获国家科技进步特等奖。1992年以后沈先生又开始设计MPP高性能嵌入式处理器，并完成了64*64个16位定点处理元的嵌入式计算系统。

沈先生既是脚踏实地的科学家，充满了自信和自主创新的精神。又有丰富的想象力和科学浪漫主义人文观。他特为2007嵌入式计算平台论坛撰写了文章。希望各位会前在网上提出问题，我们汇总后会反映给沈先生。在3月12日到14日的南京会议上您也可以与沈先生面对面的讨论。

嵌入式系统与芯片技术

沈绪榜 吕京建

2007-3-12

嵌入式系统的发展主要体现在芯片技术的进步上，以及在芯片技术限制下的算法与软件的进步上。或者反过来说，芯片技术决定了嵌入式系统升级换代的发展速度，决定了嵌入式系统小型化的实现程度，决定了嵌入式普及化的应用深度以及嵌入式系统智能化的水平高度。

我国嵌入式（专用）计算机的发展就是一个典型的例子，1969年中国科学院计算所研制出了我国最早两种中规模PMOS集成电路，并用该集成电路自行设计研制成功了嵌入式计算机，使我国嵌入式计算机的小型化迈上了一个新台阶。由于不断小型化的迫切需要，1977年西安微电子技术研究所研制出了NMOS与I²L两类大规模集成电路和16位嵌入式专用微计算机，有力地推动了我国重大系统工程集成创新的需求和发展。1992年西安微电子技术研究所接受了国产芯片嵌入式高性能计算机的研制任务。1995年完成了定点32位RISC微处理器芯片及其计算机的研制，并于1997年完成了MPP处理元芯片的研制，且含有32*32个以及64*64个16位定点处理元的嵌入式计算机。总之，我国嵌入式高性能计算机的发展是与国产芯片技术的进步密不可分的。

芯片技术的进步最突出地表现在芯片制造技术的进步上。它是按摩尔预言的速度发展的，是以不断提高功能密度为导向的。尽管芯片上的最小线条宽度很可能将在2014年左右达到它的物理极限，但芯片的功能密度还会以其它的方式不断提高。因为只有这样才能解决嵌入式系统进一步发展的经济性、微型化与智能化等关键问题。

嵌入式系统能否得到可能的应用，芯片的微型化则是一个决定性因素。进入或植入人体的系统就是很典型的例子。谁都会希望进入人体的小切口外科手术（锁眼手术）用的腹腔镜检查工具又微小又先进最好。植入人体的心脏起搏器当然也是越微型化越好。古往今来，健康一直是人们探索的永恒主题。科学家们预言，有机生物传感器可以融入电子系统；不久的将来，可能创造出更为复杂的仿生芯片。在听觉方面，传统的方法是把助听器塞在耳朵眼里，后者借助数字技术的力量，可以把“人话”和“噪音”很好的区分开。但助听器对彻底失聪或深度失聪的病人来说是毫无用处的。最有代表性的芯片移植就是耳蜗移植，它可以使深度耳聋的病人恢复听觉。德国医用电脑公司制成了一种特殊的“电脑传感移植芯片”，放在聋哑人的耳边，就可以使聋哑人听到声音，继而学会说话。在美国实行耳蜗移植而恢复听力的人已经有1万2千余人。在视觉方面，对盲人来说最重要还是告别黑暗，重见七彩世界。因此“人工眼”的研究一直是美国纽约都伯里研究所的奋斗目标。造成失明的多种原因中的重要原因之一就是视网膜上的成像功能和传递信息的神经组织遭到破坏。当大脑不能在从视网膜接受足够的信息以形成影像时就要导致失明。根据这个道理，科学家们开展了基于芯片技术的人工视网膜的研究工作。新千年到来之际，世界上的第一只“人工眼”终于问世了。它又叫做“人工视觉系统”，实际上是一台与人脑直接相连接的微型摄像机，使患者的视力恢复到“重度近视眼的水平”。有许多科学家还在研究一种对付失明的更好方法；向盲人的视网膜内植入成像芯片。这种电子视网膜芯片将图像转化为可以通过视神经传递给大脑的电脑脉冲信息。使视网膜而不是视神经受损的盲症患者有限度的恢复视力，能在室内独立走动。日本人估计人工视网膜将在2019年到达实用化。

在芯片智能性方面，高性能硅芯片与人脑直接联系是科学家们正在从事的开发工作，其途径可能是在芯片上培养神经细胞。专家们估计到2015年这种联系将成为可能。如果这种联系取得成功，将会大大增加人们的大脑功能，因为到2015年这种硅芯片存储信息方面的能力将可以与人脑相媲美。人造脑不是依靠软件模拟，而是一种互连结构可作芯片制造的“神经元”来构成。用一组晶体管组成所谓的“细胞”，以模拟神经元及其连接组织。为了做到这点，需要取得两方面的技术突破。一是芯片的进一步微型化；二是将电子信息转换成神经化学信息的“翻译技术”。如果将电子信息转换成神经化学信息以及相反的转换能取得成功，则芯片的这种智能性将会使许多事情发生根本变化。因为这样一来，人脑与电脑，进而与计算机网就能直接沟通了。那时，芯片技术的应用限制恐怕就看人们的应用想象力了。

芯片技术的进步最明显地表现在芯片的设计技术的进步上。它是以不断提高设计自动化程度为导向的。存储器芯片，微处理器芯片，接口芯片以及转换器芯片等都已发展成为快速先进的积木块，可以作为核心单元，以人们想象的某种方式放在一起而形成未来的新产品。换句话说，芯片设计技术现在已发展到了以核单元为基础的自动综合阶段，为了保证快速设计与正确设计开创了良好的技术基础。设计的成功与否将更多地体现设计者的产品创新上。人们正在利用芯片技术的能力，采用不同的工作方式来改变过去已有的工作方式。

芯片设计的产品创新是通过芯片的体系结构反映出来的。由于芯片集成度的惊人提高，芯片的功能已从单功能芯片发展到了多功能的系统芯片。为嵌入式系统的设计者提供了更大的设计空间，并行体系结构已成了当今嵌入式系统芯片的研究热点。在芯片产品的创新中最大的跃进经常来自相反的思想家，其中有一些在电子工程、计算机科学、硬件、软件科学等学科中没有任何正规训练。当思考未来的产品时最重要的起点是关于技术的现在能力与未来能力的知识。芯片技术包括芯片的制造技术、芯片的设计技术以及芯片的体系结构等三个方面，只有这三方面的协同努力，芯片技术才能得到迅速的发展，才为嵌入式系统的发展提供坚实的物质基础。

纳米电子科学和日益增长的系统复杂性使系统级芯片SOC构建模块化成为必要，从而使设计成果易于管理和集成。为了保持它们的可用性，日益增加的系统复杂性也将成为必要并将使开发具有认知能力的设备成为可能，将（有用的）智能带入计算设备。能自学习并具有自主行为的控制系统表现出了吸引人的魅力，并在信息通信技术ICT（Information Communication Technology）和其他学科如认知学和生物学，之间打开了新的应用远景。

电子设备市场的特点是以不断递减地价格为用户提供功能日益强大的创新产品和服务。被摩尔定律所描述的硬件技术能力的增长，正在超过设计生产力的提高，形成了越来越来大的“剪刀差”。

因此，除了支持先进技术发展与摩尔定律保持同步外，还需要制定系统研究规划来激励不同的技术解决方案消除这种“剪刀差”间隙，促成设计能力的根本性发展。

正确地预见可能有价值的应用是十分重要的。比如，汽车、飞机和船舶的节能、环保和安全就是嵌入式系统的重大课题。

对于汽车来说，为了降低油耗和污染，目标就是要开发出“零排放汽车”。西欧的汽车通过嵌入式技术产业已大大地降低了平均油耗（2008年要比1995年再降低25%），2007年1月欧盟提出了限制汽车二氧化碳“温室”气体排放的新标准，并以立法形式在2012年前按《京都议定书》义务强制执行。

为了减少道路交通事故，欧盟的科学家在进行称之为‘嵌入式智能系统高技术研究’（ARTEMIS）计划，他们已构想出了接近“100%安全”的汽车，其中无论驾驶员，还是汽车都将不再是引发事故的原因。

这个宏伟目标只能通过更智能化系统，即所谓的“主动安全系统”来实现，这就需要有一定人机接口（Human Machine Interface）认知能力，以减少驾驶员的工作强度，这可以通过传感器、执行器和嵌入在整个车辆中的智能软件来实现。当然不仅限于汽车，还包括其他道路车辆和系统。Ad-hoc网络（又称为自组网、自愈网或是对等网）是在主动安全系统背景中实现车对车通信的先决条件。为了提供个体交通安全,对每个人都具有可实现和吸引力，且基于已证实的技术，并重视可重用的（IP）组件，从而能够以较低成本提供更多的特征。

嵌入式系统通常也是汽车制造领域智能生产、供应链整合和相关物流的关键技术。此外，客户可定制汽车的观念为用户提供了更高的附加值，为制造商提供了产品差异化的可能性，也带来了竞争优势。

嵌入式系统将为航空业发展，提供完全可定制、经济上可以承受、生命周期可以维护的产品和服务提供支持。

预计到2011年，嵌入式系统将为空运交通节省30%的能源，提高燃油效率、性能并更加环保。嵌入式系统将有高精度、完全的可预测性以及高级的鲁棒性，从而具备100%可操作性和可靠性。

嵌入式系统（ES）将提供全景感知（full situational awareness）的能力和以人为中心的无纸操作，从而保障在任何情况下的整体安全。ES将为乘客和飞行器，不论在飞行中还是在陆地上，整个飞行过程管理提供便利的、高带宽的、安全可靠的和无缝连接的通信环境，ES将提供高级诊断和可预见维护，以确保产品20~30年的生命周期。

通过高级的复杂性管理，快速样机建模、可组合性和高级的检验验证战略，嵌入式系统的设计环境和工具将提供更短的开发周期、定制周期、升级周期，并将最终实现生命周期优化的产品设计。

更多专家简介和论文清访问 新浪博客 （子安基金会）：http://blog.sina.com.cn/u/1218713001

（稿件完成于2007-3-6）

2007中国嵌入式计算平台论坛组委会发稿

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