朱　帥，　吳玲達，　郭　靜

(1. 裝備學院 科研部, 北京 101416；　2.裝備學院 復雜電子系統(tǒng)仿真實驗室, 北京 101416)

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國產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)程度評估模型

朱帥1,2，吳玲達2，郭靜2

(1. 裝備學院 科研部, 北京 101416；2.裝備學院 復雜電子系統(tǒng)仿真實驗室, 北京 101416)

摘要隨著國內(nèi)CPU設計加工技術(shù)的不斷提高，國產(chǎn)CPU已進入批量生產(chǎn)階段并在軍隊和政府部門得到初步應用。為鑒別國產(chǎn)CPU是否實現(xiàn)獨立自主生產(chǎn)，杜絕由植入后門引起的安全隱患，在分析CPU設計生產(chǎn)一般流程的基礎上，建立CPU自主生產(chǎn)程度指標體系;基于AHP法、Delphi法設計國產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)程度評估模型，明確指標權(quán)重的確定策略與評分依據(jù)，得出待評估國產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)程度值。

關(guān)鍵詞自主生產(chǎn)；層次分析法；Delphi法

Evaluation Model for Initiative Degree of Domestic CPU Production

ZHU Shuai1,2,WU Lingda2,GUO Jing2

(1. Department of Scientific Research, Equipment Academy, Beijing 101416, China;2. Science and Technology on Complex Electronic System Simulation Laboratory, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

AbstractWith continuous development of China-made central processing unit (CPU) design and manufacturing technology, domestic CPU has been in mass production and primary application in the military and governmental authorities. To identify whether China-made CPU is produced independently and can avoid the security risk caused by implantation, based on the analysis on general process of CPU design and production, the paper establishes an indicator system of degree of independent CPU production; Based on AHP (Analytic Hierarchy Process) method and Delphi method, the paper designs a model of degree of independent production of China-made CPU, makes clear the determination strategy and evaluation basis for the indicator weight and thus obtain the degree of independent production of China-made CPU to be evaluated.

Keywordsinitiative production; analytic hierarchy process (AHP); Delphi method

隨著信息系統(tǒng)在各個領域的普及，信息系統(tǒng)的安全成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問題。近年來，軍隊信息化進程不斷加速，信息系統(tǒng)在國家要害部門和軍事領域應用越來越廣泛，由此也帶來了一系列安全隱患。2008年微軟黑屏事件,2013年棱鏡門事件給我國政府和軍隊敲響了警鐘：必須開發(fā)自主可控的國產(chǎn)信息系統(tǒng)，掌握信息安全的主動權(quán)。CPU作為計算機的關(guān)鍵元器件，是決定信息系統(tǒng)是否自主可控的關(guān)鍵因素。

然而，1971年Intel公司制造世界第一塊微處理器，隨后就正如摩爾定律所預言，CPU主頻以每18個月翻一倍的速度發(fā)展[1]。到2009年Intel發(fā)布i7處理器，中間相隔38 年時間，IBM、Intel、AMD等國際廠商也積累了大量技術(shù)優(yōu)勢。但對于我國而言，由于起步較晚，投入有限，前期對CPU自主生產(chǎn)重視不夠，導致了國產(chǎn)CPU大量借鑒國外技術(shù)、利用國外工藝的現(xiàn)狀。例如，一些國產(chǎn)CPU廠家購買借鑒了MIPS(Million Instructions Per Second)、SPARC(Scalable Processor ARChitecture)指令集等，內(nèi)地大部分CPU廠家不具備流片能力，需要到臺灣或國外流片。

但是，CPU是信息系統(tǒng)的核心，是晶體管高度集成并封裝的精密部件，一旦在其生產(chǎn)過程中不能做到自主可控，就很有可能被惡意嵌入后門并很難察覺，從而嚴重影響到CPU整體的安全性、可用性和穩(wěn)定性，隨之給信息系統(tǒng)帶來災難性的破壞，而使用存在后門的CPU將會給軍隊和國家安全帶來嚴重的后果。因而，CPU作為核心元器件，正在一步步走向國產(chǎn)化道路。為鑒別國產(chǎn)CPU是否實現(xiàn)獨立自主生產(chǎn)，杜絕由植入后門引起的種種隱患。本文通過分析CPU設計生產(chǎn)的一般流程及CPU生產(chǎn)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，包括CPU設計、加工、測試及封裝過程，建立了CPU自主生產(chǎn)程度指標體系，并得出待評估國產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)程度值，在一定程度上能夠作為評價國產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)程度的依據(jù)。

1CPU生產(chǎn)過程

CPU生產(chǎn)過程大概可分為CPU設計階段、CPU加工階段和CPU測試封裝階段。

CPU設計階段主要包括設計規(guī)劃、架構(gòu)設計、微處理器架構(gòu)設計、邏輯設計、電路設計和版圖規(guī)劃。設計規(guī)劃階段，需要闡明產(chǎn)品的概念，運行的應用類型，性能、功耗及成本目標，對設計時間、設計團隊規(guī)模的估算，設計方法的選擇等；架構(gòu)設計階段主要完成指令集的設計編寫；微處理器架構(gòu)設計需要完成流水線的高性能優(yōu)化設計；邏輯設計階段是用專門模擬計算機硬件的RTL(Right-to-Left)語言實現(xiàn)對晶體管行為的模擬，成為硬件可實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)化模型；電路設計階段是用晶體管來實現(xiàn)上一階段所確立的邏輯；版圖規(guī)劃需要設計電路時序圖、檢查邏輯正確性、檢查噪聲、選擇晶體管等，充分考慮晶體管的不理想特性，并繪制出所有元器件的物理尺寸和位置。

CPU加工階段包括硅的提純、切割圓晶、影印和蝕刻。硅的提純是從硅砂中提取生產(chǎn)CPU原材料硅晶的過程；切割圓晶是將提純后的硅晶切片并打磨光滑，使之符合生產(chǎn)CPU的工藝要求；影印蝕刻是采取特殊工藝，將CPU設計階段產(chǎn)生的電路圖影印到硅片上，進行特殊處理后得到由晶體管組成的電路版圖，并將上述過程產(chǎn)生的布滿晶片的芯片截成單獨的芯片。

CPU測試封裝階段劃分為設計中測試、成品測試和封裝。設計中測試是在CPU設計階段進行的驗證，包含DFT可測性電路設計和電路驗證實施；成品測試是在硅芯片生產(chǎn)出來以后，測試尋找與預期不符的設計漏洞，主要包括邏輯漏洞，性能漏洞，關(guān)鍵路徑問題，功率漏洞與電路邊際問題；封裝要設計引腳數(shù)量和配置、引腳類型、襯底類型、芯片黏著、退耦電容、熱阻抗等問題，然后將硅裸片和封裝組裝在一起。

2評估方法相關(guān)理論

目前，常用于評估的理論包括：AHP、Delphi法、模糊評價方法與灰色理論?？紤]到CPU生產(chǎn)過程復雜，具有一定的層次性，評估CPU自主生產(chǎn)程度的定量描述指標少，并且需要借助各方面專家的知識與經(jīng)驗完成，因此采用AHP與Delphi相結(jié)合的方法來設計國產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)程度評估模型。

層次分析法是一種有效處理不易定量化變量的多準則決策手段，它把研究對象作為一個系統(tǒng)，按照目標分解、比較判斷、綜合思維的方式進行評估，具有系統(tǒng)性、層次性、簡潔性等特點[2]。運用層次分析法解決問題，可分為4個步驟：第一，建立問題的遞階層次結(jié)構(gòu)，最上層為目標的焦點，僅包含一個元素，下面的層次可包含數(shù)個元素，相鄰2層的對應元素是按某種規(guī)則進行重要性比較排定的；第二，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣，矩陣元素的取值是針對上一層某要素而言，本層與它有關(guān)聯(lián)的各要素之間的相對優(yōu)越程度；第三，由判斷矩陣計算被比較元素的相對權(quán)重，即把本層各要素對上一層來說排出優(yōu)劣順序，由各判斷矩陣計算得出；第四，按照從上到下的順序，計算針對上層而言本層次所有元素重要性的權(quán)重值，得到總的組合權(quán)重。

Delphi法又稱專家打分法，是以專家作為索取信息的對象，依靠專家的知識和經(jīng)驗，由專家通過調(diào)查研究對問題作出判斷、評估和預測的一種方法。Delphi法非常適合具有以下特點的決策問題：需要依靠主觀判斷得出結(jié)論的問題，不確定的復雜問題，多學科問題。在決策過程中，多位專家針對某一復雜問題發(fā)表各自觀點，通過專家的相互補充、相互激發(fā)，得到一個完整、科學的認識。Delphi法的實質(zhì)是利用專家的主觀判斷，通過信息溝通與循環(huán)反饋，使意見趨于一致，以期得到最高準確率的集體判斷結(jié)果。

Delphi法應用在層次分析法構(gòu)建兩兩比較判斷矩陣及對底層指標的判斷打分中。

3評估過程與結(jié)果

3.1CPU自主生產(chǎn)程度指標體系構(gòu)建

國產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)程度是CPU的研發(fā)、設計、加工、測試過程完全依靠自主掌握的生產(chǎn)資料獨立實現(xiàn)的程度[3]。評估CPU自主生產(chǎn)程度，需要面向CPU的生產(chǎn)過程進行分析。通過對CPU生產(chǎn)過程的實地考察，依據(jù)CPU生產(chǎn)過程差異將CPU自主生產(chǎn)程度分為3個等級層次，作為一級指標、二級指標和三級指標。其中，CPU自主生產(chǎn)程度T為一級指標；Ti為二級指標，Ti=(CPU設計自主程度，CPU加工自主程度，CPU測試封裝自主程度)；Tij為對應于Ti的三級指標，如,Tij(對應于CPU設計自主程度)=(設計規(guī)劃自主程度，架構(gòu)設計自主程度，微結(jié)構(gòu)設計自主程度，邏輯設計自主程度，電路設計自主程度，版圖設計自主程度)。指標結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　國產(chǎn) CPU自主生產(chǎn)程度指標體系

3.2確定指標權(quán)重

3.2.1構(gòu)建判斷矩陣

根據(jù)指標體系層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣。判斷矩陣是表示針對上一層某要素而言，本層與它有關(guān)聯(lián)的各要素之間的相對優(yōu)越程度。例如，三級指標T11，T12，…，T1n與上一層指標T1有關(guān)聯(lián)。建立這幾個方案關(guān)于準則T1的判斷矩陣如下:

式中,TijTik表示對于上層指標Ti而言，指標Tij與Tik比較而得到的相對重要程度或優(yōu)越性。TijTik的取值是根據(jù)資料、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、征求專家意見以及系統(tǒng)分析員的經(jīng)驗而確定的,主要依據(jù)為該指標相對上層指標的重要性，指標該過程的復雜程度，過程的可替代性等。層次分析法采用1~9標度法，使兩要素的比較得以定量描述，取值及標度如表1所示。

邀請5名相關(guān)領域?qū)＜覍γ繉又笜梭w系中的指標進行兩兩比較，根據(jù)對上層指標的重要性、過程的復雜程度、過程的可替代性等特性進行綜合打分，取5名專家打分的平均值綜合得到判斷矩陣：

表1　相對重要性標度

3.2.2判斷矩陣一致性并計算權(quán)重

為避免其他因素對判斷矩陣的干擾，需要判斷矩陣滿足一致性，表明矩陣是合理的。計算公式為

θCR=θCI/θRI

式中，θCR即為一致性比例，當θCR<0.10時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應對判斷矩陣進行修正。

θCI=(λmax-n)/(n-1)，λmax為矩陣最大特征值。θRI取值如表2所示。

表2　隨機一致性指標θRI值

經(jīng)檢驗θCR<0.10,然后由判斷矩陣計算被比較元素的相對權(quán)重，由各判斷矩陣計算而得。計算Tij關(guān)于Ti的權(quán)重時，可先求出判斷矩陣的特征向量W，然后經(jīng)過歸一化處理，即可求出Tij關(guān)于Ti的相對重要度，即權(quán)重。

依照上述方法，由專家打分得出的判斷矩陣計算出各層元素的組合權(quán)重依次如下：

W1=[0.684 90.089 40.225 7]T

W11=[0.055 40.042 70.230 1

0.244 60.219 80.207 2]T

W12=[0.0940.060 50.476 50.369]T

W13=[0.622 80.274 10.103 2]T

W=[0.037 90.029 20.157 60.167 5

0.150 50.141 90.008 40.005 4

0.042 60.033 0 0.140 60.061 90.023 3]T

矩陣中的元素對應指標體系中底層元素在整個評估模型中的權(quán)重值。

3.3指標評分與評估結(jié)果

對底層指標的打分主要考察生產(chǎn)過程的獨立性，由于生產(chǎn)特點不同，考察獨立性方式各異。軟件設計中，需要考察必要的設計文檔和代碼是否齊全，硬件生產(chǎn)中需要對廠家生產(chǎn)條件、工藝水平及階段性產(chǎn)品進行考察[4]。

具體到各指標要對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的文檔數(shù)據(jù)進行審核，考察必需環(huán)節(jié)、要素、數(shù)據(jù)、設備等是否具備，判斷專利、設計文檔、代碼是否真實合理，與產(chǎn)品是否一致，考察工藝、設備、生產(chǎn)環(huán)境等以判斷被評估方是否具有獨立生產(chǎn)程度，專利、工藝或代碼是否來源不明或采用國外技術(shù)[5-9]。通過對以上要素判斷對指標進行打分，打分區(qū)間為[0，10]中的任意實數(shù)。

初步選定國產(chǎn)某型號CPU進行考察，按照專家打分法的步驟，選定相關(guān)專家組，組織考察自主生產(chǎn)程度證據(jù)，進行多輪意見征詢，并由專家組對底層指標進行逐一打分，加權(quán)平均后得到打分結(jié)果向量

R=[9.363.208.388.989.429.50

3.8010.002.609.529.049.859.64]

由此得出，被評估CPU整體生產(chǎn)自主程度Z=RW=8.555 3。

從指標權(quán)重打分及底層指標打分結(jié)果來看，CPU設計中的微結(jié)構(gòu)設計、邏輯設計、電路設計及版圖設計，CPU測試封裝的設計中測試在評估CPU自主生產(chǎn)能力中影響較大，CPU設計中的架構(gòu)設計，CPU加工中的硅提純、影印在實際生產(chǎn)過程中對外界因素依賴過多，評估結(jié)果對于有針對性地提高國產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)能力，補齊CPU生產(chǎn)過程中的短板有一定的參考價值。

4結(jié) 束 語

文章通過建立國產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)能力指標體系，設計AHP與Delphi相結(jié)合的方法評估模型，對國產(chǎn)CPU自主生產(chǎn)能力進行評估。該評估模型能夠發(fā)揮相關(guān)領域?qū)＜易饔?，合理地進行權(quán)重分配與指標評分，具有一定的靈活性和實用性，可為鑒別國產(chǎn)CPU是否實現(xiàn)獨立自主生產(chǎn)，是否存在由植入后門引起的隱患，判斷信息系統(tǒng)是否安全可靠提供重要依據(jù)[10]。

但可以看出，由于CPU生產(chǎn)涉及領域跨度較大，不同領域?qū)＜覍ε袛嘟Y(jié)果認識的一致性存在差異，在兩兩比較權(quán)重環(huán)節(jié)中，對專家知識覆蓋范圍要求比較高，需要熟悉CPU生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)，才能對重要性做出正確判斷；CPU生產(chǎn)過程復雜，專家評委通過考察設計文檔和生產(chǎn)環(huán)境等間接證據(jù)，對CPU各生產(chǎn)過程自主程度進行判斷，如何最大限度保證證據(jù)的真實性和判斷結(jié)果的合理性，也需要進一步探索研究。

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(編輯：田麗韞)

中圖分類號TP309.1

文章編號2095-3828(2016)01-0098-05

文獻標志碼A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.01.020

作者簡介朱帥(1986-)，男，碩士研究生，主要研究方向為系統(tǒng)評估。yasinzhu@yahoo.com

基金項目核高基國家重大科技專項

收稿日期2015-07-14

吳玲達，女，研究員，博士生導師。