芯片国产化——保障工业控制系统信息安全必经之路

提到国产芯片，总是让人又爱又恨。所有从事该领域的人大概都能写一部自己的心酸血泪史。有人说“卫星能上天，却搞不定电脑里的那颗小芯片”，这话让每一个 致力于推动国产芯片事业的人听起来尤其刺耳，然而，事实的确如此。这其中到底是政策出了问题还是产业发展出了问题，都是值得深思的。如今，信息安全已经成 为“国家安全”的前哨阵地，受到了全球各国前所未有的重视，而作为工业控制系统的核心元器件——芯片的国产化，则成为了我国实现工业控制系统国产化，保障 信息安全的必经之路。所以，国产芯片在走过坎坷的艰难之路后，又迎来了发展的良机。  但事实上，真正实现芯片的国产替代并不容易。由于起步较晚，目前中国芯片产业价值链核心环节缺失，产业远不能支撑市场需要，并且形成了严重的对外依赖。高端芯片最为紧缺，其开发过程需要雄厚的研发基础、资本投资以及多年积累，而中国厂商在这几方面都还比较薄弱。

在这样的背景下，2015年10月28日，由工业控制系统信息安全技术国家工程实验室、工业控制系统信息安全产业联盟、《电子技术应用》杂志社、《微型机 与应用》联合主办的国产芯片及软件在工业控制系统中应用的主题研讨会在北京召开，中国电子第六研究所所长宋黎定出席并致辞，副所长刘仁辉做会议总结，工业 控制系统信息安全技术国家工程实验室副主任寇小强做会议主持。   

中央网信办、工信部电子信息司、工信部信息化和软件服务业司、工业和信息化部第五研究所、国家信息技术安全研究中心、公安部第三研究所、国家密码管理局商 用密码检测中心、中国电子技术标准化研究院、工信部电子第五研究所、中国电子信息产业发展研究院、中国软件测评中心、中国信息安全测评中心、广州地铁设计 研究院、中铁工程设计咨询集团、石化盈科信息技术有限责任公司、北京电力公司科技信通部、上海高性能集成电路设计中心、北京微电子技术研究所、中航工业西 安航空计算机技术研究所、盛科网络（苏州）有限公司、北京神舟航天软件技术有限公司、中国电子科技集团公司第三十二研究所、浙江中控技术股份有限公司、和 利时集团、国电南瑞科技股份有限公司、广利核系统工程有限公司、北京智深控制技术有限公司、北京康拓科技有限公司、天津飞腾信息技术有限公司、龙芯中科技 术有限公司、上海华虹集成电路有限责任公司、天津麒麟信息技术有限公司、中电和瑞科技有限公司、苏州雄立科技有限公司、北京神州航天软件技术有限公司、中 国软件与技术服务股份有限公司、西北工业大学、首都师范大学、南京百傲软件技术有限责任公司等数十家单位近百名代表济济一堂，围绕国产芯片发展现状、瓶颈 和解决方案，芯片国产化对工业控制系统信息安全的重要性，以及工控行业对芯片厂商的具体需求等话题展开讨论。

1、工控应用的国产芯片现状  应该说，工控行业应用的芯片种类还是比较多的，MCU、MPU、SOC、可编程逻辑芯片、ASIC等都包括在其中，但是在目前的工控产品中，真正应用到的国产芯片比例却非常少。尤其是在一些关键的芯片比如微处理器，国产的微处理器目前在工控行业的应用几乎为0。   

以微处理器为例，主要包括MCU和MPU两种芯片。工控行业对MCU的需求量较大，低端的MCU产品主要应用在智能I/O板卡，高端的产品则主要应用到 小型PLC和RTU产品中。MCU成本敏感，开发周期长；相对来讲，工控行业对MPU的需求量较小，中低端的MCU主要应用在装备控制器和嵌入式HMI产 品，高端的MCU则主要用于DCS和大型PLC产品中。同样，成本较敏感，开发周期较长。  

目前来看，MCU芯片市场容量近300亿元，其中35亿元产品用于工控，我国工控用MCU芯片完全依赖进口。  

2、工控领域对国产芯片的具体要求  （1)工控领域应用与PC／Server的应用有明显的不同  �相对品种多，数量少；  �相对专用、对芯片性能的要求是够用；  �工控芯片未来要求总线和接口丰富，方便扩展和小型化。  （2）高端工控产品在应用方面有其特殊性和专用性  �工业领域，有对多媒体、图形等的处理要求，可通过CPU＋DSP完成；  �对于重要工业数据的安全，以及大数据的处理，比如海量报文的处理、分析、传输、存储，可采用高性能CPU／SOC来完成，也可采用CPU／SOC＋FPGA的方式来处理。  （3）工业应用模式决定了CPU／SOC有低功耗、高集成的趋势  �工控产品使用环境较苛刻，-40~-85摄氏度，要求稳定性高、无风扇，这就要求硬件低功耗、控制发热量；  �集成度更高的SOC方案会逐渐替代通用处理器硬件方案，使工控产品更加小型化、模块化。  

3、实现工控行业芯片国产化的困难 �回报周期：工业领域分散，品种多，单个行业对芯片来说量太小，回报周期长； �企业实力：工控核心芯片、基础软件在应用上都特别强调成熟可靠、要求长期持续投入和积累，投入大回报慢，承担单位必须具有较强的市场能力与经济实力； �商业模式：在现有工控核心芯片、基础软件、关键设备各自分工的商业模式下，国产产品在产业链的各个环节孤立发展，上下游都要受到国外既有成熟产品的压制，被各个击破，无法互助协同发展，进展缓慢； �竞争力模式：工控产品直接影响功能安全，终端用户对产品强调可靠性、成熟度与品牌，在性能和功能方面要求较保守，国内产品作为市场后入者缺乏打破垄断的有效手段和机会，以价格和服务为主的竞争力模式无法支撑基础开发的大规模长期投入； �产业链分工：国内个别优秀的系统及关键设备企业虽然投入了巨大的资源在核心芯片与基础软件上，但首先由于知识产权、商业模式、技术成熟度等问题，只能在企业内部应用，无法解决行业整体发展的问题； �国外同类厂商雄厚的生态实力：近几年我国的CPU、SOC、OS的设计开发能力提高，亦能满足相当部分的工控产品应用需求，但相对于国外同类厂商，还没有走完软硬件整合的过程，许多厂商没有动力尝试； �价格竞争：价格竞争不只是在消费类领域，在工控领域也表现明显，尤其在低端、量大的工控产品中，近年来，整个芯片市场中的价格走低。这让很多国产芯片厂商投入与产出相差甚远。 �厂商的犹豫：国产CPU、SOC、OS等在工控厂商眼中属于刚起步，没有十足的把握和市场驱动，谁愿意先吃螃蟹？ 

4、工控行业芯片国产化建议 （1）以应用为牵引，促进国产软硬件在工业领域的产品化  可根据电力、石油、轨道交通、数控制造等行业典型应用需求，开展基于自主cpu、关键器件、板级系统的工控产品替换。 （2）以安全可控的工业生态为切入点  工控设计国民支柱产业、政治、军防等，影响力巨大，工控安全必不可少，核心元器件、基础软件等搭建平台，可为此提供保障。 （3）以CPU为核心，重点行业国产替换  在电力、航天、汽车、石油化、轨道交通等重点领域，进行关键设备国产化和设备从低端到高端的逐步替换（先32位再64位），两条腿并行的方式，逐步建立我国自主可控的工业控制生态体系。  

国产芯片就像是一块难啃的骨头，多少年来成为众多业内人士心中一个永远的痛。但可喜的是，近年来国产芯片还是取得了一定的成果，这也让我们对未来的芯片国产化之路更有信心。 以上部分内容根据此次论坛中的和利时集团总工程师朱毅明、龙芯中科技术有限公司杜安利部长及上海华虹集成电路有限责任公司副总经理谢文录的发言整理，特此感谢。