1967年10月24日，京城已入深秋。

    

    所里的老槐树，叶子黄了大半，风一吹，哗啦啦往下落，在地上铺了薄薄一层。

    

    主楼顶上的高音喇叭照例在中午播报着最新指示，声音从高处传下来，穿过那些飘落的黄叶，传到右附楼走廊里时已经模糊成一片嗡嗡声，像远处河滩上磨石的声音。

    

    没有人关掉它，也没有人认真在听。

    

    吕辰站在办公室窗前，点了一根烟，慢慢抽着。

    

    键合机的动员会已经过去一个多月。各协作单位的人陆续到位，运动平台、光学系统、材料工艺都在按计划推进。

    

    包康建带着哈工大的人已经在6305厂设备中心搭起了实验台，秦世襄那边显微镜和摄像头的选型也基本定了。

    

    方教授的微波辅助对准方案还在论证，但陈光远说“可以先放一放，主通道走通再说”。

    

    但最核心的问题，对准算法，一直没有定论。

    

    用微程序做图像处理，一张256乘256的图，十几万次操作，把午马机搬出来都扛不住。

    

    用硬件做，怎么设计？架构是什么？数据怎么流动？这些问题，理论组论证了快一个月，方案出了四五版，每一版都被推翻重来。

    

    他把烟掐灭，正准备去自动化控制中心，门被推开了。

    

    诸葛彪站在门口：“陈教授到了，第三会议室。”

    

    “到了？什么时候到的？”

    

    “刚到，钱兰已经过去了。”

    

    吕辰拿起笔记本就往外走，二人来到第三会议室，陈教授已经坐在了主位。

    

    他穿着一件藏蓝色的中山装，领口的扣子系得整整齐齐，头发梳得一丝不苟，花白的鬓角在日光灯下泛着银光。

    

    但吕辰注意到，他眼睑下方有一圈青黑，手指关节处还沾着一点墨渍，大概是熬夜写方案时留下的。

    

    面前摊着厚厚一沓图纸，最上面一张画满了框框和数据流，旁边还放着一个搪瓷缸子，里面泡着茶，茉莉花的香味在会议室里弥漫开来。

    

    钱兰坐在他对面，笔记本已经翻开，手里握着笔，随时准备记。

    

    “陈教授。”吕辰走进去，在钱兰旁边坐下。

    

    陈教授抬起头，看了他一眼，嘴角微微动了一下，算是笑了。

    

    “小吕来了，坐。”他低头看了看表，“设计院的筹备工作、午马机的微程序设计，事情堆在一起，键合机的算法拖了几天。今天咱们把它定下来。”

    

    吕辰心里一喜，设计院在筹备了，这是好事。

    

    陈教授翻开第一张图，那是一张巨大的系统架构图，画满了方框和箭头，用不同颜色的笔标注，每一根线条都画得工工整整。

    

    图纸的边角有几处被橡皮擦过的痕迹，擦得不干净，还留着淡淡的铅笔印，说明改过不止一版。

    

    “键合机对准算法，理论组经过充分论证，总算是敲定了初步方案。”他顿了顿，声音里有一丝疲惫，但更多的是笃定，“我们的方案是，把二维问题变成一维流水线。”

    

    吕辰心里一动，往前倾了倾身子。

    

    陈教授拿起一支铅笔，在图上的空白处画了一个简图。

    

    “如果是用微程序做图像处理，一般的思路是先把整帧图像存到内存里，然后逐像素遍历，做各种计算。这需要大量的存储空间和随机访问。”

    

    他在图旁边写了一行字：整帧存储 → 逐像素遍历 → 大量RAM + 随机访问。然后划掉了。

    

    “硬件做图像处理的思路完全不同。”

    

    他在

    

    “摄像头输出一行像素，硬件就在这一行上实时处理。不存储整帧图像，只存‘必要的最小状态’。”

    

    钱兰在笔记本上飞快地记着，笔尖沙沙作响。诸葛彪把嘴里那根烟拿下来，放在桌上，身体往前倾，眼睛一眨不眨地盯着图纸。

    

    窗外，一片黄叶被风吹起来，贴在玻璃上，停了两秒，又被吹走了。

    

    陈教授翻开第二张图。那是一张图像预处理的数据流图，左边是一个摄像头图标，右边是一系列方框，箭头从左往右流动。

    

    “第一步，图像预处理。”

    

    他用铅笔指着最左边的图标：“摄像头输出的模拟视频信号，通过ADC转换为数字像素流。假设分辨率256乘256，8位灰度，逐行扫描。每行256个像素，每个像素的灰度值0到255。”

    

    他的手指移到第二个方框。

    

    “用滤波降噪，消除单个像素的随机噪声。硬件实现可以用一个3乘3的滑动窗口寄存器。”

    

    他在图上画了一个3乘3的网格。

    

    “像素流 → 行缓存 → 3乘3窗口寄存器 → 排序网络 → 输出。行缓存需要存储上一行和上两行的像素，每行256个像素，每个8位，共256乘8乘2等于4096位寄存器。”

    

    吕辰听到这里，举起手。

    

    “陈教授，我插一句。”

    

    陈教授停下笔，看着他。

    

    “您用的是均值滤波？”

    

    “对，均值滤波。”

    

    吕辰摇了摇头：“均值滤波需要乘法器。像素值乘系数，再累加，再除法。乘法器在五微米工艺

    

    他在自己笔记本上画了一个简图，推到桌子中间。

    

    “我建议用中值滤波。中值滤波只需要比较器，不需要乘法器。九个像素的值，找中间那个。比较器比乘法器简单得多，面积小、速度快。”

    

    陈教授盯着那张图看了几秒。

    

    他没有立刻回答。

    

    会议室里安静了两秒，只有日光灯的嗡嗡声。

    

    然后他忽然笑了一下，很轻，像是在对自己说。

    

    “你说得对。我想复杂了。”

    

    他用笔在图纸上改了一笔，把“均值滤波”划掉，写上“中值滤波”。

    

    “排序网络，九个数找中值，用九个比较器搭成排序网络。纯组合逻辑，一个时钟周期就能输出结果。”

    

    钱兰在旁边插了一句：“九个比较器，面积大概多大？”

    

    陈教授想了想：“按你们标准单元库里的比较器来算，八位的，大概几十个门。九个，加上连线，几百个门。可以接受。”

    

    他在笔记本上记了一笔，然后继续往下讲。

    

    “接下来是对比度增强。”

    

    他在图上画了一个新的方框。

    

    “焊盘是金属的，反光强，灰度值高。背景是陶瓷或者塑料的，反光弱，灰度值低。对比度增强就是让这种差异更明显。硬件实现用查找表。输入8位灰度，输出8位灰度。映射关系预先算好，固化在ROM里。”

    

    钱兰立刻接话：“256乘8位的ROM，约2048个存储单元。面积很小，没问题。”

    

    陈教授点了点头，手指移到下一个方框。

    

    “最关键的一步，自适应二值化。”

    

    他在方框旁边写了一行字：把灰度图像变成黑白二值图像（0＝背景，1＝焊盘）。

    

    “为什么不能用固定阈值？因为光照不均匀。芯片中间和边缘的亮度可能不一样，固定阈值会导致中间焊盘能识别、边缘焊盘被漏掉。”

    

    他抬起头，看着三个人。

    

    “所以要用局部自适应阈值。取当前像素周围N乘N区域的灰度均值，以此为阈值。”

    

    他在图上画了一个示意图，一个像素周围围着八个邻居，组成3乘3的区域。

    

    “局部均值的计算不需要乘法器。九个像素的和可以用加法树实现，除以九可以用移位加法近似。”

    

    诸葛彪开口了：“加法树的速度呢？”

    

    “一个时钟周期。”陈教授说，“九个8位数相加，用三级加法树，每级延迟几十纳秒。一兆赫的时钟周期是一微秒，绰绰有余。”

    

    他在纸上算了一下，然后抬起头。

    

    “预处理部分，到此结束。输入模拟视频，输出二值化像素流。全部硬件实现，每一行像素进来，实时处理，实时输出，没有帧延迟。”

    

    他在图纸上画了一条横线，表示第一部分结束。

    

    然后翻开第三张图。

    

    “第二步，特征提取。”

    

    他的声音提高了一些，铅笔在纸上点了几下。

    

    “这是整个算法中最核心、最巧妙的部分。”

    

    吕辰盯着那张图，心跳微微加速。他知道，这才是真正的难点。

    

    陈教授拿起粉笔，在黑板上画了一行二值化的像素：0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0。

    

    “这一行像素，连续的白像素从第4列到第8列，长度5。我们可以把它压缩成一个线段：start=4, end=8, length=5。”

    

    他在

    

    “硬件实现非常简单，只需要一个状态机加两个计数器。扫描一行像素，遇到从0变1就记录start，遇到从1变0就记录end，输出一个游程。”

    

    钱兰在笔记本上飞快地记着，嘴里小声重复：“状态机加两个计数器。”

    

    陈教授继续往下讲。

    

    “有了游程，下一步是连通域标记。找出哪些游程属于同一个焊盘。”

    

    他在黑板上画了三行像素的示意图，用红笔把重叠的部分圈出来。

    

    “关键观察：当前行的游程和上一行的游程，如果列范围重叠，就属于同一个连通域。硬件实现只需要存储上一行的游程标记结果，每列一个标记。”

    

    诸葛彪皱起了眉头：“每列一个标记？256列，就是256个标记。每个标记需要多少位？”

    

    陈教授想了想：“最多同时有多少个焊盘在一行里？假设焊盘直径10个像素，一行最多二十几个焊盘。用5位标记就够了。256乘5等于1280位寄存器，可以接受。”

    

    他顿了顿，铅笔在纸上点了一下。

    

    “标记的时候有个麻烦，当前行的游程可能同时和上一行的两个游程重叠，那两个游程属于不同的连通域，但被当前行连在一起了。这叫‘等价标记’。”

    

    他在黑板上画了一个“工”字形的例子，然后停顿了一下。

    

    “这个问题，我想了整整一周。”

    

    他的声音很轻，像是在自言自语。会议室里安静了一瞬，三个人都没有说话。

    

    然后他拿起粉笔，在黑板上写了几个字：优先级编码器。

    

    “用优先级编码器做硬件实现。256个prev_bel并行比较，找出第一个非零的。不需要循环，一个时钟周期搞定。”

    

    钱兰道：“这个巧妙。用空间换时间。”

    

    陈教授点了点头，继续往下讲。

    

    “有了连通域标记，下一步是质心计算。”

    

    他在黑板上写了两行公式：

    

    X_troid = (Σ x) / N

    

    Y_troid = (Σ y) / N

    

    “累加每个连通域内所有像素的X坐标和Y坐标，最后用除法求平均。硬件实现需要每个连通域有一套累加器。假设最多同时有32个焊盘在视野里，每个累加器需要X累加器、Y累加器、像素计数器。”

    

    他在纸上估算了一

    

    “X坐标范围0到255，8位就够了。但累加时，一个焊盘可能有几十个像素，8位会溢出。用16位累加器，每个域三个16位寄存器，32个域，共32乘3乘16等于1536位寄存器。可以接受。”

    

    “扫描结束后，对每个焊盘，用除法器计算质心。除法器的硬件实现用移位减法，32位除以16位，约16个时钟周期完成。对键合机来说，扫描结束后花几百微秒算除法，完全可以接受。”

    

    吕辰听到这里，心里已经有了底。

    

    这个方案，可行。

    

    陈教授翻开第四张图。

    

    “第三步，位置偏差计算。”

    

    他指着图上一个极简的方框。

    

    “这一步最简单。理想坐标存在ROM里，实测坐标来自第二步的质心计算结果，做减法。”

    

    他在图上画了一个小框图。

    

    “但有一个问题，需要知道‘当前对准的是第几个焊盘’。一颗芯片可能有几十个焊盘，必须按顺序一个一个对准。”

    

    他顿了顿，在图上加了一个地址计数器。

    

    “焊盘序号 → ROM（存储理想坐标）→ 减法器 → 输出ΔX, ΔY。按照预设顺序，从左到右、从上到下。芯片设计时就已经定好了焊盘的顺序，键合时按这个顺序执行。”

    

    诸葛彪插了一句：“这个ROM里的理想坐标，从哪儿来？”

    

    陈教授看了他一眼：“从芯片的版图设计数据里来。芯片设计完成后，每个焊盘的位置是确定的。把这些坐标提取出来，固化到ROM里。不同型号的芯片，换不同的ROM。”

    

    他估算了一下：“约1000个门，面积很小。甚至可以和特征提取芯片集成，但为了模块化和并行处理，单独做一块也有道理。”

    

    陈教授翻开第五张图。

    

    “第四步是运动控制。”

    

    他在图上画了一个PID控制器的框图。

    

    “输入目标位置，来自偏差计算芯片，加当前位置，来自光栅尺反馈，输出压电陶瓷驱动电压。内部架构是一个PID控制器的硬件实现。”

    

    他在黑板上写了PID的标准公式：u(t) = Kp·e(t) + Ki·∫e(t)dt + Kd·de(t)/dt。

    

    “比例项、积分项、微分项，每一项都需要乘法器。硬件实现用8乘12乘法器，可以串行实现以节省面积，也可以并行实现以追求速度。”

    

    他在纸上估算了一

    

    “约到个门，是这几块芯片中最复杂的。面积可能到60到80平方毫米。”

    

    80平方毫米，将近1厘米乘0.8厘米。在五微米工艺下，这已经是非常大的芯片了。吕辰在心里盘算了一下，没有立刻表态。

    

    陈教授继续往下讲。

    

    “另外还需要插补器。X轴和Y轴需要协同运动，不能一个动一个不动。需要一个小型CORDIC或者简单的逐点比较法插补器。”

    

    他在图上又加了一个方框。

    

    “再加上一个超声焊接控制芯片，控制键合头的超声振动、压力、时间。”

    

    他翻开第六张图。

    

    “输入焊接指令，来自总控状态机，加压力传感器反馈，输出超声发生器使能信号、压力调节信号、时间计数器。内部架构相对简单，主要是一个精密定时器加状态机。压力控制可以用一个简单的比较器，压力传感器反馈与设定值比较，高了减压，低了加压。”

    

    他估算了一下：“约5000个门。”

    

    最后，他翻开第七张图。

    

    “总控状态机，系统的‘大脑’。”

    

    他在图上画了一个圆形的状态转移图。

    

    “用标准单元搭一个有限状态机，控制整个键合流程。”

    

    他在状态转移图上标出了每一个状态：空闲 → 移动到焊盘1 → 对准 → 键合 → 移动到焊盘2 → 对准 → 键合 → …… → 完成。

    

    “状态不多，十几个。用标准单元库里的触发器搭就可以，不需要单独的芯片。”

    

    讲完算法设计，陈教授把七张图摊在桌上，排成一排。

    

    从左到右，图像采集、预处理、特征提取、位置计算、运动控制、超声焊接——六个方框，箭头从左往右，整整齐齐。

    

    “整体架构是一个四级的流水线专用处理器。每一级由一块专用芯片实现，数据在芯片之间直接传递，没有中间存储，没有数据搬移，没有微程序解释执行的开销。”

    

    会议室里安静了几秒。

    

    吕辰盯着那些图纸，脑子里飞快地转着。

    

    图像预处理芯片，约5000个门。焊盘特征提取芯片，约8000到个门。位置偏差计算芯片，约1000个门。运动控制芯片，约到个门。超声焊接控制芯片，约5000个门。加起来，三万到四万个门。

    

    在五微米工艺下，每平方毫米大约能集成200到300个门。

    

    四万个门，挑战不小！

    

    吕辰端起搪瓷缸子想喝水，发现水已经凉了。

    

    他把缸子放下，开口说：“陈教授，这个架构，可行。”

    

    陈教授看着他，没有说话，等着他往下说。

    

    “功能划分清晰，每块芯片只做一件事，专芯专用。最复杂的运动控制芯片约两万门，在五微米工艺用芯片，可以挑战一下。”

    

    他顿了顿，又说：“但我有几个问题。”

    

    “你说。”

    

    “第一，行缓存的面积。您刚才说每行256个像素，每个8位，两行就是4096位。这是寄存器，不是存储芯片。4096位寄存器，面积不小。能不能用存储芯片来做行缓存？”

    

    陈教授想了想：“可以。但存储芯片的读写时序和寄存器不一样，需要加控制逻辑。不过面积能省不少。这是一个好建议，回头细化的时候可以优化。”

    

    吕辰点了点头，继续问。

    

    “第二，连通域标记的优先级编码器。256个并行比较，一个时钟周期出结果，这个逻辑的扇入扇出会不会太大？时序能收住吗？”

    

    陈教授拿起铅笔，在纸上画了一个树状结构图。

    

    “用二叉树结构。第一级128个比较器，第二级64个，第三级32个，依此类推。七级就能出结果。每一级的扇入扇出控制在4以内，时序没问题。”

    

    吕辰看着那个树状图，心里踏实了。

    

    “第三，运动控制芯片的PID算法。Kp、Ki、Kd三个系数，是固定的还是可调的？”

    

    “可调的。”陈教授说，“不同型号的压电陶瓷微动台，响应特性不一样。系数存在寄存器里，出厂时校准。甚至可以在键合过程中动态调整，适应不同工况。”

    

    吕辰点了点头，表示没有问题了。

    

    钱兰这时候开口了。

    

    “陈教授，我还有一个问题。您这个方案，需要多少存储？不是寄存器，是真正的存储。”

    

    陈教授想了想：“行缓存可以用存储芯片做，256乘8乘2等于4096位，约0.5KB。特征提取芯片的累加器，32个域，每个域三个16位累加器，共1536位，约0.2KB。其他零散的，加起来不到1KB。”

    

    他看着钱兰：“1KB的存储，在五微米工艺下，面积大概多大？”

    

    钱兰在笔记本上算了一下：“存储芯片的密度比寄存器高得多。1KB，约8000位，面积大概10到15平方毫米。可以接受。”

    

    陈教授点了点头，把桌上的图纸收拢，摞成一摞。

    

    “好。方案我讲完了。你们觉得，能不能干？”

    

    吕辰没有立刻回答，而是看向钱兰和诸葛彪。

    

    钱兰合上笔记本，点了点头：“把二维问题变成一维流水线，这个思路，简直太好了。每块芯片的规模都在可接受范围内。能干。”

    

    诸葛彪也点了点头，但他又举起手：“陈教授，我还有一个问题。”

    

    “说。”

    

    “逻辑设计、版图绘制、仿真验证，这些工程上的事，我们来。但是图像处理芯片里的滤波算法、连通域标记的等价合并、PID参数整定，这些数学上的东西，得请你们帮忙。”

    

    陈教授点点头：“没问题，这本就是理论组的事。”

    

    吕辰感叹道：“五块芯片，每块都要从零开始设计，逻辑图、版图、仿真、流片、测试。工作量不小。”

    

    陈教授端起搪瓷缸子喝了一口水，水已经凉了，他也没在意。

    

    “工作量是大，但这个项目是总装给的军令状，拖不得。”

    

    他放下缸子，目光从三个人脸上扫过。

    

    “咱们要在两个月之内拿出逻辑设计，春节之前版图画完，开年就送中试线。”

    

    吕辰在笔记本上写下这几个时间节点，然后在旁边画了一个倒计时。

    

    “陈教授，数学模型什么时候能给我们？”

    

    “一个月。”陈教授说。

    

    他顿了顿，又补了一句：“西军电那边，秦教授可以帮忙验证信号处理部分的算法。他们对图像处理有经验，可以帮我们看看中值滤波窗口大小、二值化阈值的选取这些参数。”

    

    钱兰在旁边记了一笔：“西军电，信号处理算法验证。”

    

    诸葛彪把烟点上，吸了一口，慢慢吐出来。

    

    “陈教授，还有一个问题。”

    

    “说。”

    

    “您这个方案，是五块专用芯片。但如果以后算法要升级，或者要适配不同型号的芯片，比如有的芯片焊盘是圆的，有的是方的，有的是矩形，那是不是要重新设计芯片？”

    

    陈教授笑了。

    

    “这也是理论组一直争论的点之一。我们最后认为，专用芯片的灵活性确实不如微程序。但键合机的对准算法，本质上是稳定的。焊盘形状可能有变化，但特征提取的逻辑是通用的，不管焊盘是圆是方，都能用。”

    

    他想了想，又说：“至于参数调整，比如中值滤波窗口大小、二值化阈值、PID系数，这些可以做成可配置的。在芯片里加一些寄存器，参数从外部加载，不用改芯片设计。”

    

    诸葛彪点了点头，没有再问。

    

    吕辰把笔记本合上，站起来，伸出手。

    

    “陈教授，这个方案，我代表红星所集成电路实验室，正式接受。”

    

    陈教授握住他的手。

    

    “好。那咱们就这么定了。”

    

    钱兰和诸葛彪也站起来，四个人围在桌前，看着那七张摊开的图纸。

    

    夕阳从窗户照进来，照在那些密密麻麻的方框和箭头上，照在陈教授花白的鬓角上。