1 января, 2006

Новая технологическая основа

Системы на кристалле - путь к созданию перспективных образцов радиоэлектронной аппаратуры

РадиоэлектроннаЯ аппаратура в своем развитии прошла через ряд этапов, которые традиционно связываются с использовавшейся при ее разработке электронной компонентной базой. Первоначально это были вакуумные приборы (лампы различных типов). Второе поколение связывалось с переходом на преобладающее использование полупроводниковых транзисторов и диодов. К третьему поколению стали относить аппаратуру, построенную в основном на интегральных микросхемах.

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

При всей своей условности эта классификация прижилась и используется до настоящего времени. Согласно ей сейчас радиоэлектронную аппаратуру следует относить к пятому поколению, поскольку в аппаратуре используются большие и сверхбольшие интегральные микросхемы, содержащие в одном кристалле до миллиона и более активных элементов.

Естественно, применение компонентной базы со столь высокими степенями интеграции позволило качественно изменить облик аппаратуры и ее характеристики. Достаточно заметить, что созданная на транзисторах аппаратура, занимавшая несколько шкафов, в микроэлектронном исполнении обычно представляет собой лишь небольшую плату. Именно это качество предопределило появление персональных компьютеров и мобильных телефонов, столь радикально изменивших жизнь всего человечества.

Следует также указать, что переход к использованию сверхбольших интегральных микросхем позволил в разы повысить и надежность аппаратуры, доведя ее до такого уровня, когда необходимость проведения регулярных профилактических и регламентных работ стала анахронизмом, уступив место технологии "технического обслуживания по состоянию".

Развитие аппаратуры и компонентной базы все эти годы шло как бы параллельно. Их созданием занимались предприятия различных отраслей, использовавшие разные технологии. Если они где-то и перекликались, то только на начальных этапах проектирования, когда разработчики аппаратуры выставляли разработчикам микросхем требования к необходимым уровням характеристик новых элементов.

При этом главной заботой разработчиков компонентной базы оставалось обеспечение максимально высокой серийноспособности новых элементов за счет расширения областей их применения, т.е. за счет универсализации. Эта тенденция в значительной степени сохраняется и сейчас, несмотря на то, что универсализация на уровне сверхбольших интегральных схем приводит к крайне нерациональному использованию их возможностей в конкретных разработках аппаратуры, появлению до 60 и более процентов избыточных элементов и функций, которые разработчик конкретной техники не может использовать.

В то же время как бы "за кадром" оставался целый комплекс проблем: с одной стороны - обязательства производителя аппаратуры в течение 20 лет обеспечивать ее эксплуатацию, в том числе производством ЗИП. С другой - автоматическая консервация на такой же срок технологий производителей компонентной базы, что было экономически убыточным для этих предприятий и могло иметь крайне негативные последствия (минимально - потерю конкурентоспособности на перспективу).

СИСТЕМЫ НА КРИСТАЛЛЕ

Разрешение большинства из указанных конфликтов стало возможным с появлением сверхбольших интегральных схем в виде так называемых систем на кристалле.

Это направление в передовых зарубежных странах начало активно развиваться с середины 1990-х гг. Принципиальное отличие нового подхода заключается в том, что в кристалле помещается не универсальная, и чаще всего регулярная структура, как ранее, а функционально законченный элемент аппаратуры (например, часть приемного тракта радиолокатора или весь тракт целиком).

К настоящему времени эти системы показали свою состоятельность и завоевали значительный сегмент рынка компонентной базы (в США и странах Западной Европы общий объем их выпуска превышает 100 тыс. шт. в год).

Справедливости ради следует отметить, что в принципе системы на кристалле могут создаваться и на иной технологической базе, а именно в виде микросборки (иногда такие микросборки называют гигантскими). При современных методах разработки микросборок и характеристиках их компонентов созданные таким образом системы на кристалле по общей функциональной сложности могут практически не уступать своим аналогам на базе сверхбольших интегральных схем.

Очевидным достоинством систем на кристалле является то, что разработчик, получая кристалл, полностью ориентированный на его запросы, перестает платить "за воздух" (т.е. за структурную избыточность, которая заведомо не будет использована в конкретной разработке). Это, в свою очередь, позволяет максимизировать плотность радиоэлектронного монтажа и получать практически предельно возможные для данной технологии габаритно-весовые характеристики аппаратуры.

С другой стороны, столь же очевидным органическим свойством систем на кристалле (почему-то до сих пор не до конца осознанным их разработчиками) является относительно узкая сфера их применения, не позволяющая получать привычные для изготовителей компонентной базы тиражности в миллионы экземпляров. Действительно, "заложенный" в кристалл, скажем, приемный тракт радиостанции или радиолокатора чаще всего не может быть использован в других разработках вследствие того, что архитектура, структура и характеристики этого приемного тракта в значительной степени определяются общими требованиями к конкретной аппаратуре, в частности, принятыми видами сигналов и методами их обработки.

Мимо внимания разработчиков аппаратуры и компонентной базы пока прошла и другая (важнейшая!) особенность перехода от универсальных сверх больших интегральных схем к системам на кристалле. Дело в том, что с появлением систем на кристалле принципиально изменились условия возникновения так называемых результатов интеллектуальной деятельности и, соответственно, изменилось формирование прав на интеллектуальную собственность, одной из форм которой являются основные характеристики кристаллов. Отметим, что впервые за всю историю эволюции компонентной базы авторские права на них по закону преимущественно будут принадлежать не разработчикам кристалла, а разработчикам аппаратуры.

Следствиями этого являются, с одной стороны, гораздо большая зависимость разработчиков базы от разработчиков аппаратуры, выступающих в качестве заказчиков систем на кристаллах со всеми вытекающими из этого законными последствиями. С другой стороны, в новой ситуации изготовители компонентной базы будут лишены возможности, которой они до сих пор активно пользовались, в произвольной время снимать с производства отдельные типы интегральных схем, односторонне объясняя это нерентабельностью или нецелесообразностью производства из-за малой тиражности. По крайней мере, теперь они будут обязаны согласовывать все вопросы, связанные с определением объема и сроков производства, с заказчиками систем.

В отечественной промышленности процессы формирования инфраструктуры проектирования, производства и применения систем на кристаллах только начинают развиваться и, естественно, имеют свои особенности. Эти особенности присутствуют и на этапе создания самой системы, и на этапе разработки конкретной аппаратуры. Естественно, существует своя специфика организации эксплуатации техники, построенной на базе систем на кристаллах. В частности, эта специфика определяется невозможностью какого-либо ремонта типовых элементов замены, использующих системы на кристаллах, в местах эксплуатации.

Сейчас в эксплуатации и серийном производстве находится большое количество систем, радиоэлектронная аппаратура которых выполнена в основном с использованием интегральных схем малой и средней степени интеграции. Функционально-законченные узлы этой аппаратуры конструктивно реализованы в виде печатных плат с десятками типов универсальных и специализированных микросхем и отдельных компонент.

Значительное число типов микросхем, используемое в радиоэлектронной аппаратуре, на настоящий момент уже не выпускается. Прекращение производства компонентной базы создает, кроме того, серьезные проблемы при эксплуатации и ремонте техники, а также при комплектовании запасными частями. Восстановление производства микросхем, выпуск которых прекращен, часто экономически нецелесообразно, поскольку требует больших капиталовложений, и одновременно неэффективно, так как поддерживает и пролонгирует устаревшие технологии производства компонентной базы.

В то же время, современный уровень полупроводниковой технологии позволяет осуществить качественно новую реализацию ранее созданных типовых элементов замены (ячеек и блоков аппаратуры) в виде систем на кристалле на основе специализированных сверхбольших интегральных схем. Сущность такой реализации заключается в замене конструктивных элементов, содержащих сотни микросхем малой и средней степени интеграции, на системы на кристаллах.

Иными словами, производится "свертка" большого количества микросхем и дискретных элементов в один кристалл. При этом, как показывает имеющийся опыт, могут быть полностью сохранены принципы построения, алгоритмы функционирования, временные диаграммы работы и интерфейсы усовершенствованных ячеек и блоков.

Таким образом, под термином "свертка" будем понимать замену ранее установленных в типовых элементах замены дискретных элементов (или интегральных схем с малыми степенями интеграции) на системы на кристаллах (и, возможно, некоторые элементы обрамления) с сохранением типоразмера типовых элементов замены и всех параметров разъема (собственно разъема и интерфейса), посредством которых типовые элементы включаются в аппаратуру более высокого уровня (например, в блок или шкаф).

Так как многие системы еще морально не устарели, то "свертка" ячеек и плат существующей аппаратуры в одну или несколько систем на кристалле может значительно продлить их срок службы.

Кроме того, использование "свертки" имеет высокую экономическую эффективность, поскольку не требуется дорогостоящая переработка базовых конструктивов высокого уровня, кабельных разводок и соответствующей документации. Имеется и чисто технический выигрыш, определяемый существенным повышением надежности узлов, прошедших "свертку", за счет сокращения в разы количества контактов и соединений, на которые обычно приходится большинство отказов техники.

Технология "свертки" может оказаться эффективным инструментом для разрешения актуальной проблемы формирования и поддержания ЗИП для серийно выпускаемой и эксплуатируемой аппаратуры, которая также в значительной степени возникла вследствие отсутствия комплектующих. Это особенно важно для экспортируемых систем.

В свое время предполагалось обеспечивать выполнение обязательств по поддержанию требуемых эксплуатационных характеристик аппаратуры за счет замены в аппаратуре устаревших интегральных схем, выпуск которых прекращен, на серийно выпускаемые в настоящее время более современные микросхемы. Как показал опыт, этот путь экономически неоправдан и технически нецелесообразен.

Экономически неоправдан в связи с тем, что замена элементной базы на новую серию требует дорогостоящего перепроектирования типовых элементов замены и переработки печатных плат под микросхемы другой серии (разработка практически заново функциональных и принципиальных схем, полная переработка тестов, новая организация настройки и повторные испытания аппаратуры, перевыпуск конструкторской и технологической документации и т.д.).

Технически нецелесообразен потому, что количество комплектующих в этом случае остается практически на прежнем уровне, а, следовательно, на прежнем уровне остаются и эксплуатационные характеристики изделий, в том числе их надежность. Поэтому существенные финансовые и производственные затраты не приводят к улучшению технических и эксплуатационных характеристик аппаратуры.

Вследствие этого, замена устаревшей элементной базы на современную в виде систем на кристалле ("свертка") является, по существу, единственным экономически оправданным путем поддержания серийно выпускаемых и эксплуатируемых образцов аппаратуры и комплектования ЗИП.

ВНЕДРЕНИЕ

Как показывают научный анализ и изучение имеющего опыта аналогичных работ, внедрение систем на кристаллах в аппаратуру может осуществляться различными путями.

1. Для ранее созданных, серийно выпускаемых и находящихся в эксплуатации систем может осуществляться поддержка эксплуатации и формирования ЗИП за счет осуществления многократных последовательных "сверток" (это можно назвать термином "латентная модернизация") под авторским надзором разработчика.

Достоинством такого подхода является минимизация экономических и временных затрат за счет того, что, как показывает имеющийся опыт, при грамотном решении задачи изменения внутри типовых элементов замены не влекут за собой изменений в остальной аппаратуре и межсоединениях.

В организационной сфере использование технологии "свертки" открывает возможность освобождения организации-разработчика аппаратуры от обязанности сопровождать все изменения на уровне типовых элементов замены. Это может быть реализовано путем передачи организациями-разработчиками аппаратуры юридических прав на сопровождение производства и эксплуатации типовых элементов замены серийным заводам при сохранении авторского надзора со стороны разработчика.

Проблемами здесь могут являться необходимость передачи разработчиком специализированным предприятиям комплектной документации на типовые элементы замены и другие элементы (поскольку на практике эта документация не всегда комплектна и в ней не всегда в полном объеме учтены изменения, вносимые в процессах испытаний аппаратуры и освоения ее серийного производства), а также возможный частичный пересмотр распределения авторских прав.

2. Для систем, ранее созданных и находящихся в эксплуатации, серийное производство которых прекращено, вышеописанная "свертка" может служить средством поддержания их эксплуатации и обеспечения достаточности ЗИП отдельных типовых элементов замены, когда это экономически оправдано.

3. Для разрабатываемых образцов "свертка" целесообразна на этапе завершения испытаний и освоения серийного производства. В этом случае дополнительные расходы разработчика будут минимальными (в любом случае проводятся доработки техники и документации по результатам испытаний и замечаниям серийных заводов), но применением "свертки" разрешается проблема пролонгирования (вплоть до очередной модернизации или экономически оправданной массовой "свертки") безболезненного для изготовителей компонентов срока производства комплектующих и ЗИП.

4. Для перспективных образцов - планирование экономически оправданных этапов обновления компонентной базы (как правило, заложенных разработчиком систем на кристаллах) с целью поддержания рентабельности их производства и обеспечения нормальной эксплуатации, в том числе в процессе плановых модернизаций.

Предварительный анализ состава типовых элементов замены эксплуатируемых систем показывает, что количество микросхем и других комплектующих, используемых в типовых элементах, в большинстве случаев составляет десятки или сотни. Чаще всего для их "свертки" в одну или несколько систем на кристаллах достаточны технологии с проектными нормами от 0,8 до 2 мкм. Такие технологии освоены еще в 1980-х гг. и сейчас ими располагают, например, некоторые предприятия, находящиеся в подмосковном Зеленограде или Минское НПО "Интеграл" (одно из немногих предприятий этого профиля на постсоветском пространстве, полностью сохранивших работоспособность).

Естественно, что эффективное использование систем на кристаллах возможно только на основе использования современных информационных технологий на все этапах создания и эксплуатации аппаратуры. Переход на системы и средства автоматизации проектирования, помимо обеспечения требуемого уровня качества разработки аппаратуры и ее элементов, явится мощным дисциплинирующим фактором для разработчиков. Это связано с тем, что в условиях использования технологий автоматизированного проектирования невозможны ситуации, когда те или иные изменения, внесенные в схемы аппаратуры, окажутся не отраженными в соответствующей документации. С другой стороны, исчезнут непродуманные технические решения, поскольку они будут в самом начале "отбракованы" системой автоматизации проектирования.

Таким образом, с появлением систем на кристалле возникли условия и технологии, позволяющие наиболее экономичным путем разрешать существовавшие проблемы повышения качества разработки, производства и эксплуатации аппаратуры и обеспечить условия для нормального поддержания процессов ее эксплуатации и модернизации.