4 декабря, 2008

Путь к кристаллу

Период экономического спада 1990-х гг. существенно сказался на всех отраслях народного хозяйства, и, в первую очередь, на развитии радиоэлектронной промышленности, изделия которой являются базовыми для радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Следует отметить, что РЭА является основной составной частью современных и тем более перспективных образцов вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ), средств автоматизации управления и информационного обеспечения, во многом определяет их тактико-технические характеристики.

Большинство состоящих на вооружении и эксплуатируемых в настоящее время образцов ВВСТ было разработано в 1970-1980-е гг. Радиоэлектронная аппаратура этих образцов была реализована на элементной базе 3-го поколения, включающей интегральные микросхемы малой и средней степени интеграции. За прошедшие десятилетия (30-40 лет) элементная база прошла несколько поколений развития: появились большие (БИС), сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС) и, на их основе, – современные системы-на-кристалле (СнК).

Таким образом, можно констатировать, что в эксплуатируемых и еще морально не устаревших образцах вооружения стоит морально и физически устаревшая элементная база. Налицо устоявшаяся диспропорция темпов морального старения образца вооружения и физического и морального старения элементной базы.

Указанная диспропорция создала громадные трудности обеспечения эксплуатации РЭА, собранной на устаревшей элементной базе. Положение усугубляется еще тем, что в связи с развалом Советского Союза и экономическим спадом многие типы интегральных микросхем малой и средней степени интеграции были сняты с производства ввиду нерентабельности, вследствие чего появилась так называемая «проблемная» элементная база.

До сих пор сложившаяся (можно сказать, тупиковая) ситуация разрешалась преимущественно не системно и не на государственном, а на ведомственном уровнях. Применяемые способы ее разрешения можно объединить в два.

Первый способ заключался в том, что в серийных образцах ВВСТ было разрешено в исключительных случаях использовать элементную базу импортного производства (как стыдливо писалось в официальных документах, носящих название «ограничительных перечней», «до появления отечественных аналогов»). Естественно, в дальнейшей практике словосочетание «исключительный случай» было моментально забыто. Ведь применение импортных комплектующих было удобно разработчику, который легко выполнял с ее использованием самые строгие требования заказчика по надежности, массо-габаритным характеристикам и энергопотреблению. Удобно было и заказчику, которому не приходилось уламывать преимущественно частные отечественные микроэлектронные предприятия, договариваясь о воспроизводстве старой номенклатуры элементов.

В результате сегодня проблема элементной базы приобрела такую остроту, что ставит под угрозу обеспечение национальной безопасности государства.

Причем дело далеко не только в номенклатуре и качестве отечественных микросхем. Не секрет, что в интегральных микросхемах большой функциональной сложности могут быть легко размещены так называемые «закладки», то есть электрические цепи, которые по команде извне могут парализовать работу всей системы. Подобные эффекты отмечались в ходе военных конфликтов в ряде стран и впоследствии вызывали серьезные осложнения межгосударственных отношений с поставщиками такого оружия.

С развалом Советского Союза многие типы интегральных микросхем малой и средней степени интеграции были сняты с производства ввиду нерентабельности, вследствие чего появилась так называемая «проблемная» элементная база.

Это относится, кстати, не только к военной технике. Повальное увлечение отечественных банкиров, энергетиков, нефтяников, а также некоторых структур государственной власти закупкой «под ключ» импортных автоматизированных систем управления не менее опасно с точки зрения безопасности.

Второй способ заключался в восстановлении производства морально устаревшей элементной базы или ее замены на более современные и еще не снятые с производства аналоги. Первые же примеры использования данного способа показали его экономическую неэффективность и техническую неоправданность.

Экономическая неэффективность связана с тем, что замена устаревшей и не выпускаемой элементной базы на новую серию требует дорогостоящего перепроектирования типовых элементов замены (ТЭЗ) и переработки печатных плат под микросхемы другой серии.

Это требует разработки практически заново функциональных и принципиальных схем, полной переработки тестов функционального контроля, новой организации настройки и повторного испытания аппаратуры, перевыпуска обновленной конструкторской и технологической документации и т.д.

Техническая нецелесообразность связана с тем, что количество комплектующих в этом случае остается практически на прежнем уровне. Следовательно, на прежнем уровне остаются и эксплуатационные характеристики изделий, в том числе их надежность. При этом следует отметить, что чаще всего микросхемы, выпуск которых возобновляется, обладают худшими характеристиками, чем ранее. Это неисправимо и связано с целым рядом объективных и субъективных факторов, обсуждать которые сейчас мы не будем. Однако на практике применение «возобновленных» микросхем приводят к серьезному ухудшению боевых и эксплуатационных характеристик ВВСТ.

Таким образом, финансовые и производственные затраты на возобновление производства «старых» комплектующих не приводят к улучшению технических и эксплуатационных характеристик РЭА.

Представляется, что единственным оправданным выходом из сложившейся кризисной ситуации может быть внедрение технологии виртуальной элементной базы на основе использования «систем-на-кристалле» (см. «ВКО» №№ 1, 2, 4 за 2006 г.).

Основной базовой операцией технологии виртуальной элементной базы является операция «свертки», которая предполагает интеграцию комплектующих, реализованных на устаревшей элементной базе, в кристалл с более высокими технологическими нормами. «Свертка» может включать несколько уровней.

«Свертка» первого уровня включает замену ранее установленных в типовой элемент замены (ТЭЗ) интегральных микросхем малой степени интеграции и других дискретных элементов на СБИС с сохранением типоразмера ТЭЗ и базового разъема, посредством которого ТЭЗ сопрягается с аппаратурой более высокого конструкционного уровня иерархии (например, в блок, пульт или стойку).

Осуществление «свертки» РЭА первого уровня полностью восстанавливает ресурс ТЭЗа с уже более высокими показателями надежности, что позволяет значительно продлить срок службы морально не устаревших образцов ВВТ.

Следует обратить внимание на тот факт, что при осуществлении «свертки» первого уровня не требуется дорогостоящей переработки конструкции, кабельных разводок, интерфейса и соответствующей конструкторской, рабочей и эксплуатационной документации модернизируемой РЭА.

В исключительном большинстве случаев «свертка» первого уровня предполагает, что вся конструкция остается прежней, но на плате, в ячейке, блоке или любом другом объекте сам ТЭЗ вместо большого количества комплектующих элементов будет включать один или несколько кристаллов в виде БИС или СБИС.

Другими словами, новые комплектующие, а именно специализированные БИС и СБИС, остаются смонтированными в старые конструктивы (платы, блоки, стойки, шкафы). При этом площадь таких конструктивов значительно высвобождается.

Технология виртуальной элементной базы предполагает, что «свернутая» в БИС и СБИС аппаратура оформляется в виде IР-блоков (Intellectual Property - интеллектуальная собственность) и включается в библиотеку фрагментов схем разработчика РЭА. В результате осуществления последовательных «сверток» библиотека фрагментов схем постоянно расширяется и может быть использована в качестве некоторых стандартных элементов (комплектующих) для дальнейших «сверток».

Таким образом, отличительной чертой технологии виртуальной элементной базы или одним из основных составляющих этой технологии является наличие развитой и постоянно пополняющейся библиотеки IР-блоков.

Недостатком «свертки» первого уровня является то, что свернутая аппаратура (вновь спроектированные специализированные БИС и СБИС) остаются в окружении старых конструктивов (плат, блоков, стоек, шкафов), причем в этих конструктивах высвобождается значительная площадь.

«Свертка» второго уровня устраняет указанный недостаток и предполагает дальнейшую «свертку» БИС и СБИС, полученных в результате «свертки» 1-го уровня и оформленных в виде IР-блоков, в один кристалл. В результате изменяется конструкция РЭА (замена шкафа на блок а, возможно, шкафа на плату).

Использование более глубокой интеграции элементов в кристалле субмикронных или нанотехнологий при «свертке» РЭА второго уровня может существенно изменить облик модернизируемых образцов ВВСТ и повысить их мобильность (например, стационарные образцы ВВСТ сделать возимыми, а возимые – сделать носимыми при существенном улучшении их тактико-технических характеристик).

Появляется возможность всю радиоэлектронную аппаратуру образца ВВСТ разместить на одном кристалле (например, приемный тракт РЛС, навигационный приемник или навигационно-связной терминал и т.д.).

Следует отметить, что при реализации субмикронных и нанотехнологий для проектирования СнК возможность внедрения «закладок», способных заблокировать аппаратуру, резко возрастает, причем обнаружить такую «закладку» в СнК практически невозможно.

Однако этого не нужно опасаться, если разработчиками СнК являются отечественные фирмы, поскольку даже если серийное производство таких кристаллов поручается иностранному предприятию, то его возможности внедрения в кристалл каких-либо новаций практически равны нулю.

«Свертка» 1-го уровня может проводиться поэтапно и многократно, причем количество этапов зависит от состояния морального старения образца ВВСТ и экономических возможностей заказчика. В первую очередь сворачивается та аппаратура, которая включает проблемную элементную базу, т.е. морально устаревшие комплектующие, выпуск которых прекращен или существенно ограничен и будет прекращен в ближайшем будущем, или импортную элементную базу.

Второй уровень «свертки» может привести к созданию нового образца вооружения. Для осуществления «свертки» 2-го уровня не требуется больших капиталовложений и временных затрат. При ее осуществлении можно полностью использовать результаты проведения «сверток» 1-го уровня.

Технология виртуальной элементной базы существенно отличается от практиковавшейся ранее частичной или полной замены устаревшей элементной базы.

Во-первых, замена большого количества комплектующих на одну или несколько СБИС уменьшает в сотни раз количество межсоединений, что приводит к существенному повышению надежности аппаратуры.

Во-вторых, сокращение числа микросхем на плате до одной или нескольких БИС или СБИС при использовании современных технологий их проектирования и изготовления позволяет, как минимум, на порядок снизить потребляемую ими мощность.

В-третьих, замена большого количества комплектующих на одну-две СБИС при незначительной конструкторской доработке может значительно уменьшить массогабаритные характеристики аппаратуры.

В-четвертых, возможность полного сохранения интерфейса печатной платы, или иного типового элемента замены, позволяет осуществить замену устаревшей элементной базы на современную в максимально сжатые сроки.

И, наконец, замена относительно большого количества размещенных на плате микросхем и других комплектующих на одну или несколько СБИС экономически выгодна.

Технология виртуальной элементной базы – это новый экономически оправданный путь разработки, производства и постоянного совершенствования РЭА для эксплуатируемых, модернизируемых и перспективных образцов ВВСТ. Она позволяет решить ряд сложных проблем, связанных с обеспечением требуемых технико-экономических характеристик РЭА в течение всего срока эксплуатации, существенно повысить тактико-технические характеристики образцов ВВСТ и, в конечном итоге, продлить сроки службы или жизненный цикл эксплуатируемых и морально не устаревших образцов ВВСТ.

Внедрение технологии виртуальной элементной базы в РЭА может осуществляться на различных этапах жизненного цикла образцов ВВСТ.

Для эксплуатируемых образцов ВВСТ применение технологии виртуальной элементной базы и, в частности многоэтапных «сверток» первого уровня, позволяет: выровнять диспропорцию морального старения элементной базы РЭА и эксплуатируемого образца ВВСТ; решить проблему поддержания требуемых технико-экономических и эксплуатационных характеристик в течение всего срока эксплуатации; существенно упростить техническое обслуживание РЭА; решить проблему формирования и поддержания ЗИП в требуемых количествах.

Кроме того, что наиболее важно, проведение «сверток» первого уровня естественным образом за счет внедрения более высоких технологий приводит к существенному повышению тактико-технических характеристик образцов ВВСТ, их эволюционному развитию и совершенствованию (происходит как бы «скрытая» или «латентная» модернизация образца). Этот факт, в свою очередь, приводит к существенному продлению жизненного цикла ВВСТ.

Применение технологии виртуальной элементной базы позволяет решить проблему поддержания требуемых технико-экономических и эксплуатационных характеристик в течение всего срока эксплуатации и существенно упростить техническое обслуживание РЭА.

Для модернизируемых систем вооружения применение технологии виртуальной элементной базы и, в частности операции «свертки» второго уровня, может существенно изменить облик системы вооружения и привести к созданию совершенно нового по своим тактико-техническим характеристикам образца ВВСТ.

Другими словами, технология виртуальной элементной базы дает возможность эволюционным путем создать новый образец ВВСТ, который по своим тактико-техническим характеристикам существенно превосходит исходный.

Для перспективных, вновь разрабатываемых образцов ВВСТ применение технологии виртуальной элементной базы позволит существенно сократить сроки разработки и экономические затраты, устранить сложные проблемы, связанные с поддержанием требуемых высоких технических и эксплуатационных характеристик в течение всего срока эксплуатации ВВТ.

Таким образом, применение технологии виртуальной элементной базы – это не только путь поддержания высоких технико-экономических и эксплуатационных характеристик ВВСТ, но и путь существенного продления их жизненного цикла, эволюционный путь создания новых образцов ВВСТ.

Временная диаграмма проектированияи производства СнК
ОБОЗНАЧЕНИЯ:
Т – время проектирования и производства СнК в относительных единицах;
С – стоимость проектирования и производства СнК в относительных единицах;
1 – этап проектирования, включающий системный, логический и топологический уровни проектирования;
2 – непосредственно этап производства опытных образцов СнК на независимой полупроводниковой фабрике;
3 – заключительный этап проектирования СнК, включающий тестирование конечного продукта.
Тонированием выделены этапы проектирования, выполняемые дизайн-центром

Технология виртуальной элементной базы в первую очередь ориентирована на сокращение сроков разработки, уменьшение риска ошибок, исключение возможности несанкционированных «закладок» и итераций перепроектирования СБИС и СнК. Инфраструктура технологии виртуальной элементной базы совпадает с инфраструктурой разработки и производства специализированных СБИС и СнК, (полупроводниковые фабрики, полупроводниковые дизайн-центры, компании автоматизации проектирования), однако перечень задач, решаемых дизайн-центром и полупроводниковой фабрикой, существенно перераспределяется, сложность задач возрастает. Изменяется и содержание отдельных этапов маршрута проектирования.

Рассмотрим основные задачи организации работ по созданию технологии виртуальной элементной базы для разработки РЭА образцов ВВСТ.

Технология применения виртуальной элементной базы требует тесного взаимодействия разработчиков РЭА и элементной базы. Высокие возможности современной технологии проектирования специализированных СБИС и СнК приводят к их высокой архитектурной сложности, что и обеспечивает возможность реализовать РЭА полностью на нескольких специализированных СБИС или на СнК.

Это обстоятельство приводит к тому, что при создании СБИС и СнК разработчики РЭА неизбежно становятся непосредственными участниками проектирования кристаллов, поскольку только они точно знают, что должно получиться «на выходе».

С другой стороны, и проектировщики элементной базы должны обладать определенными системными знаниями, причем, чем глубже будут эти знания в конкретной прикладной области, для которой разрабатывается элементная база, тем более качественной будет проектируемая виртуальная элементная база.

Разработчики РЭА для создания технологии виртуальной элементной базы должны привлекать специализированные полупроводниковые предприятия, в последнее время получившие название дизайн-центров.

Для обеспечения качественной разработки такие дизайн-центры должны обладать опытом производства больших, сверхбольших интегральных микросхем и систем-на-кристалле и иметь системные знания в предметной области разработчика РЭА. Очевидно, что взаимоотношения между разработчиками РЭА и элементной базы должны быть настолько тесными, что представляется логичным иметь дизайн-центры в составе организаций - разработчиков РЭА. Необходимость включения дизайн-центров в состав разработчиков РЭА диктуется также следующими обстоятельствами.

Во-первых, только специализированные дизайн-центры могут создать библиотеку фрагментов функционально законченных узлов РЭА эксплуатируемых и разрабатываемых образцов ВВСТ и постоянно ее наращивать при осуществлении очередных этапов обновления устаревшей элементной базы. Именно наличие библиотек дизайн-центров, выполненных в виде IР-блоков и HDL-описаний (HDL – Hardware Description Language, язык описания аппаратных ресурсов) фрагментов схем, независимых от непосредственных производителей интегральных микросхем, дают возможность существенно сократить сроки последующих этапов модернизации РЭА и своевременной замены устаревшей элементной базы. Кроме того, наличие развитых библиотек IР-блоков и HDL-описаний может существенно сократить затраты на разработку РЭА перспективных образцов ВВСТ.

Во-вторых, основные затраты (финансовые и временные) на проектирование и производство опытных образцов СБИС и СнК приходятся на этап проектирования, выполняемый дизайн-центром. Усредненная временная диаграмма процесса проектирования и производства СнК и стоимости основных этапов проектирования и производства, полученная по данным полупроводниковых дизайн-центров разработчиков систем-на-кристалле, приведена на рис. 1.

Из диаграммы следует, что основные затраты на разработку СнК приходятся на этап проектирования (этап 1), непосредственно на долю производства опытных образцов приходится менее 10% суммарных затрат, временные затраты на производство опытных образцов СнК не превышают 3% суммарных временных затрат.

Дизайн-центры, непосредственно проектирующие специализированные СнК, могут не иметь (скорее всего, не должны иметь) собственное полупроводниковое производство, так как это экономически не оправданно. После доведения проекта до топологического уровня проектирования и оформления фрагментов схем в виде IР-блоков, пригодных для повторного использования, дизайн-центры могут по определенным соображениям выбирать независимые полупроводниковые фабрики любых стран из числа существующих для серийного производства проектируемых схем по критерию время-стоимость.

Создание конкурентоспособной РЭА отечественной разработки – одна из первостепенных задач современного этапа развития российского вооружения.

В-третьих, на повестке дня многих государств или, вернее сказать, отдельных ведомств государств (в первую очередь силовых структур) стоит вопрос: в какую конкретно составляющую инфраструктуры проектирования и производства СБИС и СнК (дизайн-центры, полупроводниковые фабрики, центры автоматизации проектирования) следует в первую очередь вкладывать средства, чтобы обеспечить создание конкурентоспособной РЭА отечественной разработки? Естественно, престижно иметь все составляющие, однако это очень дорого и доступно только очень развитым государствам.

На первый взгляд, напрашивается ответ: в полупроводниковую фабрику, так как только фабрика производит и поставляет конечный продукт (СБИС и СнК). Следует учесть, что наиболее дорогостоящая составляющая инфраструктуры проектирования и производства СБИС и СнК – это полупроводниковая фабрика.

Однако приобретение фабрики, не поддержанное разработками дизайн-центров, способных ее загрузить, экономически неоправданно. Опять же, с точки зрения безопасности желательно загрузить фабрику отечественными разработками.

Например, закупка Россией дорогостоящей технологической линии производства СБИС и СнК с проектными нормами 180 мкм пока экономически неоправданна, так как в России практически не осталось системных архитекторов, способных ее загрузить отечественными проектами (в связи с экономическим спадом и развалом СССР наиболее квалифицированные специалисты выехали за пределы России).

Анализ данных рис. 1 позволяет дать более обоснованный ответ: надо инвестировать в создание дизайн-центров. Создать дизайн-центры значительно дешевле по сравнению с полупроводниковой фабрикой, особенно если они создаются не на новом месте и у государства есть соответствующий научно-технический потенциал (хотя кадровый голод, скорее всего, приведет к затяжке этого процесса на годы и годы).

Именно дизайн-центры создают проект СБИС и СнК, включая его топологию. Полученный продукт можно воспроизвести на многих независимых полупроводниковых фабриках мира, причем внедриться в проект на стадии конечного производства без ведома разработчиков практически невозможно.

Таким образом, основу технологии виртуальной элементной базы должны составлять специализированные полупроводниковые дизайн-центры, причем желательно такие центры иметь в составе предприятий-разработчиков РЭА. Они берут на себя практически все этапы проектирования, причем их функции и решаемые задачи значительно расширяются и усложняются по сравнению с традиционными задачами, решавшимися ранее полупроводниковыми центрами и разработчиками электронно-компонентной базы. В частности, только специализированные дизайн-центры способны решить такие сложные задачи как ликвидация проблемной элементной базы и устранение возможности несанкционированных «закладок» в РЭА образцов ВВТ.

Однако не следует забывать, что создание дизайн-центра тоже требует большого объема инвестиций. Кроме того, в условиях повсеместного кадрового голода укомплектовать дизайн-центр системными архитекторами требуемой квалификации будет очень не просто. Поэтому к вопросу создания собственного дизайн-центра нужно подходить крайне взвешенно.

Необходимость существенного сокращения сроков проектирования и экономических затрат на проведение очередного этапа замены устаревшей элементной базы требует такого маршрута проектирования, который бы исключал возможность ошибок проектирования, исключал итерации перепроектирования, предоставлял широкие возможности для повторного использования ранее созданных IР-блоков.

Поэтому маршрут проектирования СБИС и СнК для технологии виртуальной элементной базы должен в обязательном порядке включать этап моделирования и прототипирования проектируемой схемы на программируемых логических интегральных микросхемах (ПЛИС).

Создание ведомственной библиотеки IР-блоков требует решения целого ряда задач, включая: разработку ведомственных стандартов и форматов оформления IР-блоков, их соответствие международным; юридическое оформления прав на интеллектуальную собственность разработанных IР-блоков, СБИС и СнК, включая определение собственника (разработчик РЭА, разработчик элементной базы, их совместная собственность) и обеспечение его исключительных прав и т.д.

Внедрение технологии виртуальной элементной базы в РЭА образцов ВВСТ требует пересмотра ряда позиций, связанных с эксплуатацией РЭА, включая: разработку системы технического обслуживания виртуальной элементной базы; разработку регламентирующих документов проведения регламентных, профилактических и ремонтных работ; разработку регламентирующих документов формирования ЗИП, его поддержания и восстановления при очередной замене устаревшей элементной базы; пролонгирование сроков «старения» элементной базы и ее замены в аппаратуре РЭА и т.д.

Успешное внедрение технологии виртуальной элементной базы требует также соответствующего конструктивного оформления и обоснования выбора типовых элементов замены РЭА. Для РЭА перспективных образцов вооружения должны быть обоснованы и разработаны требования к конструктивному исполнению аппаратуры, типовым элементам замены, обеспечивающие возможность без дополнительных доработок производить при необходимости замену устаревшей элементной базы.

Подводя итог, можно высказать следующие соображения:

1. Ситуация в области создания и применения элементной базы для существующих и разрабатываемых образцов ВВСТ выходит из-под контроля и становится угрозой национальной безопасности страны.

2. Наиболее рациональной основой поддержания отечественной элементной базы и РЭА в целом на уровне лучших мировых стандартов может служить технология виртуальной элементной базы, которая обеспечивает не только гарантию невозможности несанкционированных закладок в РЭА, но и, что более важно, позволяет достичь мирового уровня элементной базы, не проходя последовательно всех этапов ее развития.

3. Технология виртуальной элементной базы – это новый экономически оправданный путь разработки, производства и постоянного совершенствования РЭА для эксплуатируемых, модернизируемых и перспективных образцов ВВСТ, это эволюционный путь создания новых образцов ВВТ и существенного продления их жизненного цикла.

4. В настоящее время в России наметились лишь первые попытки внедрения технологии виртуальной элементной базы в образцы ВВСТ, однако затягивание ее внедрения может привести к непоправимым последствиям.