stalh (stalh) wrote,
stalh
stalh

Categories:

Дураки, дороги и микроэлектроника

Оригинал взят у leprosorium в Дураки, дороги и микроэлектроника
http://leprosorium.livejournal.com/

Министерство Нановсего им. Чубайса слёзно поддерживает!
Общеизвестно, что у Российской космической индустрии есть 3 проблемы: дураки, дороги и микроэлектроника.
И если о дураках и дорогах в больничке понаписано немало, то о микроэлектронике известно существенно меньше.

Простыня инсайде — о том как работает микроэлектронное производство, какие сложности в космических микросхемах, сколько стоит свой процессор сделать, почему Intel может а мы нет, что сейчас производят в России, о вселенском раздолбайстве на пол миллиарда евро и частичке широкой русской души — в каждом процессоре AMD.

КДПВ — мой палец и кристалл советского процессора КР580ИК80А (в отрочестве КР580ВМ80А), произведённого в Апреле 1982 года (вопреки всеобщему убеждению — это оказался не клон Intel i8080/i8080A)

Как же работает микроэлектронное производство и сколько все это стоит?
Транзисторы на кремниевой пластине рисуются с помощью фотолитографии, с помощью аппаратов называемых степперами или сканерами. Они печатают уменьшенное в 4–5 раз изображение маски (стеклянной пластинки с рисунком микросхемы, размер примерно 10x10см) в точно заданных местах. Операцию печати рисунка (с разными масками) нужно повторить от ~10 (для самых простых и старых микросхем) до ~40 раз чтобы сформировать все нужные слои на микросхеме (начиная от самих транзисторов, и заканчивая 2–10 слоями металлических соединений). Между операциями фотолитографии пластины подвергаются различной обработке — их греют в печке до 1100 градусов, травят в растворах и плазме. На выходе остаётся пластину разрезать на отдельные кристаллы, протестировать и поместить в корпус. "Крутость" технологии измеряют размером минимального рисуемого элемента (в 32нм технологии — транзистор не 32нм, он минимум вдвое больше). Понятно что чем меньше транзисторы — тем быстрее работает микросхема, и больше кристаллов влезет на пластину (но не везде нужна максимальная скорость).

По цене — разработка собственно схемы микросхемы получается недешёвым мероприятием, лицензия софта на одно рабочее место — от 20'000 до 500'000$ в год, ну и инженеру нужно какие–то деньги тоже платить. Можно конечно и воровать, но за этим все вокруг следят. Далее — изготовление масок. Они не должны иметь ни одного повреждения, и их изготовление обходится очень дорого: от ~5'000$ для микросхем на 1000нм, ~100'000$ для микросхем на 180нм и до ~5'000'000$ для микросхем на 32нм. А ведь микросхема с первого раза скорее всего не заработает — и после нахождения ошибки маски придётся переделывать. Частично с этой проблемой можно бороться размещая тестовые микросхемы от многих заказчиков на одном наборе масок — тогда все получат по чуть–чуть тестовых микросхем за 1/3–1/10 цены полного набора масок.

Каждая произведённая пластина стоит от 100–400$ для старых технологий на 1000нм, до ~5000$ для самых современных. Тут также важно помнить и о размере пластин: самые современные производства сейчас работают с пластинами диаметром 300мм — они по площади примерно вдвое больше пластин на 200мм, а последние примерно вдвое больше ещё более старых 150мм. Пластины большего размера позволяют получать микросхемы меньшей стоимости при большИх заказах т.к. количество телодвижений для изготовления 100 пластин примерно одинаковое, независимо от диаметра.

Таким образом, получается что для того, чтобы разработать и запустить в производство более–менее современный процессор на 32нм — нужно достать из кармана и положить _минимум_ 10–15 млн$ (это только на производство). Если процессор у нас получился площадью 200мм2, пластины 32нм / 300мм по 5000$, то с пластины у нас получится 706.9/2 = 350 кристаллов, из которых работать допустим будет 300. Т.е. себестоимость кристалла — 16.6$, 20$ после корпусировки. И вот теперь нам нужно отбить наши затраты на маски и разработку — а для этого нужно кому–то продавать миллионы этих процессоров. В этом основная проблема микроэлектроники — окупается только производство с миллионными тиражами. Интелу есть кому продавать миллионы микросхем, а нам пока нет. Китай — решил проблему по своему, они решили во все школы поставить компьютеры со своими процессорами и Linux — и проблема с объёмами решена.

А в чем сложность с микросхемами для космоса?
В космосе несколько проблем: по мере облучения космической радиацией параметры транзисторов постепенно "уплывают", и микросхемы разработанные без учёта этого эффекта после набора относительно небольшой дозы могут перестать работать, или работать с большой погрешностью (в случае аналоговых микросхем). Далее — в цифровых схемах могут быть случайные ошибки, проходящая заряженная частица может изменить содержимое памяти (это возможно и на земле, но шанс на порядки ниже) — с этим борются использую коды коррекции ошибок. Но это все ещё цветочки. Самая печальная проблема — тяжёлые заряженные частицы (ТЗЧ) и эффект тиристорной защёлки — когда такая ТЗЧ проходит через обычную микросхему — из–за особенностей работы обычных микросхем возникает короткое замыкание между + и — питания микросхемы — и микросхема просто сгорает. Если ток ограничен, то работоспособность схемы может быть восстановлена если кратковременно отключить питание — но человека на спутнике нет, и если такое автоматическое "передёргивание" питания не сделано — то это конец всему. Именно это произошло на Фобос–грунт по официальной версии.

Бороться с этой проблемой можно используя не обычные кремниевые пластины, а кремний на сапфире — они весьма дороги (раз в 20–50 дороже обычных), и обрабатывать их сложно (гнётся при нагреве, легко разбить). А все микросхемы, сделанные по этой технологии — так просто в магазине купить нельзя (в том числе и за границей). Поскольку все Российские заводы ориентируются на оборонку — все они умеют работать с сапфировыми пластинами. Есть и вариант для бедных — так называемая triple well — которые делают на обычных кремниевых пластинах. По этому пути любят идти на западе. Так что за ваши деньги — любой каприз.

А почему военные и космические микросхемы в металло–керамических корпусах?
Этот вопрос волновал и меня. От радиации они не защищают — очень уж большие энергии космического излучения. Оказалось, пластиковые корпуса не выдерживали испытания термоциклированием — теряли герметичность и прочность. Керамические корпуса перепады температуры выдерживают намного лучше. Ну и керамический корпус осложняет задачу изготовления контрафактных микросхем — что немаловажно, в свете недавнего скандала с китайским леваком в американской военной технике.

А сколько стоит завод построить?
Стоимость современного завода подбирается к отметке 5 млрд$. Такая сумма получается потому, что стоимость лицензий (и некоторых других фиксированных расходов) не особо зависит от объёмов производства — и выгодно иметь большие производства, чтобы они "размазывались" по бОльшему объёму продукции. А каждый современный сканер (который собственно рисует эти 22–32нм детали) стоит 60–100млн $ (на большом заводе их может быть пара десятков). В принципе, 5млрд — не такие большие деньги в масштабах страны. Но естественно, никто не потратит 5 млрд без чёткого плата по возврату инвестиций. А ситуация там такая — несмотря на всю сложность индустрии, только монополисты работают с видимой прибылью (TSMC, Intel, Samsung и немногие другие), остальные еле сводят концы с концами. Это просто не укладывалось у меня в голове — как же так, вкладывать миллиарды, и едва–едва их отбивать? Оказалось, все просто — по всему миру микроэлектроника жесточайше дотируемая отрасль — заводы постоянно выклянчивают освобождение от налогов, льготные кредиты и демпингуют (в Китае пошли ещё дальше — SMIC заводы строит за государственный счёт, и потом ими "управляет"). В результате денег тут заработать крайне сложно (без монополии и без дотаций).

Это похоже поняли и в России — и проекты больших микроэлектронных заводов пока отложили, и строят маленькие производства — чтобы если и терять деньги, то терять их мало. А даже 3000 пластин в месяц, производимых на Микроне — это с головой покрывает объёмы потребления билетов Метрополитена и оборонки (кристалл билета метро имеет размеры 0.6x0.6мм, на одной 200мм пластине получается 87'000 билетов в метро).

Вопреки расхожему мнению, особых ограничений на продажу оборудования для микроэлектроники в Россию нет — на поправку Джексона — Вэника в США ежегодно накладывается президентский мораторий, и нужно только получать экспортное разрешение. Сами производители оборудования кровно заинтересованы заработать побольше денег, и сами пинают со своей стороны выдачу разрешений. Но естественно, без денег никто ничего не делает. Так что опять, за ваши деньги — любой каприз.

А сколько нанометров нужно для счастья?
Многим кажется — вот, у Intel–а 22нм, а у нас 90нм — как безнадёжно отстала "сраная Рашка", подайте трактор… Но есть и другая сторона медали: посмотрите например на ту же материнскую плату: там сотни полупроводниковых приборов — MOSFET–ы, драйверы, микросхемы питания, всякая вспомогательная мелочь — почти для всех из них хватает и 1000нм технологии. Лишь чипсет и процессор требуют изготовления по относительно тонким нормам. Вся промышленная электроника, и микросхемы для космоса и военных — это практически в 100% случаев технологии существенно толще 180нм. Таким образом, самые последние технологии нужны лишь для центральных процессоров (которые делать очень сложно/дорого из–за высоких рисков и высокого порога выхода на рынок), и различных жопогреек (айфонов и проч). Если вдруг случиться война, и Россия лишиться импорта — без жопогреек прожить можно будет, а вот без промышленной, космической и военной электроники — нет. Т.е. по факту мы видим, что критичные для страны вещи делают в России, а то, без чего можно прожить — импортируем.

Есть и другие факторы — та же стоимость масок. Если нам нужно сделать простую микросхему, то делать для её изготовления по 32нм маски стоимостью 5 млн $ — может быть выгодно если эту микросхему потом производить тиражом в 100–500 млн копий. А если нам нужно всего 100'000 микросхем — выгоднее экономить на масках, и выпускать микросхему по самой "толстой" технологии. Кроме этого, на микросхеме есть контактные площадки, к которым подсоединяются выводы микросхем — их уменьшать некуда, и следовательно, если площадь микросхемы сравнима с площадью контактных площадок — то делать микросхему по более тонкой технологии также нет смысла.

В результате — подавляющее большинство микросхем в мире делается по "толстым" технологиям (350–500нм и толще), и миллиарды микросхем уходящие на экспорт с Российских заводов — вполне себе востребованы и продаются.

Ну и наконец, американский F–22 Raptor до недавнего времени летал на процессоре Intel 960mx, разработанного в 1984–м году, и производство в США тогда было по нормам 1000–1500nm — никто особо не жужжал о том, что американцы просрали все полимеры (хотя ладно, немного жужжали).

Так на сколько же лет мы отстаём?
Я построил график по следующей схеме: год отставания считается с момента появления более тонкой технологии у конкурентов.
Например, с 2012 года в России есть 90нм — а в США следующая технология (65нм) есть с 2006–го года, следовательно отставание в 7 лет (2012–2006+1).
Синяя линия — отставание от США и их союзников, красная — от Китая.

Таким образом, видно что отрыв существенно сократился в последние годы, но с другой стороны — мы технологически отстаём и от Китая, так что ёрничать об отсталых Китайцах пожалуй уже не стоит.

А теперь пробежимся по заводам, и посмотрим где что есть:
Микрон — в настоящее время флагман российской микроэлектроники. В 2007–м году перерезали ленточку на 180нм линейке, производство заработало в конце 2009–начале 2010. Но не стоит тут говорить о тупорылости — причина сего действия в Российском налоговом законодательстве: при ввозе оборудования платится НДС, а при запуске производства — НДС возвращается. Поэтому стараются производство "запустить" как можно раньше, чтобы не платить лишние проценты банку, пока НДС лежит у государства.

С 2012 года — поставили дополнительное оборудование, чтобы можно было 90нм делать. Работающих продуктов на 90нм пока не видно, но в этом году должны быть.

Ангстрем — "старый" ангстрем с начала 2000–х имеет технологию 600нм, со всеми вкусными (и дорогими) для военных плюшками вроде кремний–на–сапфире. Объёмы производства большие, большая часть продукции идёт на экспорт (продаётся само собой не под торговой маркой Ангстрема).

Ангстрем–Т — "новый" Ангстрем–Т со старым "Ангстремом" сейчас связывает лишь название. Идея была интересная — купить у AMD готовую линейку на 130нм мощностью 14'000 пластин в месяц (в 4.5 раза больше, чем сейчас микрон делает), и начать делать всякие полезные специализированные процессоры. Кредит ВЭБ выдал (815млн евро) в 2008–м году, AMD перевели ~340 млн евро за лицензию на технологию и оборудование (некоторые считают, что цена была завышена). Для того, чтобы не платить НДС в Европе, решили покупать через Кипрскую офшорную компанию. Внезапно ©, сразу после перевода денег, но до начала строительства закончились деньги на выплаты процентов кредита ВЭБ–у. Оборудование осталось за границей — часть непосредственно на заводе AMD в Германии, часть на спец–складе в Нидерландах (за склад платятся деньги само собой). Ввезти в Россию его теперь нельзя — т.к. нужна куча денег чтобы НДС заплатить при пересечении границы. На этом все и остановилось, и с 2008–го года видимого продвижения никакого нет.

Оборудование не работает и стареет. С одной стороны рука тянется к пистолету. С другой — возможно и в банке увидели, что коммерческой отдачи получить тут было бы сложно, и банк таким образом сэкономил ~815–340 = 475 млн евро. В конечном итоге, Россия помогла AMD спихнуть старое оборудование по хорошей цене (затратив при этом минимальное возможное количество денег на лишние налоги), так что покупая процессор AMD вам теперь должно быть приятно.

При обсуждении с одним из непосредственных участников проекта пришли к выводу, что причина провала проекта — редкое сочетание дураков и дорог.

Интеграл — с недавних пор запустил 350нм 1000 пластин в месяц. Также у них есть своё производство своих кремниевых пластин для этой линейки.

НИИСИ РАН — мелкосерийная линия на 500нм и 350нм. Занимаются только военными и космическими микросхемами, никаких подробностей нет.

Помимо этого, есть целая куча производств с нормами толще микрона (1000нм) — но их слишком много, чтобы тут перечислять. Делают относительно простые микросхемы и дискретные элементы (те же силовые MOSFET–ы и диоды).

В ближайшие годы запусков нового производства не планируется. На запуск Ангстрема–Т в ближайшие 2–3 года также надежды мало.
Но в целом, на данный момент российская микроэлектроника может производить абсолютно любую электронику — но конечно цикл разработки занимает время и деньги.

Поэтому когда человек, ответственный за Фобос–грунт говорит, что он упал "потому что Российская микроэлектроника не выпускает микросхему ХХХ и мы вынуждены были поставить импортную наземную микросхему" — это нужно понимать так : "Мы поленились заказать и включить в бюджет разработку нужной нам микросхемы. Мы не виноваты!"

А какие микросхемы все это производит?
Из наиболее знаменательного в гражданской сфере — ARM микроконтроллеры Milandr–а, продаются по сравнимой с импортными аналогами цене (100–300 рублей штука). Помимо этого, куча специализированных процессоров и DSP для космоса и военной техники — Мультикор, Элвис, тот же Эльбрус. В целом, номенклатура реально большая. Список радиодеталей разрешённых для применения в военной технике читать можно наверное целый день — и все это производится на отечественных заводах.

Большая часть гражданской продукции — экспортируется прямо в виде пластин, и продаётся по всему миру уже компаниями–покупателями под своими торговыми марками.

Разбить рассказ на 20 комментов я не смог, так что вниз можно не скроллить Вопросы и комментарии — пишите.

Написал чебурирующий BarsMonster, 17.07.2012

Subscribe

  • т 34 коробка передач

    Как вы наверное знаете коробка перемены передач была на Т34 больным местом Всегда подозревал, хотя и не знал наверняка, что проблема решилась…

  • Колхозники и крепостные сходства и отличия

    Так и при крепостном праве можно было вольную получить так что тут различий особых нет, идешь к управляющему барина или к председателю колхоз…

  • Колхозники и крепостные сходства и отличия

    Так и при крепостном праве можно было вольную получить так что тут различий особых нет, идешь к управляющему барина или к председателю колхоз…

promo stalh april 27, 09:43 5
Buy for 50 tokens
Вековая отсталось повальная неграмотность, соха, лапти так обычно характеризуют РИ отечественнные историки донашивающие советские короткие штанишки, как отсталая и лапотная повально неграмотная могла дать столько имен и открытий мирового значения? Люди русской науки. Том 1 Эта книга - первая…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments