CC BY
143Компоненты и технологии, № 5'2005
Состояние и стратегия совместного развития
отечественной микроэлектроники и радиоэлектроники
Отечественная микроэлектроника на пороге клинической смерти.
Принятый правительством России несколько лет назад документ «Основы государственной политики РФ в области создания электронной компонентной базы на период до 2010 года» до сих пор не выполнен ни по одному пункту. Что же необходимо сделать, чтобы вывести эту стратегически важную для страны отрасль промышленности из комы?
Владимир Евстигнеев, д. т. н., профессор, лауреат Государственной премии СССР
вн
данной статье под «микроэлектроникой» понимается промышленность, производящая микросхемы. Термин «радиоэлектроника» обозначает отрасль, производящую конечную продукцию, комплектующие и установочные изделия [1].
О плачевном состоянии отечественной микроэлектроники и радиоэлектроники в последние несколько лет не высказывается только ленивый. Так, в интервью журналу «Электроника: НТБ», опубликованном в № 4 за 2004 год, бывший генеральный директор РАСУ В. Симонов сказал следующее:
«Я не утверждаю, что отечественная электроника как отрасль промышленности в коме, а просто констатирую факт. Ведь в области развития электронной техники в стране не делается ничего. Если пять лет назад отрасль электроники пребывала в стагнации и еще можно было что-то предпринять, то сегодня процесс принял необратимый характер... К сожалению, никак не удавалось убедить Минфин в необходимости конкретного финансирования того или иного уже принятого всеми другими ведомствами проекта. И это несмотря на постановления правительства о выделении средств или гарантий. Документ «Основы государственной политики РФ в области создания электронной компонентной базы на период до 2010 года». не выполнен практически ни по одному пункту».
Ему вторит Ю. Герасимов: «Имеющееся на микроэлектронном предприятии самое передовое оборудование в лучшем случае соответствует середине 80-х годов прошлого века, то есть отстает от мирового уровня на 20 и более лет. Для микроэлектроники, развивающейся в последние годы семимильными шагами, это бесконечная пропасть. Сможет ли российское государство признать эту пропасть и найти пути ее преодоления?» [1].
Другой автор утверждает: «Сейчас в России производство компонентной базы, в первую очередь изделий микроэлектроники, практически отсутствует..., отставание в области микроэлектроники чревато полной потерей конкурентоспособности всех отраслей промышленности... Особая роль принадлежит электронике в авиационной и авиакосмической отраслях. Отсутствие сверхбыстрых специализированных компьютерных систем делает бессмысленными любые традиционные системы вооружения,
а по мере развертывания космических систем противоракетной обороны — и ядерные. Электронные и оптоэлектронные компоненты и системы питают и другую стратегическую многомиллиардную отрасль мировой экономики — телекоммуникации... Государству следует установить приоритет воссоздания мощной электронной промышленности и АБСОЛЮТНУЮ приверженность этой концепции» [2].
С позиций высоких технологий и безопасности следующий автор делает еще более смелые утверждения: «Можно понять правительство, когда оно экономит на социальных сферах государства. Нельзя понять, но можно объяснить, почему не предпринимается ничего для развития высокотехнологичных отраслей экономики страны. В России же «реформаторы» уже больше десятилетия повторяют давно протухшие заклинания, что «рынок все сам отрегулирует», уничтожая при этом целые отрасли. Бешеные прибыли от нефтедолларов не просто собираются в «стабилизационном фонде», а вкладываются в ценные бумаги других стран, причем с большим риском и меньшей перспективой, чем это было бы при их вложении в развитие собственных высоких технологий, которые задыхаются от нехватки средств и отсутствия реального стимулирования их деятельности. Этот факт лишний раз подтверждает предательство «экономическим блоком» правительства интересов национальной безопасности России» [3].
В статье А. Фрунзе [4] утверждается, что без целенаправленной государственной инвестиционной политики в отношении отечественной промышленности возрождение отечественной микроэлектроники невозможно. В подтверждение этого приводятся данные об удручающем состоянии рынка микроэлектроники и радиоэлектроники: радио и бытовых телефонов — 95% импорта, средств связи — 95% импорта, систем безопасности — 95% импорта, средств вычислительной техники — 98% импорта. К этому можно добавить, что и радиоэлектроника российских систем вооружений и военной техники (В и ВТ) не менее чем на 90% состоит из импортной электронной компонентной базы (ЭКБ).
Б. Малашевич [5] оценил развитие вычислительной техники как очередной кризис, потому что «...остро встает проблема безопасности. Об этом еще да-------www.finestreet.ru------------------------
Компоненты и технологии, № 5'2005
леко не достаточно говорят, но для России это проблема национальная. Применение зарубежной электроники в стратегически важных системах таит в себе огромную потенциальную угрозу. Современный уровень микроэлектроники, когда в кристалле одной интегральной схемы содержатся миллионы транзисторов, функционально законченные устройства и системы, обеспечивает и возможности введения диверсионных «закладок». Компьютер с такой «закладкой» может многие годы прекрасно работать, а «закладка» будет спать. Но в нужный кому-то момент по сигналу извне (Интернет, радиосигнал и т. п.) она просыпается и творит с системой все, что захочет ее хозяин. Обнаружить такие «закладки» практически невозможно. Эта задача по силам только мощнейшим в мире микроэлектронным фирмам, стоимость такой операции соизмерима со стоимостью создания исследуемой микросхемы, при обилии номенклатуры таких микросхем задача становится непосильной для экономики любой страны. В настоящее время никто не может дать гарантии, что в компьютерах Генштаба, Банка России, правительства, Федерального собрания и других стратегически важных органов не «спят» «закладки» и что они не проснутся в самый неподходящий для страны момент. Выход только один — в создании отечественных изделий микроэлектроники и стратегически важных систем на их основе. Только здесь процесс можно полностью контролировать и исключить появление «закладок». Но поскольку технологически мы отстаем от зарубежной микроэлектроники, необходимо привлекать другие средства повышения эффективности систем».
Несмотря на убийственную справедливость приведенных высказываний, очень хочется думать, что все не так уж и плохо в нашем Отечестве, хочется видеть некоторые положительные тенденции в научно-технической политике нашего государства. Думается, что здесь еще не все потеряно. Ведь всем известно, что основную долю нашего экспорта составляют высокотехнологичные системы вооружений, в составе которых имеются сложнейшие электронные системы, выполненные, к сожалению, в основном на изделиях импортной микроэлектроники. Причем в большинстве своем эти электронные системы разработаны отечественными специалистами и изготовлены на отечественных приборостроительных предприятиях. Даже для комплектования вооружений российской армии высокоинтеллектуальными электронными системами в настоящее время действует доктрина импортозамещения из трех составляющих [6]:
1. Стратегические вооружения, где возможно использование ЭКБ только отечественного производства.
2. Вооружения, где допускается применение ЭКБ иностранного производства, но с обязательной последующей заменой на отечественную.
3. Изделия, где разрешается по согласованию с заказчиком использовать ЭКБ иностранного производства.
В соответствии с принятым определением термина ЭКБ пункт 1 доктрины импортозаме-
----------------------www.finestreet.ru -
щения должен быть уточнен — он должен содержать ссылки на соответствующие перечни классов и типов комплектующих изделий иностранного производства, разрешенных к использованию в РЭА военного применения.
В соответствии с принятым определением термина ЭКБ пункт 2 доктрины импортоза-мещения должен быть уточнен с учетом предлагаемой редакции пункта 1.
Пункт 3 доктрины импортозамещения также в соответствии с вышеизложенным должен быть уточнен.
При разработке и производстве РЭА по данной доктрине возникает большое количество проблем, обусловленных:
• недостаточным нормативно-методическим обеспечением использования и согласования ЭКБ иностранного производства и последующей замены ее на отечественную ЭКБ;
• отсутствием ОСТов и ГОСТов, регламентирующих разработку, производство, испытания, постановку на вооружение РЭА с использованием ЭКБ отечественного и иностранного производства;
• отсутствием официально утвержденного перечня ЭКБ, установочных изделий и материалов иностранного производства, разрешенных к использованию в РЭА военного применения;
• отсутствием методики технико-экономического обоснования использования ЭКБ и иных изделий иностранного производства в РЭА военного применения;
• отсутствием оценки степени угрозы безопасности России от чрезмерного увлечения использованием ЭКБ иностранного производства в важнейших государственных секторах. В России за последние 10 лет в области разработки и воспроизводства микроэлектронных устройств по зарубежным аналогам сделано немало.
Под технологические возможности завода «Ангстрем», а это 1-2 микрона, разработан целый ряд цифровых процессоров с оригинальной топологией, аналогичных по архитектуре таким процессорам фирмы Texas Instruments, как TMS320C10 (C20, C30, C40, C44, C50). В разработке находятся процессоры по аналогам TMS320C542 и ряда других. Разрабатываются также цифровые процессоры по аналогам других фирм (Motorola, Intel, Atmel и др.). Однако из-за ориентировки этих разработок на производство с нормами 1-2 микрона их параметры сильно уступают соответствующим зарубежным аналогам и слабо востребованы отечественными разработчиками РЭА. Аналогичная картина сложилась с разработкой и других интегральных схем: памяти, ЦАП, АЦП, операционных усилителей, аналоговых мультиплексоров и др. С появлением в России электронного завода на технологические нормы
0,18-0,13 микрон перечисленные разработки легко и быстро могут быть переведены (масштабированы) на более низкие проектные нормы, что позволит загрузить новый электронный завод необходимой для систем вооружений высокоинтегрированной ЭКБ. Если в ближайшие пять лет такой завод в России не построить, то у нас не останется ни одного разработчика элементов микроэлектроники.
Из-за отсутствия в России высокотехнологичного электронного производства в области электроники сложилась и другая тенденция. Так, к настоящему времени у нас сформировалось несколько коллективов разработчиков высокопроизводительных цифровых процессоров, способных конкурировать с лучшими зарубежными образцами. Это фирмы: «Московский центр SPARC-технологий» (МЩТ), ЗАО НТЦ «Модуль», ГУП НПЦ «Элвис», КТЦ «Электроника» и ряд других, которые вынуждены свои разработки размещать на кремниевых фабриках Юго-Восточной Азии с технологическими нормами до 0,09 микрон. Не это ли не еще одно доказательство необходимости срочного строительства электронного завода в России?
Прекрасные разработки микропроцессорной техники в рамках программы «Багет» проводятся НИИСИ РАН, где в течение последних 3-5 лет благодаря героическим усилиям академика Е. П. Велихова рождается электронное производство с технологическими нормами 0,5-0,35 микрон. Но если НИИСИ РАН и дальше будет создавать это производство такими же темпами, то через три-пять лет оно будет уже не нужно.
Тем временем мировая электронная промышленность выпускает на рынок все более совершенные, многофункциональные, высокоинтегрированные изделия, средства их разработки, отладки, монтажа и производства. Так, например, совсем недавно (примерно 10 лет назад) все мы, разработчики РЭА, получив в свое распоряжение ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы) зарубежных фирм ALTERA, Xilinx, Actel и др., сигнальные процессоры, однокристальные микро-ЭВМ, оперативную и постоянную память больших объемов в малогабаритных корпусах и многое другое, разработали целый ряд разнообразной электронной аппаратуры специального назначения, наивно полагая, что зарубежные производители и поставщики за наши деньги продадут все, что нам необходимо для разработки и производства новейших систем вооружений с обязательствами поставок на весь срок службы (15-25 лет) систем вооружений.
Однако скоро мы поняли, что зарубежные фирмы нам будут продавать любой ширпотреб коммерческого или индустриального исполнения, а поддерживать нашу оборонную промышленность они не собираются.
Все мы: разработчики, заказчики, производители и потребители радиоэлектронной аппаратуры военного применения — начали искать выход из того положения развала и блокады, в котором оказались.
В результате появились всевозможные центры испытаний и сертификации зарубежных электрорадиокомпонентов с целью отбора из закупленной партии некоторого количества тех из них, что удовлетворяют повышенным эксплуатационным требованиям. Однако никаких гарантий поставок высокотехнологичных зарубежных электрорадиокомпонентов для наших изделий военного применения ни на государственном уровне, ни на уровне отдельных фирм мы так и не получили.
--------------------------------- 11
Компоненты и технологии, № 5'2005
За это время мы потратили огромное количество государственных денег на создание очень неплохой радиоэлектронной аппаратуры на основе зарубежной ЭКБ, однако в системы вооружений ставить оказалось нечего, потому что мы создали макеты — очень хорошие, но макеты, а макеты — это как одноразовые шприцы: можно использовать один раз, повторное использование опасно.
Мировая тенденция последних лет в области микроэлектроники заключается в следующем:
1)уменьшение проектных (топологических) норм элементов на кристаллах (0,25-0,07 мкм и далее);
2) увеличение степени интеграции кристаллов (десятки и сотни миллионов вентилей в кристалле);
3) комплексирование кристаллов, то есть размещение на одном кристалле элементов памяти, цифровой обработки, ЦАП и АЦП, элементов аналоговой обработки, интерфейсных элементов;
4) создание систем на кристалле базовых типов: Single-Chip SoC (SoC на одном чипе), или System-in-Package (SiP), System-on-Package (SoP), System-on-Chipset (интеграция в одном гибридном корпусе нескольких чипов) [7];
5) создание программируемых систем на кристалле (System-on-Programmable Chip) [7];
6) увеличение количества выводов корпусов, микросхем (до 1500 выводов и более);
7) переход от расположения выводов корпусов ИС по периметру к матричному расположению выводов на всей площади кристалла и корпуса;
8) преимущественный рост количества корпусов ИС с матричным расположением выводов шаровой формы (BGA) для поверхностного монтажа.
В период с 2001 по 2004 год в России создана «Импортозамещающая технология ПЛИС-БМК» [8] как технология разработки и постановки на производство радиоэлектронной аппаратуры специального назначения с использованием отечественной и иностранной компонентной базы, защищенная двумя патентами России. Суть этой технологии состоит в следующем:
• проектируемое изделие разрабатывается как изделие специального назначения, но с использованием отечественных и иностранных микросхем;
• конструкторская документация на электронные узлы и блоки разрабатывается как на изделие специального назначения (модификация 1) с использованием отечественных и иностранных микросхем;
• модификация 2 предполагает отсутствие в блоке (узле, модуле) иностранных ПЛИС;
• перевод с одной модификации на другую выполняется без каких-либо конструкторских переработок и изменений, иностранные микросхемы заменяются отечественными заказными и полузаказными БИС. Особого внимания заслуживают ПЛИС
и отечественные БИС (полузаказные, заказные и системы на кристалле) высокой степени интеграции в корпусах типа BGA с матричным расположением выводов, поскольку кор-
12 ---------------------------------------
пуса данного типа как иностранного, так и будущего отечественного производства должны совпадать по геометрическим размерам, по шагу, количеству, порядку расположения и нумерации выводов.
На прошедшей с 21 по 23 сентября 2004 года в Омске научно-технической конференции «Обеспечение качества на этапе разработки, производства и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры» [9] начальник Управления радиоэлектронной промышленности и систем управления (УРЭП и СУ) Федерального агентства промышленности РФ Юрий Иванович Борисов назвал ключевым направлением работ УРЭП и СУ «развитие электронной компонентной базы» и сформулировал в этой области «две наиболее актуальные задачи: импортоза-мещение и обеспечение качества продукции». В качестве ближайшей задачи импортозаме-щения он назвал «утверждение Положения о применении и замещении иностранной компонентной базы в стратегически важных системах». А в качестве организационной меры реализации «Основ политики РФ в области создания ЭКБ на период до 2010 года и дальнейшую перспективу» УРЭП и СУ предложено ускоренное развитие технологий проектирования РЭА на базе сложных функциональных блоков (СФ-блоки или системы на кристалле) и библиотек стандартных элементов. На наш взгляд, данное предложение нуждается в более детальной проработке и увязке в единое целое концепции совместного развития радиоэлектронного аппаратостроения, отечественной ЭКБ и технологии импортозамещения.
Далее Юрий Иванович сообщил, что «в ближайшее время будет утверждено «Положение о применении и замещении иностранной компонентной базы в стратегически значимых системах». Само название документа и краткая его характеристика вызывают немало вопросов.
1. В перечне тестированных нормативных документов нет документа с таким названием, который бы принимался представительством заказчика; имеются ГОСТы, стандарты предприятия и, может быть, в ближайшее время стараниями УРЭП и СУ вновь появятся ОСТы. Поэтому объявленный документ, еще не появившись, уже становится «вне закона».
2. Что понимать под «стратегически значимыми системами»? Есть ли у УРЭП и СУ точное документальное определение перечня стратегически значимых систем?
3. Как в этом случае понимать доктрину им-портозамещения в системах В и ВТ, сформулированную начальником вооружений ВС России генералом армии А. Московским? В настоящее время существует два документа МО РФ, регламентирующих применение ЭКБ иностранного производства при разработке и производстве РЭА для систем В и ВТ:
1. «Положение о порядке применения электронных модулей, комплектующих изделий, электрорадиоизделий и конструкционных материалов иностранного производства в системах, комплексах, образцах вооружения и военной техники и их составляющих частях» (2001 год).
2. «Система добровольной сертификации радиоэлектронной аппаратуры, электрорадио-
изделий и материалов военного назначения «Военэлектронсерт». Требования ко второму поставщику.
Кроме этих документов существует «Номенклатура высокотехнологичных ИЭТ, рекомендуемых к разработке в РФ и применению в РЭА (редакция 2003 года), подготовленная Ассоциацией заказчиков и потребителей унифицированных изделий электронной техники «Фонд УНИЭТ» (Москва, 2004). Но перечень из указанной номенклатуры является рекомендательным, а при его использовании при разработке РЭА военного применения необходимо выполнять длительную и не всегда оправданную процедуру согласования, сертификации и утверждения использованных ИЭТ иностранного производства. Процедура согласования применения ИЭТ иностранного производства в системах В и ВТ Министерством обороны сильно бюрократизирована, а ответственность согласовывающих размыта. Правильнее было бы для этих целей использовать принцип «одного окна», получивший в последнее время распространение в муниципальной практике в Москве. В качестве такого единственного согласующего органа можно было бы рекомендовать, например, 16-е Управление МО РФ, ФГУП «22ЦНИИИ Минобороны России» или НИИ «Аргон» ответственного исполнителя «Номенклатуры высокотехнологичных ИЭТ» в редакции 2003 года.
Говоря о проблеме импортозамещения, Ю. И. Борисов сказал, что предполагается утверждение «Положения о применении и замещении иностранной компонентной базы в стратегически значимых системах», «опирающееся на отечественные и зарубежные технологические возможности с учетом перспектив их развития».
Нам думается, что в термин «импортозаме-щение» следовало бы вложить более широкое толкование, исходя из тенденции международного разделения труда и максимальной экономической целесообразности с учетом обеспечения технологической независимости и безопасности оборонного комплекса страны, назвав его «Концепцией совместного развития отечественных ЭКБ, комплектующих и радиоэлектронного аппаратостроения».
Суть предлагаемой концепции сводится к следующему:
1. Построить в России в 2006-2008 годах электронный завод («мини-Ангстрем») с сопутствующими производствами материалов и полуфабрикатов для выпуска изделий микроэлектроники (процессоров, запоминающих устройств, АЦП, ЦАП, интерфейсных БИС, аналоговых БИС и др.) с технологическими нормами 0,18-0,13 микрон. На начальном этапе, очевидно, придется пойти на закупку за рубежом исходных материалов, кремниевых пластин и многого другого, развивая одновременно в России производство всего этого. В то же время придется решать вопросы обеспечения иностранного завода специалистами-техноло-гами и разработчиками БИС.
2. Разработать отечественный унифицированный ряд или стандарт корпусов микросхем типа BGA с количеством выводов от 400
- www.finestreet.ru-----------------------
Компоненты и технологии, № 5'2005
до 1500, совмещаемых по размерам и топологии с зарубежными аналогами, либо организовать закупку корпусов типа BGA для микросхем минимальной номенклатуры и нужного качества у зарубежных производителей под разработанные номенклатуры высокоинтегрированных отечественных микроэлектронных устройств.
3. Разработать отечественный базовый матричный кристалл (БМК) с проектными нормами 0,18-0,13 микрон емкостью порядка 500-800 тыс. вентилей с матричным расположением выводов в количестве до 1000-1500 для монтажа в корпуса типа BGA.
4. Отечественные ПЛИС не разрабатывать. Использовать зарубежные ПЛИС, а также все аппаратно-программные средства разработки их проектов как технологический базис при разработке РЭА военного применения самой высокой сложности с последующим переводом в заказные и полузаказ-ные БИС, в системы на кристалле отечественной разработки.
5. Разработку систем на кристалле производить через проекты зарубежных ПЛИС высокой степени интеграции даже для небольших серий, что позволит использовать импортозамещающую технологию ПЛИС-БМК при разработке РЭА специального назначения.
6. Унифицировать порядок постановки, согласования и выполнения работ по разработке отечественных микро-ЭВМ, сигнальных и нейропроцессоров, систем на кристалле, увязав их функции, цоколевку, характеристики и степень интеграции с возможностью их предварительной реализации на современных зарубежных ПЛИС и поставки таких устройств на ПЛИС отечественным разработчикам РЭА военного применения с последующей заменой по технологии импортозамеще-ния ПЛИС-БМК на отечественные функционально сложные ИС, удовлетворяющие требованиям военных стандартов.
7. Разработать нормативно-техническую базу выполнения НИОКР на разработку и постановку на производство РЭА военного применения с использованием «Импортозамещающей технологии ПЛИС-БМК» с учетом предложенной концепции.
8. Разработать методику технико-экономического обоснования использования ЭКБ и установочных изделий и материалов иностранного производства в отечественной РЭА военного применения.
9. Разработать нормативно-техническую и правовую базу по взаимодействию отечественных предприятий (занимающихся разработкой электронной компонентной базы (ЭКБ) высокой степени интеграции на основе библиотек и технологий иностранных электронных предприятий) с зарубежными «кремниевыми фабриками» в части размещения заказов на производство ЭКБ отечественных разработок и поставку в Российскую Федерацию корпусированных БИС, чипов и пластин.
10. Создать на базе одного из отечественных электронных заводов индустрию работы с пластинами (диаметром до 300 мм), из www.finestreet.ru -
готовленными на зарубежных «кремниевых фабриках», в части их консервации, хранения, проверки на точное соответствие исходным фотошаблонам и топологии, измерения, резки, корпусирования чипов в БИС, испытания и аттестации этих БИС.
11. Создать перечень электронных модулей, установочных и комплектующих изделий, электрорадиоизделий, конструкционных материалов и кабельной продукции иностранного производства, разрешенных к применению в системах, комплексах, образцах вооружения и военной техники и их составляющих частях, взяв за основу Перечень УНИЭТ в редакции 2003 года.
12. Создать подконтрольную государству структуру по централизованной закупке, входному контролю, сертификации, испытаниям и поставкам комплектующих иностранного производства предприятиям, выполняющим оборонный заказ по разработке и производству РЭА для систем В и ВТ.
13. Создать на головных предприятиях РЭК и СУ совместно с профильными вузами России базовые лаборатории для дополнительной подготовки студентов старших курсов по разработке и конструированию радиоэлектронной аппаратуры.
14. Создать законодательную базу для распределения и закрепления выпускников российских вузов на базовых предприятиях РЭК и СУ.
Литература
1. Герасимов Ю. Второе утро российской микроэлектроники — последняя заря или возрождение? // Компоненты и технологии. 2004. № 8.
2. Леденцов Н. Перспективы развития электронной промышленности в России. Взгляд издалека // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2005. № 1.
3. Макушин М. Высокие технологии и безопасность // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2005. № 2.
4. Фрунзе А. Кто заплатит за зарю? // Компоненты и технологии. 2005. № 3.
5. Малашевич Б. Неизвестные модулярные суперЭВМ // PCWeek/RE. 2005. № 9 от 22.03.2005, № 10 от 29.03.2005.
http://www.computer-museum.ru/histussr/
sok_evm.htm
6. Задача создания отечественной электронной базы по-прежнему остается нерешенной // Chip News. 2004. № 4.
7. Немудров В., Мартин Г. Системы-на-крис-талле. Проектирование и развитие. М.: Техносфера. 2004.
8. Евстигнеев В. Г., Кошарновский А. Н., Дегтярев Е. В., Критенко М. И., Цыбин С. А., Быстрицкий А. В. Импортозамещающая технология ПЛИС-БМК. Часть I. Разработка радиоэлектронной аппаратуры двойного применения // Компоненты и технологии. 2004. № 7.
9. Борисов А. В. Обеспечение качества — стратегия развития радиоэлектронного комплекса // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2004. № 7.
