українські fabless-компанії як двигун вітчизняної мікроелектроніки

У чому сильні наші розробники

Арег Мелік-Адамян, начальник відділу систем автоматизації проектування ІТМіВТ ім. С.А. Лебедєва РАН

двигун

Відродження вітчизняної мікроелектроніки — завдання державної ваги. Для забезпечення технологічної незалежності та інформаційної безпеки українських електронних систем військового та цивільного призначення необхідно навчитися розробляти та виробляти ключові електронні компоненти самотужки. Який можливий шлях реалізації «Стратегії розвитку електронної промисловості України на період до 2025 року», прийнятої Урядом РФ?

Варто визнати, що наше відставання від провідних у цій галузі держав вимірюється десятиліттями, і його ліквідації знадобиться напружена спільна робота державних, наукових і ділових структур. Після 15 років прохолодного ставлення до проблем вітчизняної мікроелектроніки Уряд України сформував «Стратегію розвитку електронної промисловості України на період до 2025 року», головне завдання якої забезпечити в найближчі роки основні галузі — споживачі продукції електроніки, такі як автомобілебудування, авіабудування, суднобудування, космос. - Мікросхемами вітчизняного виробництва.

Автори стратегії вважають, що за рахунок її реалізації до 2025 р. Україна зможе відновити науково-технічний потенціал електронної галузі загалом та вивести її на сучасний світовий рівень. Але незважаючи на важливість поставленого завдання, залишається відкритим питання про те, як держава збирається залучити бізнес до реанімації вітчизняної електронної промисловості.

Враховуючи, що ІТМіВТ протягом усієї своєї історії брав участь у створенні та виробництві вітчизняної елементної бази, а сьогодні на базі Інститутусформовано сучасний дизайн-центр мікроелектроніки, хочеться поділитися своїм поглядом на можливий шлях відродження, який допоможе стратегії реалізуватись, а не залишитися лише на папері.

Від розробки до виробництва

Прогрес у розвитку мікроелектроніки зробив крок далеко вперед, тому шлях сліпого копіювання зарубіжних розробок, на який стала наша країна, прирікає нас на постійне відставання.

Сьогодні діяльність більшості підприємств, що беруть участь у розробці та виробництві мікросхем, підтримується за рахунок залучення бюджетних інвестицій.

Але за такого підходу, жодною мірою не заперечуючи важливості державної підтримки, складно очікувати на будь-який якісний прорив. Проблема полягає, перш за все, у закритості ринку і, отже, у відсутності конкуренції.

Ставку треба робити на використання бізнес-моделі взаємодії українських замовників із західними виробниками мікроелектроніки (фабриками), що стане основою формування українського ринку.

В урядовій стратегії є важливий організаційний посил про створення передових дизайн-центрів (т.зв. fabless-компаній), здатних здійснювати розробку мікросхем та всієї супровідної документації на світовому рівні. Але в Україні сьогодні немає фабрик, які могли б зробити мікросхеми за сучасними технологічними нормами.

Проте їх поява планується в перспективі, а отже, до цього потрібно бути готовим. Зустрічаючи майбутнє з накопиченим досвідом виконаних робіт для західних замовників, українські розробники будуть конкурентними і на українському, і міжнародному ринках мікроелектроніки.

Створюваним дизайн-центрам необхідно налагоджувати активну співпрацю з провідними виробниками мікроелектроніки,пропонуючи послуги з проектування: від складання технічного завдання на мікросхему до підготовки технологічної документації силами своїх фахівців. Фактично вирішуються два завдання: підготовка передових інженерів-розробників та інтегрування наших компаній у світовий мікроелектронний бізнес. Це передбачає ознайомлення з технологіями виробництва, що найбільш використовуються на ринку, що допоможе нам у майбутньому при роботі з українськими фабриками.

На мій погляд, створення розгалуженої мережі дизайн-центрів, які щільно співпрацюють з усіма провідними виробниками мікросхем та між собою за принципом кооперації, є одним із важливих етапів при реалізації державної стратегії.

Формування українського ринку

Особливість українського ринку полягає у тому, що він перебуває на початковій стадії освіти. Головним замовником, окрім невеликих компаній, є Міністерство оборони. У найближчій перспективі є малоймовірною поява інших великих замовників, тому, швидше за все, ринок продовжить формуватися за рахунок реалізації невеликих замовлень.

І тут йому на допомогу приходять розвинені дизайн-центри, оскільки вони здатні консолідувати невеликі замовлення, знизивши таким чином вартість розміщення замовлення за одиницю продукції.

Найголовнішою перевагою розвиненого дизайн-центру є його знання про всі нюанси розробки та технологічного процесу виробництва мікросхеми, отримані у процесі роботи з провідними фабриками. Тому проблеми, які замовнику здаються складними, для дизайн-центру багато в чому є типовими, унаслідок чого забезпечується висока швидкість виконання замовлень. Завдяки можливості вибору оптимальної фабрики при розміщенні замовлення з урахуванням його специфіки досягається висока надійність належного йоговиконання з мінімальними виробничими ризиками.

Крім технологічної компетентності, дизайн-центр має знання і про особливості бізнес-взаємодії з фабрикою, що включає найважливіше — стандарти документування замовлення, які у кожної фабрики свої.

При правильній організації процесу час виходу не дуже складної мікросхеми складатиме не більше півроку, що дуже важливо, оскільки часто при більшому терміні виріб може застаріти морально і втратити конкурентні переваги. Сьогодні ж термін виготовлення найчастіше становить понад рік.

У результаті в українських замовників має з'явитися довіра та бажання використовувати послуги українських дизайн-центрів, що дозволить налагодити безперервний конвеєр розробок, а українським дизайн-центрам виступити на світовому ринку серйозними партнерами.

Виграшні позиції розвиненого дизайн-центру

Народження нової мікросхеми складається з низки організаційних та технологічних стадій:

  • ідея мікросхеми та її аналіз;
  • детальне опрацювання технічного завдання;
  • вибір розробників (дизайнцентру);
  • розробка для цифрової мікросхеми та схеми - для аналогової; а у разі змішаного дизайну – розробка і того, і іншого;
  • верифікація моделі;
  • синтез схеми;
  • розробка топології та її верифікація;
  • виробництво тест-чіпа та тестування;
  • серійне виробництво мікросхем.

У цих укрупнених стадіях приховується чимало труднощів, непомітних на перший погляд, але здатних призвести до серйозних проблем при реалізації проекту. Розвинений дизайн-центр здатний передбачити можливі проблеми та запропонувати варіанти їх вирішення.

Зупинимося на найважливіших:

  • при аналізі ідеї чіпа та йогофункціональних характеристик слід прагнути повторного використання типових рішень, можливо, з невеликою модернізацією;
  • Обов'язковою умовою виконання проекту є складання грамотного технічного завдання. Як показує практика, найчастіше при складанні ТЗ замовник не бачить безліч можливих проблем. Реалізація умов ТЗ тісно пов'язана з особливостями виробничого процесу, унікального кожної фабрики;
  • при виборі дизайн-центру необхідно брати до уваги такі чинники: досвід роботи, ціна, якість, знання специфіки, кількість фабрик, з якими працює центр;
  • розробка моделі та топології - багато в чому творчий процес. Безумовно, більшість проектів реалізується за допомогою засобів автоматизованого проектування. Але існує чимало напрямків, у яких немає такої можливості, і доводиться виконувати дизайн мікросхем вручну, а це трудомісткий та відповідальний процес. Як показала практика, українські розробники дуже сильні у ручному дизайні;
  • Вихід на фабрику для невеликих компаній є дуже складним завданням. Великим фабрикам невигідно займатися невеликими замовленнями, особливо створення тестових мікросхем. Вони завантажені замовленнями на багато місяців наперед. Але для невеликих компаній економічно доцільно перевірити роботу мікросхеми на кілька десятків пробних зразків;
  • успіх проекту залежить від уміння фахівців дотриматися всіх необхідних умов надання технологічної документації на фабрику, а вони найчастіше є дуже складними і погано документованими (особливо у фабрик, розташованих в Азії).

Використання спеціального дизайн-центру має ряд важливих переваг: надійність та висока якість виконання замовлення гарантується розумінням дизайну.центру особливостей виробництва та правильного визначення фабрики-виробника, що суттєво знижує ризики.

Крім того, дизайн-центри можуть запропонувати послугу багатопроектні пластини (MPW, Multi Project Wafer), тобто формування на одній пластині мікросхем різних дизайнів, що дозволяє створювати дослідні зразки мікросхем для невеликих компаній за доступними цінами (як правило, фабрики вкрай неохоче надають такі послуги дрібним компаніям з України безпосередньо, без участі знайомого їм дизайн-центру).

Додатковим фактором конкурентної переваги є наявність у дизайн-центру підрозділу автоматизації проектування (EDA — Electronic Design Automation). Це дозволяє розгорнути правильну інфраструктуру проекту, вибрати інструментарій, оптимально налаштувати маршрути проектування, автоматизувати рутинні операції, і навіть розробити власні програмні інструменти потреб інженерів.

Досвід ІТМіВТ

Фахівці ІТМІВТ брали активну участь у формуванні вітчизняної елементної бази. Значна частина радянської обчислювальної техніки, передова для свого часу, була розроблена у стінах Інституту, у тому числі обчислювальні комплекси для таких стратегічних систем, як система протиракетної оборони (ПРО), система попередження про ракетний напад (СПРН), система контролю космічного простору (СККП) ), зенітно-ракетний комплекс.

Сьогодні ІТМіВТ надає послуги дизайн-центру провідному ізраїльському виробнику мікросхем Tower Semiconductor, що працює за технологічними нормами Спільне співробітництво ІТМіВТ і Tower Semiconductor стало можливим, перш за все, завдяки високій якості виконуваних робіт, чіткому дотриманню термінів і домовленостей з боку ІТМі. TowerSemiconductor, у свою чергу, показав себе компанією, що динамічно розвивається, здатної вибудовувати чітку взаємодію з дизайн-центром. Фундаментом взаємодії з Tower Semiconductor стало виконання комплексу проектів створення бібліотек елементів. Ці бібліотеки використовуються при синтезі виробів замовника. Складність проектів полягала у необхідності застосування ручного дизайну. Уміння ретельно здійснити складне творче завдання показує, за визнанням представників Tower Semiconductor, сильний бік українських розробників.

Як приклад можна навести два проекти, опис яких дасть фахівцю наочне уявлення про рівень проведеної роботи:

  • характеризування трьох компіляторів блоків пам'яті, призначених для генерації трьох різних типів пристроїв, що запам'ятовують (, і VROM) за технологією 0,18 і 0,13 мкм;
  • розробка нової системи захисту від статичної напруги.

Характеризація компілятора блоків пам'яті була необхідна для генерації трьох різних типів пристроїв (, і VROM) за технологією 0,18 і 0,13 мкм. Справа в тому, що технологічні параметри процесу виробництва мікросхем на фабриці мають тенденцію змінюватися в часі («плисти»), тому необхідно періодично здійснювати їхнє коригування, тобто проводити характеризацію.

На основі технічної документації, що регламентує виробничий процес, фахівці дизайн-центру ІТМіВТ розробили алгоритм розрахунку нових робочих характеристик мікросхем. Це стало можливим завдяки кропіткій спільній роботі зі співробітниками Tower Semiconductor, які здійснювали підтримку проекту.

З використанням розробленого алгоритму було здійснено обрахунок даних та скомпоновано три компілятори пам'яті, якібудуть поставлятися у рамках програмного продукту Rapid Compiler. Цей проект є гарним прикладом залучення послуг розвиненого дизайн-центру до вирішення важливих внутрішніх завдань, що стоять перед фабрикою.

При розробці нової системи захисту від статичної напруги (ESD protection) фахівці дизайн-центру ІТМіВТ здійснили необхідну корекцію топології ESD protection з подальшою верифікацією її на відповідність конструкторсько-технологічним нормам та необхідною електричною схемою. Це стало можливим завдяки якісній експертизі, проведеній фахівцями Tower Semiconductor. У процесі роботи довелося вручну перевірити понад 500 елементів, що мають десяток параметрів. Покращена система захисту використовуватиметься на всіх КМОП-мікросхемах, які виробляють Tower Semiconductor.

Хороше знання технологій та бібліотек елементів виробника дозволяє дизайн-центру здійснювати повний комплекс послуг із проектування мікросхем та доведення проектів до виробництва.

У подібній співпраці виробників та дизайн-центрів ми бачимо хороші перспективи для українського ринку контрактної розробки.