1 января, 2006

Технология «свертки»

Именно она должна стать базисом продления жизненного цикла радиоэлектронной аппаратуры

Процессы произвольного прекращения серийного производства большого числа типов компонент их производителями без согласования с разработчиками и изготовителями аппаратуры обуславливают остроту проблемы ускорения перехода к широкому внедрению систем на кристалле. Многие разработчики аппаратуры в последние годы попали в тяжелое положение из-за того, что к моменту завершения разработки и испытаний выяснялось: десятки (а то и сотни) типов примененных в новой аппаратуре компонент уже сняты с производства.

До сих пор единственным выходом было перепроектирование ячеек и блоков, а то и целых устройств аппаратуры, "пострадавших" из-за отсутствия комплектующих. По действующим нормативам это влечет за собой проведение нового цикла испытаний аппаратуры и т.д., что вызывает значительные дополнительные финансовые и временные затраты, часто поглощающие всю прибыль разработчика.

Имевшие место попытки восстановления производства микросхем, выпуск которых был прекращен, оказались экономически неэффективными, поскольку требовали больших капиталовложений. К тому же необходимо заметить, что улучшения характеристик аппаратуры вследствие таких доработок, как правило, не происходит, поскольку новые компоненты по всем характеристикам обычно являются наиболее близкими аналогами ранее использовавшихся.

Появление технологий систем на кристалле позволяет развязать этот, поистине, гордиев узел. Дело в том, что современная аппаратура обычно выполняется с использованием интегральных микросхем средней и большой степени интеграции. Узлы этой аппаратуры конструктивно выполняются в виде печатных плат (ячеек), на которых размещается несколько десятков микросхем и других компонент. Технология систем на кристалле впервые позволяет осуществить качественно новую реализацию ранее созданных ячеек и блоков.

Сущность систем на кристалле заключается в том, что все (или почти все) элементы, ранее располагавшиеся на плате, "переносятся" внутрь кристалла с сохранением всех функциональных связей между ними. Иными словами, в процессе этой работы осуществляется интеграция (или "свертка") большого количества микросхем и дискретных элементов в микросистему, размещаемую на кристалле, являющемся полным функциональным аналогом ячейки или блока.

Таким образом, вместо множества элементов на ячейке будут размещаться 1-2 кристалла и, возможно, некоторые элементы "обвязки" (питание и т.п.). При этом, по желанию заказчика, могут быть полностью сохранены принципы построения, алгоритмы функционирования, временные диаграммы работы и интерфейсы перерабатываемых ячеек и блоков. То есть новая ячейка будет полностью взаимозаменяема со старой.

Чем отличается "свертка" ячейки от практиковавшейся ранее частичной или полной замены компонент?

Во-первых, сам факт существенного сокращения на плате числа микросхем и других комплектующих в сотни раз уменьшает число межсоединений и поэтому "автоматически" повышает надежность аппаратуры.

Во-вторых, сокращение числа микросхем на плате с десятков до одной-двух позволяет, как минимум, в десятки раз снизить потребляемую ими мощность.

В-третьих, замена большого количества комплектующих одним-двумя "системными" кристаллами может значительно уменьшить массу аппаратуры.

В-четвертых, возможность гарантированно обеспечить полное сохранение интерфейса печатной платы на этапе проектирования системы на кристалле.

И, наконец, замена относительно большого количества (десятков) размещенных в ячейке микросхем и других комплектующих на одну или несколько систем на кристалле экономически выгодна, причем экономический выигрыш увеличивается с ростом серийности нового кристалла. Рассмотрим это на примере.

В ходе одной из работ была выполнена "свертка" 540 идентичных одноплатных модулей арифметико-логического устройства. Цена одного такого модуля с учетом стоимости комплектующих (62 микросхемы серии 1533) составляла ориентировочно $270.

Работы по проектированию и изготовлению первой партии систем на кристалле (600 кристаллов) были выполнены в сжатые сроки (3,5 месяца) и затраты составили $108 000. Таким образом, за счет использования систем на кристалле при модернизации уже первого образца аппаратуры был получен экономический эффект в размере (540 х 270) - 108 000 = $ 37 800. При изготовлении последующих партий кристаллов экономический эффект возрос, так как затраты на их разработку окупились при модернизации еще первого образца аппаратуры.

Кроме того, в рассматриваемом случае применение систем на кристалле позволило снизить массогабаритные характеристики аппаратуры в 5 раз, уменьшить энергопотребление в 20 раз и значительно повысить надежность.

Дополнительным преимуществом технологии "свертки" при переходе к системам на кристалле является тот факт, что в этом случае не требуется дорогостоящих изменений базовых конструктивов высокого уровня, кабельных разводок и системной документации.

Итак, очевидно, что в результате реализации "свертки" не только улучшаются технические характеристики аппаратуры, но и сама аппаратура становится заметно дешевле. Однако, возможно, выиграв в качестве продукции, придется проиграть в ее стоимости. Но всегда ли это так?

Возьмем для примера мобильную связь и конкретно мобильный телефон, который реализован на элементной базе 5-го поколения. Если реализовать мобильный телефон на интегральных схемах малой и средней степени интеграции, то для его размещения потребуется шкаф, или, в лучшем случае, блок, т.е. его необходимо будет возить на тележке. Во много раз возрастет и стоимость телефонного аппарата.

Поэтому-то появление цифровой связи и мобильного телефона стало экономически оправданным только с появлением элементной базы 5-го поколения, базирующейся на сверхбольших интегральных микросхемах, в т.ч. на системах на кристалле.

Выполненный предварительный анализ компонентной базы, применяемой в большинстве современных (эксплуатируемых и разрабатываемых) образцов радиоэлектронной аппаратуры, показывает, что в их ячейках количество микросхем и других комплектующих обычно не превышает нескольких десятков (редко - нескольких сотен).

Учитывая функциональную сложность этих ячеек, можно утверждать, что во многих случаях для реализации их "свертки" достаточны имеющиеся в настоящее время на отечественных предприятиях микроэлектронные технологии с проектными нормами от 2 до 0,8 мкм. В случаях, когда высокая функциональная сложность ячеек предопределяет необходимость использования субмикронных технологий (менее 1 мкм), на ряде отечественных предприятий уже имеется опыт разработки таких кристаллов, который доступен и может использоваться.

Таким образом, использование технологии "свертки" впервые позволяет наиболее экономичным образом разрешить проблему обеспечения требуемых сроков эксплуатации аппаратуры (обычно 20 и более лет) и поддерживать производство ЗИП, не обременяя производителей компонентной базы "замораживанием" их технологий.

Отмеченные достоинства "свертки" позволяют решить еще одну важную задачу. Дело в том, что при переходе к новым микроэлектронным технологиям как бы "автоматически" решается проблема повышения многих основных характеристик узлов и устройств радиоаппаратуры, в частности, уменьшается энергопотребление, снижается вес, существенно возрастает надежность.

Таким образом, "свертка" имеет признаки, позволяющие считать ее формой модернизации техники. Но собственно модернизация, в общепринятом смысле слова, как правило, не является главной целью "свертки". Поэтому для характеристики этой технологии можно использовать термин "латентная", т.е. скрытая, модернизация.

Как мы установили, осуществление "латентной" модернизации обеспечивает улучшение технико-экономических показателей радиоэлектронной аппаратуры. Однако ее вновь спроектированные узлы в виде систем на кристалле остаются "в окружении" старой элементной базы и старых конструктивов (блоков, шкафов), причем объем этих конструктивов практически не задействован (представьте себе современный мобильный телефон, помещенный в шкаф или в блок). Как следствие, возникает логичный вопрос о дальнейшей модернизации аппаратуры и, в первую очередь, изменении конструктива (замена шкафа на блок, блока на плату и т.д.)

Видно, что проведение "латентной" модернизации естественно стимулирует проведение более глубокой модернизации с применением интеграции более высокого уровня. Иными словами, в ходе довольно простой с научной точки зрения "латентной" модернизации неизбежно возникают и прорабатываются новые конструкторские и технологические идеи, ведущие, в конечном итоге, к созданию совершенно новой и более эффективной техники.

При этом обычно осуществляемая поэтапная модернизация может состоять из произвольного числа последовательных "сверток" аппаратуры, причем уже "свернутая" аппаратура может быть использована в качестве элементов для дальнейших сверток. Число таких итераций неограниченно и зависит только от потребностей пользователя аппаратуры и его экономических возможностей.

Другими словами, рассматриваемый подход к проектированию систем на кристалле дает возможность осуществлять многократную модернизацию аппаратуры под авторским надзором ее разработчика. Возникает ситуация, когда уже можно говорить о "виртуальности" компонентной базы, поскольку ее характеристики и условия производства перестают оказывать непосредственное влияние на процессы эксплуатации аппаратуры.

Каким же образом должна быть организована работа по созданию систем на кристалле?

Как показывает опыт, радиоэлектронные комплексы в ходе их наладки, испытаний и начальной эксплуатации обычно подвергаются доработкам, которые сопровождаются добавлением комплектующих, изменением монтажа ячеек и др. Такие доработки иногда не проходят полного цикла испытаний и верификации и, вследствие этого, могут стать причиной снижения надежности работы аппаратуры. Кроме того, эти доработки не всегда находят адекватное отражения в конструкторской документации.

Эти обстоятельства довольно трудно учесть при задании разработки системы на кристалле, так как наличие доработок чаще всего выявляется только на определенном этапе проектирования кристалла. Поэтому при разработке систем на кристалле необходимо тесное взаимодействие разработчиков аппаратуры и кристалла, причем не только при формировании технического задания, но и на более поздних этапах проектирования.

Более того, при создании систем на кристалле разработчики аппаратуры неизбежно становятся непосредственными участниками проектирования кристалла, поскольку только они точно знают, что должно получиться "на выходе". С другой стороны, и проектировщики кристалла должны обладать определенными системными знаниями, причем чем глубже будут эти знания в конкретной прикладной области, тем более качественной будет система на кристалле.

Поэтому для создания систем на кристалле разработчики аппаратуры должны на постоянной основе привлекать специализированные предприятия, так называемые дизайн-центры. Очевидно, что взаимоотношения между разработчиками аппаратуры и кристалла должны быть настолько тесными, что представляется логичным иметь дизайн-центры в составе организаций-разработчиков аппаратуры на правах их подразделений.

Для обеспечения качественной разработки систем на кристалле дизайн-центры должны обладать, помимо положенного набора лицензий и сертификатов, опытом производства больших и сверхбольших интегральных микросхем, владеть технологией создания HDL-моделей систем на кристалле (HDL - Hardware Description Language, язык описания аппаратных ресурсов) и иметь необходимые знания в области синтеза на вентильном уровне.

Дизайн-центры, непосредственно разрабатывающие системы на кристалле, не обязательно должны иметь собственное серийное производство, так как для большинства разработок это экономически не оправданно. После доведения проекта кристалла до HDL-модели, проведения его верификации и макетирования, дизайн-центры могут по определенным критериям выбирать полупроводниковые фабрики из числа существующих для серийного производства кристалла. После выбора фабрики дизайн-центрам остается довести данный проект до вентильного уровня в библиотеке элементов выбранной фабрики и передать этой фабрике комплект документации для серийного производства.

Таким образом, основными отличиями рассматриваемого подхода к созданию систем на кристалле от проектирования универсальных сверхбольших интегральных микросхем являются:

системный уровень проектирования, как правило, включает в себя только этап разработки задания на разрабатываемую систему на кристалле. Это связано с тем, что исходными данными на проектирование системы на кристалле являются спроектированные ранее схемы ячеек и блоков. По этой же причине на первом уровне проектирования отсутствует этап создания модели макроархитектуры будущего кристалла;

процесс проектирования системы на кристалле предполагает обязательное ее макетирование с последующей отладкой макета в реальной аппаратуре заказчика, что позволяет заблаговременно отработать технические решения и исключить ошибки;

процесс проектирования, особенно на системном уровне, подразумевает непрерывные совместные действия заказчика (разработчика аппаратуры) и разработчика кристалла, причем информационные обратные связи от заказчика к разработчику носят скорее характер взаимодействия, чем традиционной приемки-сдачи продукции или этапов работ. Таким образом, разработчики аппаратуры становятся непосредственными участниками разработки кристалла, а разработчики кристалла - непосредственными участниками разработки аппаратуры;

в результате накопления информации, получаемой в ходе модернизации (осуществления "сверток") формируется библиотека фрагментов схем. Это позволяет на последующих этапах осуществления "свертки" использовать эти результаты как некоторые стандартные элементы, а в некоторых случаях - и предлагать их на рынок как самостоятельный продукт, например для использования другими разработчиками.

Итак, можно сделать вывод, что технология "свертки", являющаяся основой "латентной" модернизации, позволяет решить ряд проблем, связанных с обеспечением требуемых технико-экономических характеристик радиоэлектронной аппаратуры в течение всего срока ее эксплуатации, в том числе за счет поддержания серийного производства ЗИП. Кроме того, такая форма модернизации позволяет во многих случаях повысить основные характеристики аппаратуры и не требует при этом больших экономических затрат.

В общем случае единовременные затраты на начальном этапе такой модернизации могут включать в себя затраты на "свертку" только той части аппаратуры, которая содержит в своем составе проблемную компонентную базу. При этом экономические затраты могут окупиться в весьма сжатые сроки, а во многих случаях - и принести ощутимую прибыль, которая существенно зависит как от объема одновременно "свертываемой" аппаратуры, так и от количества единиц модернизируемой аппаратуры.

Естественно, что без использования современных систем автоматизации проектирования на всех уровнях не может быть и речи об успешной работе по созданию систем на кристалле, но это уже тема следующих публикаций.