ПРОЕКТИРОВАНИЕ

В статье “Микроархитектурное строительство” (см. PC Week/RE, № 31/2001, с. 27) мы рассказывали об инструментарии и организационных принципах проектирования полупроводниковых компонентов и приводили примеры IP-блоков (Intellectual Property Block - реализованная ранее функция, используемая при проектировании сложных микросхем на современном этапе) (см. также рисунок). Сравнительно небольшая (20-50 человек) команда разработчиков, находясь где-нибудь в Кремниевой долине, придумывает новую микросхему, а изготовление партии заказывает на фабрике в Юго-Восточной Азии. Процессы проектирования и верификации от разработки функциональной схемы до размещения вентилей на кристалле автоматизированы; отрасль, поставляющая САПР, развивается очень динамично и показывает рост даже сейчас, в период спада производства полупроводников. Статья заканчивалась вопросом, могут ли наши разработчики не отставать от своих западных коллег в условиях, когда российская полупроводниковая отрасль не отличается большими успехами. Ведь аутсорсинг и открытые стандарты вроде бы позволяют разработчикам находиться на передовом крае. Так ли это? Как на практике российские разработчики интегрируются в международную цепь поставок полупроводниковой отрасли? В какой мере они зависят от состояния российского производства? Какое место занимает российская полупроводниковая промышленность в мировом разделении труда? Создавшуюся ситуацию комментирует Дмитрий Фомин, коммерческий директор НТЦ “Модуль”.

Сколько стоит производство

Полупроводниковое производство можно сравнить с полиграфической печатью. В обоих случаях очень сложно и дорого размещать заказы на изготовление небольшой партии, потому что затраты на подготовку производства высоки и заказ мелких серий фабрикам невыгоден. В Америке работает специальная программа (см. www.mosis.org), через которую университеты и другие организации могут за сравнительно скромные деньги изготавливать опытные образцы по технологии 0,35-0,5 мкм.

На стоимость изготовления партии помимо объема влияют тип корпуса и размер памяти, определяющий размер кристалла. Запуск в производство партии в 5-25 штук по технологии 0,25 мкм обойдется нам в 250 тыс. долл., а по технологии 0,18 мкм - в 500 тыс. долл. В то же время себестоимость изготовления единицы продукции резко падает при увеличении объемов производства, и при изготовлении партии в 10 тыс. штук цена за единицу составляет всего $15-20. Цены приведены для корпуса BGA. Замечу, что даже в условиях недозагрузки полупроводниковых фабрик мы с трудом нашли зарубежных партнеров по производству. На наш запрос откликнулись Atmel и Fujitsu, в результате свой выбор мы остановили на последней, так как имеем опыт работы с ее библиотечными логическими элементами по CMOS-технологии.

Логические элементы библиотеки производителя относятся к простейшим IP- блокам (например, это могут быть элементы 2ИНЕ) и представляют собой готовые топологические куски, многократно проверенные в изготовлении у этого производителя. Каждый производитель владеет своим технологическим ноу-хау, позволяющим формировать активные и пассивные элементы.

“Стандартные” инструменты проектирования

Хотя в прессе время от времени сообщается, что какое-то средство проектирования признано стандартным, на практике каждая компания предпочитает свою САПР, потому что от выбора инструментария проектирования в большой степени зависит надежность изготовления. Можно увидеть, что собственная САПР всегда появляется у полупроводниковых фирм как средство повышения производительности труда в тот момент, когда фирма начинает “печатать” большое количество элементов. Потом инженеры полупроводниковой компании могут организовать свое предприятие, как было, например, с Cadence и Mentor Graphics, и предложить на рынок некую “универсальную” САПР. Однако исторически сложилось так, что Motorola имеет свою топологическую САПР, Fujitsu Microelectronics - свою, и они не собираются переходить на какие-то другие инструменты. Ведущие полупроводниковые компании вложили большие деньги и средства в разработку и верификацию собственного инструментария, но зато они уверены, что спроектированное на модели будет воспроизведено в точности.

С другой стороны, полупроводниковые компании понимают, что не имеют ни времени, ни средств для развития своих инструментов, поддержки пользователей САПР из сторонних компаний. Ведь их основной бизнес не связан с программированием. В то же время ни одна полупроводниковая компания не может замкнуть на себя все проекты (скажем, выполнять для всех логическое проектирование, тестирование). Поэтому параллельно они сотрудничают с независимыми производителями САПР. При этом задача той же Cadence - заполучить как можно большее число полупроводниковых компаний, чтобы те проверили ее инструментарий на своих проектах. И по мере увеличения перечня таких компаний продукты Cadence, равно как и любые другие продукты, прошедшие массовую успешную апробацию, становятся стандартом де-факто. Но+ маленький нюанс: после того как выполнено проектирование схемы с применением любого из известных инструментов, специалисты Fujitsu Microelectronics трансформируют проект в свою внутреннюю САПР, проводят финальную верификацию и только затем запускают проект в производство. Думаю, что и все прочие полупроводниковые компании поступают аналогичным образом. В настоящее время САПРы третьих фирм играют лишь роль интерфейсов между проектировщиками и производителями.

Разделение труда только складывается, нельзя разложить производственный цикл по полочкам: одни проектируют, другие разрабатывают топологию, третьи “выпекают”. При таком раскладе трудно найти ответственного за возможные проблемы. Если после изготовления схема, спроектированная с применением инструментария третьей фирмы, имеет плохие временные параметры, например, некий библиотечный элемент не удовлетворяет спецификации, то ответить на вопрос, кто виноват - математический аппарат третьей фирмы или технология производителя, можно только после проверки на эталонном инструментарии проектирования, которым владеет производитель.

Как покупатели и продавцы IP-блоков находят друг друга

Мы пользуемся платным ресурсом design-reuse.com (ежегодная плата - $1000). Ресурс обеспечивает набор сервисов: публикует перечень ядер, предоставляет информацию об их владельцах, транслирует запросы тем, в чей адрес они поступили, чтобы потенциальные партнеры могли общаться друг с другом без посредников, готовит квартальный отчет о рынке IP на основе реальных запросов, поступивших на ресурс, а также оказывает рекламные услуги зарегистрированным участникам ресурса - распространяет информацию на различных выставках и т. д. Однако design-reuse.com не проводит никакой патентной экспертизы и не подтверждает работоспособности ядра. Узнав координаты владельца необходимого ядра, можно сразу купить лицензию на его использование или попросить изготовить пилотную партию. Уровень сложности проектирования схемы с использованием IP-блоков зависит от способа лицензирования - объема той информации, которую предоставляет разработчик ядра. Всего существует три подхода. “Soft core” - самая дорогая лицензия, так как покупатель получает исходные тексты на языках Verilog и VHDL с описанием не абстрактной функциональности, а схемы, пригодной для синтеза с использованием библиотеки элементов конкретного производителя. При лицензировании по “firm core” заказчику предлагается схема, оптимизированная по библиотечным элементам выбранного производителя и готовая к разводке топологии. Заказчик не может восстановить исходную функциональную схему, а способен только повторить схемотехническое решение, причем в лицензии может оговариваться количество допустимых повторений. И наконец, самый жесткий вариант - “hard core”, когда продается образец геометрии, готовый топологический кусок, библиотечный элемент. Владелец лицензии выпускает пилотные партии лицензируемого IP-ядра у разных производителей. Фиксируется часть кристалла, занятая IP-ядром, а покупателю отводится оставшаяся часть для заполнения своей схемой и набор портов для сопряжения с IP-ядром. Если заказчик просит переместить IP-блок в другое место, лицензия обходится немного дороже, потому что ее держатель любое изменение топологии рассматривает как новый проект. Мы лицензируем свои ядра по “soft core”, поскольку воплотили их по технологиям только двух производителей - Samsung и Fujitsu. Чтобы изменить модель лицензирования, такого партнерства недостаточно. Модель “soft core” позволяет заказчику обращаться к любому производителю. Лицензии “hard core” продает, например, компания ARM. Их ядро, отличающееся низким энергопотреблением, пользуется спросом на рынке сотовых телефонов. Высокий доход от продаж позволил специалистам ARM верифицировать ядра во многих компаниях, которые со своей стороны также заинтересованы в получении соответствующих лицензий. В результате ARM может лицензировать топологию, пригодную для запуска в производство, на большинстве фабрик.

Авторские права

Третейского наблюдателя в мире нет, и доказать в суде свои авторские права бывает чрезвычайно сложно. Например, сейчас идет тяжба между компаниями MIPS и Lekstra. Последняя разработала свой микропроцессор, использующий ту же систему команд, что и микропроцессор MIPS, но более дешевый. MIPS запатентовала отдельные блоки своего микропроцессора и на этом основании предъявляет иск к Lekstra, но та заявляет, что при проектировании не нарушала ничьих авторских прав. Неопределенная ситуация с авторскими правами является одной из причин, почему ARM лицензирует “hard core”, а не “soft core”. Мы же придерживаемся подхода, что те время и средства, которые требуются на закрытие своего ядра, лучше потратить на разработку следующего, более совершенного, и таким образом быть впереди.

Сотрудничество с зарубежными партнерами

Наш основной партнер - Fujitsu Microelectronics Europe со штаб-квартирой в Германии; ее отделения во Франции, Англии, Германии и Италии имеют свою специализацию. Так, подразделение в Англии, являющееся нашим активным партнером, занимается проектированием аналоговых блоков. В частности, сейчас по нашему заказу здесь проектируется аналоговая часть новой аналого-цифровой микросхемы. Мы проектируем и осуществляем предварительное размещение всей цифровой схемы, затем передаем ее в германское подразделение Fujitsu для выполнения топологии. английское и германское подразделения контактируют напрямую, чтобы выполнить топологию для аналогового узла. Нам передается только описание в виде SDF-файла (формат выходного файла с топологическими задержками), необходимое для оптимизации временны/х параметров операционных узлов, и так называемое дерево синхросигналов (clock tree). Для расчетов цифровых узлов специалисты Fujitsu применяют собственную САПР, которой также пользуемся и мы (до размещения элементов на кристалле). Связь с зарубежными партнерами осуществляем по Интернету с применением специальных ключей защиты. Продолжается наше сотрудничество и с английскими, немецкими и итальянскими дистрибьюторами. Сейчас ведем переговоры с американскими и китайскими компаниями.

***

НТЦ “Модуль” являет собой пример команды ученых, которые сумели в очень сложное для российской науки время довести свои идеи до практической реализации - создания уникальных процессорных архитектур и построения на их основе законченных комплексов цифровой обработки сигналов и изображений, функционирующих в режиме реального времени. Зачастую наши ученые, имея даже, как им кажется, хорошие алгоритмы, исключены из общения с мировым сообществом, они не знают современных систем автоматизированного проектирования, принципов схемотехники и возможностей применения IP-блоков. Поэтому-то и нужно привлекать западных вендоров: строить фабрики, лаборатории и т. д., а нашим разработчикам - больше участвовать в международных выставках и конференциях, знакомиться с международным опытом.

С другой стороны, создание в стране только школы разработчиков, без развития собственного промышленного производства, не обеспечит подъема полупроводниковой отрасли в России, так как сильная конкуренция со стороны Texas, IBM и других известных вендоров не позволит российским специалистам размещать свои заказы на фабриках в Южной Азии.

НТЦ “Модуль” (www.module.ru) занимается разработкой встраиваемых систем, которые можно использовать в задачах управления и цифровой обработки сигналов. Четыре года назад, когда решалась задача распознавания изображений, инженеры НТЦ пришли к выводу, что с помощью микропроцессоров компании Texas Instruments нейронные сети эмулируются неэффективно, и разработали свой 64-разрядный DSP (процессор цифровой обработки сигналов) - NM6403. Что очень важно, новый DSP не остался лабораторным образцом с ограниченным применением. Fujitsu Microelectronics Europe купила лицензию на IP-ядро сроком на 4 года для использования в системах реального времени передачи видеоданных. Специалисты “Модуля” спроектировали систему технического зрения (СТЗ) на основе платы с четырьмя NM6403. Ядро СТЗ может распознавать различные виды транспорта, движущегося по нескольким полосам дорожного полотна. В настоящий момент к запуску в производство готовится новый 64-разрядный DSP - NM6404 на базе улучшенного NMC-ядра, по системе команд совместимый с NM6403. С переходом на технологию 0,25 мкм производительность нового микропроцессора возрастет в 5 раз.

Дмитрий Фомин

Версия для печати