Что такое экб в микроэлектронике
Что такое экб в микроэлектронике
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Электронная компонентная база иностранного производства
Space-rocket hardware. Electronic components of foreign manufacture. Order of application
Дата введения 2016-05-01
1 РАЗРАБОТАН Открытым акционерным обществом «Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем» (ОАО «Российские космические системы»)
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 321 «Ракетно-космическая техника»
4 В настоящем стандарте учтены основные нормативные положения следующих стандартов Европейского космического агентства*, военных стандартов США, стандарта организации JEDEC и нормативного документа NASA:
— ECSS-Q-ST-60C «Обеспечение качества продукции космического назначения. Электротехнические, электронные и электромеханические компоненты» («Space product assurance. Electrical, electronic and electromechanical (EEE) components», NEQ)
— MIL-PRF-38535 «Технические требования к производству интегральных микросхем. Общая спецификация» («Performance specification. Integrated Circuits (Microcircuits) Manufacturing, General Specification For», NEQ)
— MIL-PRF-38534 «Технические требования к гибридным микросхемам. Общая спецификация» («Performance Specification. Hybrid Microcircuits, General Specification For», NEQ)
— MIL-PRF-19500 «Технические требования к полупроводниковым приборам. Общая спецификация» («Performance Specification Semiconductor Devices, General Specification For», NEQ)
— JESD370B «Система обозначений полупроводниковых приборов» («Designation System for Semiconductor Devices», NEQ)
— EEE-INST-002 «Выбор, отбраковка, квалификация и снижение рабочих нагрузок компонентов ЭКБ» («Instructions for EEE Parts Selection, Screening, Qualification, and Derating», NEQ)
Введение
При разработке радиоэлектронной аппаратуры в отечественной ракетно-космической промышленности широко применяют электронную компонентную базу иностранного производства. Зарубежные стандарты и спецификации, которые устанавливают требования к электронной компонентной базе иностранного производства для космического применения, по которым она производится и применяется в зарубежных странах, существенно отличаются от действующих в России нормативных документов аналогичного назначения. В России на текущий момент не существует национальных стандартов регламентирующих порядок выбора и применения электронной компонентной базы иностранного производства. Порядок выбора и применения электронной компонентной базы иностранного производства, установленный в действующих ведомственных нормативных документах, не достаточно полно регламентирует все особенности выбора и применения электронной компонентной базы иностранного производства для создания отечественной аппаратуры космического назначения.
Настоящий стандарт устанавливает порядок выбора и применения электронной компонентной базы иностранного производства для разработки и производства отечественной аппаратуры космического назначения, регламентирует единые правила и требования к организации и проведению работ в части выбора и применения электронной компонентной базы иностранного производства в космической технике, в целях достижения высокого уровня качества разрабатываемой аппаратуры и ее полного соответствия требованиям технического задания.
1 Область применения
Настоящий стандарт распространяется на порядок применения изделий электронной компонентной базы иностранного производства, используемых для создания радиоэлектронной аппаратуры ракетно-космической техники гражданского (научного и социально-экономического) и коммерческого назначения.
Настоящий стандарт устанавливает:
— общий порядок и состав работ, проводимых при выборе и оценке правильности выбора и применения изделий электронной компонентной базы иностранного производства;
— перечень требований к изделиям электронной компонентной базы иностранного производства, которые должны быть заданы в техническом задании на разработку радиоэлектронной аппаратуры;
— классификацию изделий электронной компонентной базы по уровню качества;
— состав, форму и порядок заполнения документов для обоснования и разрешения применения изделий электронной компонентной базы иностранного производства;
— основные критерии выбора и оценки правильности выбора и применения изделий электронной компонентной базы иностранного производства;
— формы, виды и порядок заполнения перечней, определяющих номенклатуру изделий электронной компонентной базы иностранного производства;
— правила внесения в конструкторскую документацию наименований изделий электронной компонентной базы иностранного производства и обозначений документов, по которым их применяют.
Перечень групп изделий электронной компонентной базы иностранного производства приведен в соответствии с приложением А.
Настоящий стандарт является основой для разработки отраслевых нормативных и руководящих документов и нормативных документов предприятий.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты и рекомендации по межгосударственной стандартизации:
ГОСТ 2.105-95 Единая система конструкторской документации. Общие требования к текстовым документам
ГОСТ 2.106-96 Единая система конструкторской документации. Текстовые документы
ГОСТ 2.201-80 Единая система конструкторской документации. Обозначения изделий и конструкторских документов
ГОСТ 2.503-90 Единая система конструкторской документации. Правила внесения изменений
ГОСТ 2.701-2008 Единая система конструкторской документации. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению
ГОСТ Р 50109-92 Материалы неметаллические. Методы испытания на потерю массы и содержание летучих и конденсирующихся веществ при вакуумно-тепловом воздействии
3 Термины, определения и сокращения
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 изделие электронной техники; ИЭТ: Изделие, применяемое в электрических схемах функциональных узлов аппаратуры и выполняющее в них определенную функцию.
3.2 покупное изделие: К покупным относятся изделия, не изготовляемые на данном предприятии, а получаемые им в готовом виде, кроме получаемых в порядке кооперирования.
3.3 электрорадиоизделия; ЭРИ: Изделия электронной техники, квантовой электроники и (или) электротехнические, представляющие собой детали, сборочные единицы или их совокупность, обладающие конструктивной целостностью, принцип действия которых основан на электрофизических, электромеханических, электрохимических, фотоэлектронных и (или) электронно-оптических процессах и явлениях, предназначенные для применения в составе радиоэлектронной аппаратуры, невосстанавливаемые и неремонтируемые, не подвергаемые изменениям в процессе создания аппаратуры, в которой их применяют, и изготавливаемые по самостоятельным комплектам конструкторской и технологической документации;
3.4 комплектующее изделие межотраслевого применения; КИМП: Покупное изделие, предназначенное для выполнения определенных технических функций в составе изделий ракетно-космической техники или их составных частей, создаваемое не для конкретного изделия ракетно-космической техники, по самостоятельным комплектам конструкторской и технологической документации и не подвергаемое изменениям в процессе создания изделия, в котором его применяют.
3.5 электронная компонентная база; ЭКБ: Совокупность электрорадиоизделий и электронных модулей.
3.6 электронный модуль: Покупное изделие, представляющее собой сборочную единицу, состоящую из электрорадиоизделий, соединенных при помощи сборочных операций на едином основании (печатной плате, керамической подложке и т.д.) для выполнения заданной функции самостоятельно или в составе другого изделия.
3.7 изделие (компонент) ЭКБ (component, part): Любое изделие, входящее в ЭКБ.
3.8 иностранное производство; ИП: Производство изделия ЭКБ на предприятии, расположенном за пределами Российской Федерации и государств СНГ.
3.9 отбраковочные испытания при изготовлении: Испытания изделия (компонента) ЭКБ ИП, проводимые в процессе изготовления партии изделий ЭКБ ИП, являющиеся неотъемлемой частью технологического процесса, позволяющие выявлять дефектные изделия и обеспечивающие соответствие изделий заданным требованиям и достижение заданного уровня качества изделий.
3.10 отбраковочные испытания при применении: Испытания, которые проводит предприятие-разработчик (изготовитель) изделия РКТ (СЧ изделия РКТ) на закупленных изделиях ЭКБ ИП, без заданного уровня качества, для определения возможности их применения в СЧ изделия РКТ.
3.11 квалификационные испытания: Испытания изделия (компонента) ЭКБ ИП, подтверждающие соответствие изделий заданным требованиям и уровню качества.
3.12 уровень качества изделия (компонента) ЭКБ ИП: Градация качества изделия, установленная в документе, в соответствии с которым применяется изделие, определяющая надежность изделия, область и условия его применения, обеспечиваемая изготовлением изделия в соответствии с требованиями, установленными в документе в соответствии с которым применяется изделие, проведением соответствующего объема отбраковочных и квалификационных испытаний.
3.13 уровень качества изделия (компонента) ЭКБ ИП космического назначения (уровень качества Space): Наиболее высокий уровень качества изделия, предназначенного для применения в РЭА изделия РКТ (СЧ изделия РКТ), предназначенного для эксплуатации в космическом пространстве.
3.14 уровень качества изделия (компонента) ЭКБ ИП военного назначения (уровень качества Military): Уровень качества изделия, предназначенного для применения в РЭА вооружения и военной техники.
3.15 высоконадежные изделия (компоненты) ЭКБ ИП (изделия ЭКБ ИП высокой надежности): Изделия, изготовленные в соответствии со спецификациями или документами производителя этих изделий, в которых заданы, гарантированы или заявлены уровень качества и (или) надежности и (или) область и условия применения изделия, и объем отбраковочных и квалификационных испытаний изделия.
3.16 квалифицированные изделия (компоненты) ЭКБ ИП высокой надежности: Изделия, имеющие квалификационное наименование, указанное в документе, в соответствии с которым применяется изделие и заданный уровень качества, который обеспечивается и гарантируется в соответствии с требованиями стандартов и спецификаций государственных организаций страны-производителя, национальных и (или) международных организаций, осуществляющих стандартизацию в области космической или иной деятельности.
3.17 квалификационное наименование: Наименование изделия, указанное в спецификации выпущенной (согласованной) межправительственной организацией или государственной организацией страны, в которой произведено изделие.
3.18 Перечень квалифицированных изделий (Qualified part list; QPL): Перечни изделий ЭКБ ИП, прошедших отбраковочные и квалификационные испытания, установленные документами, в соответствии с которым применяются данные изделия.
3.19 документ, в соответствии с которым применяют (производят) изделие (компонент) ЭКБ ИП: Стандарт, общая спецификация, частная (детальная) спецификация, контрольная спецификация заказчика (Source control drawing, SCD), документ производителя изделия ЭКБ ИП, выпущенные (согласованные) межправительственной организацией, государственной организацией страны, в которой произведено изделие, заказчиком или производителем изделия, в которых указаны: наименование изделия; функциональное назначение и технические характеристики изделия; требования к изготовлению изделия; перечень отбраковочных и квалификационных испытаний, определяющих качество и надежность изделия; радиационная стойкость изделия; условия и область применения изделия.
3.20 контрольная спецификация заказчика (Source control drawing; SCD): Спецификация, содержащая: наименование изделия, функциональное назначение и технические характеристики изделия; перечень отбраковочных и квалификационных испытаний, определяющих уровень качества и надежности изделия, гарантируемых производителем, согласованные заказчиком изделия; область и условия применения изделия.
3.21 неквалифицированные изделия (компоненты) ЭКБ ИП высокой надежности (уровень качества; HiRel): Изделия, изготовленные в соответствии с требованиями контрольных спецификаций заказчика (Source control drawing, SCD), качество и надежность которых обеспечивается и гарантируется производителем в соответствии с требованиями этих спецификаций или в соответствии с документацией производителя, качество, надежность, область и условия применения которых заявлены производителем.
Применение импортной ЭКБ на российских предприятиях: взгляд на проблему и пути решения
Проблема обеспечения отечественных приборостроительных предприятий современной ЭКБ в условиях западных санкций, мировые тенденции развития компонентной базы и разработки российской ЭКБ. Об этом и не только мы побеседовали с Павлом Гришановичем, коммерческим директором компании ООО «Инкотех», которая поставляет электронные компоненты для изделий, применяемых на самых ответственных участках.
– Начнем с вопроса, который больше всего беспокоит потребителей импортной ЭКБ. Санкции со стороны США и других стран «попортили немало крови» не только отечественным производителям спецтехники, но также предприятиям, изготавливающим гражданскую продукцию. Какие тенденции вы видите и чего ждать потребителям?
Павел Гришанович, коммерческий директор компании ООО «Инкотех»
– Проблема резко обострилась в последние пять лет. Задача поставщиков – снизить риски, связанные с применением приборостроительными предприятиями ЭКБ иностранного производства (ЭКБ ИП). Тут можно найти несколько путей решения. Прежде всего, существенная доля ЭКБ американского производства имеет аналоги на дружественных нашей стране рынках Юго-Восточной Азии. Информирование заказчиков о существовании таких возможностей – ключевая задача поставщиков. Кроме того, исходя из тенденций развития приборостроительной отрасли в России и в мире, компании-поставщики формируют ассортиментные портфели. Их предложения нацелены на то, чтобы закрыть потребности разработчиков аппаратуры, что называется, в комплексе, избавляя от необходимости «ломать голову» над проблемой доступности того или иного компонента.
– Вы ведь говорите о законченных технических решениях. У вашей компании есть такие предложения?
– Мы имеем немалый опыт поставок ЭКБ для СВЧ техники – приемопередающих трактов систем связи, радиолокации, широкополосных систем. Наши специалисты поставили перед собой амбициозную задачу: сформировать законченное предложение по комплектованию передатчиков, приемников, антенно-фидерных устройств. Результат этой большой работы – сбалансированная продуктовая матрица, включающая в себя СВЧ компоненты сантиметрового и миллиметрового диапазонов: полупроводниковые приборы, РЧ-соединители, специализированные решения на СВЧ ламинатах и LTCC.
– Но ЭКБ устаревает очень быстро, есть ли у вас задел на будущее?
– Да, постоянные исследования рынка, как российского, так и зарубежного, позволяют нам иметь свое видение развития ЭКБ в целом и СВЧ электроники в частности. Работу эту мы ведем в парадигме твердотельной электроники ВЧ и СВЧ.
– А можно поконкретнее?
– Сегодня активно развивается компонентная база радиолокации в 3-мм и 8-мм диапазонах. Трендом последнего десятилетия стала миграция с вакуумной СВЧ электроники на более надежную транзисторную. Уже сегодня отечественные предприятия освоили выпуск твердотельных передатчиков мощностью до нескольких киловатт в миллиметровом диапазоне. В ближайшие годы сохранится тенденция «ухода» в миллиметры. Для ряда задач потребуется компонентная база в 3-мм диапазоне.
Широкополосная СВЧ техника требует больших мощностей в сочетании с высоким КПД. Устройства, выполненные по технологии с применением GaN, обеспечивают эти требования, но по большей части их поставляют фирмы в США. Мы подготовили ряд альтернативных предложений, в том числе, широкую линейку GaN усилителей мощности.
– Как изменился рынок поставщиков ЭКБ за последние пять лет?
– Прежде всего, с рынка уходят мелкие компании. Не секрет, что значительная доля в отрасли приборостроения приходится на госзакупки. Особенности применения федеральных законов №275-ФЗ и 44-ФЗ, а также повышение требований к поставщикам комплектующих для спецтехники сделали неэффективной работу небольших поставщиков. Развиваются те компании, которые смогли инвестировать в построение эффективной СМК: это ERP/CRM, логистика, складское хозяйство. Наличие оборудованного склада ЭКБ – систематический ESD аудит, оборудование для хранения чувствительных к влаге компонентов – отнюдь не мелочь.
– Какова, на ваш взгляд, роль поставщиков ЭКБ в выполнении программы импортозамещения?
– Тут можно выделить несколько направлений. Во-первых, систематизация данных о применяемой ЭКБ ИП. Такая информация востребована отраслевыми институтами, ответственными за программу импортозамещения. Во-вторых, крайне перспективным видится сотрудничество с так называемыми зарубежными фаундри. Центры фаундри в Юго-Восточной Азии выполняют заказы на изготовление полупроводниковых приборов по техническим требованиям заказчика.
Наша компания успешно реализует ряд проектов с использованием технических процессов на основе арсенида галлия (GaAs) и нитрида галлия (GaN). Эти технологии позволяют создавать уникальные СВЧ приборы: аттенюаторы, фазовращатели, усилители мощности, МШУ – компоненты СВЧ тракта приемопередающих модулей фазированных антенных решеток. Компания-поставщик может выступать в такой работе в качестве координатора, выявляя потребности и консолидируя заказы заинтересованных предприятий.
– Очевидно, тут не обойтись без проработки технических требований на новую ЭКБ. У вас есть необходимый для этого опыт?
– Мы сотрудничаем с рядом вузов: МИЭТ, ЮФУ. Немалые компетенции накоплены нашими сотрудниками, особенно в части ЭКБ СВЧ техники.
– Какие направления развития бизнеса вы видите в долгосрочной перспективе?
– Поставщики ЭКБ могут помочь в продвижении отечественной элементной базы на зарубежных рынках. Российские предприятия освоили выпуск уникальной продукции: это элементы волноводного тракта, ферритовые изделия, антенная техника. Компании-поставщики принимают участие в зарубежных выставках, ведут работу с большим числом иностранных фирм. Экспорт продукции отечественных предприятий мог бы стать для нас еще одним направлением для развития в ближайшее десятилетие.
– Спасибо, Павел. Надеемся, эти задачи будут успешно реализованы.
– Спасибо вам. Напоследок хочется пожелать всем партнерам осуществления самых амбициозных планов в их нелегкой, но, безусловно, интересной работе.
Особенности национального импортозамещения
Евгений Горнев, д.т.н., профессор, действительный член академии инженерных наук им. А.М. Прохорова, секретарь межведомственного совета главных конструкторов по ЭКБ, главный научный сотрудник АО «НИИМЭ»
Развитие микроэлектроники в России до недавнего времени отличало отсутствие внятной стратегии. Специалистов в 90-е годы осталось очень мало, и к ним мало прислушивались. Пустоту начинали заполнять теоретики, экономисты по образованию и роду деятельности (в лучшем случае) и носители дипломов МВА. Незначительный или вовсе отсутствующий практический опыт они сами недостатком не считали, пребывая в убеждении, что рынок изменит все представления о развитии промышленности в целом, и микроэлектроники в частности. Полученный в прошлом опыт для них не имел большого значения и даже казался вредным. Подход «нам все дадут» стал продуктом деятельности этих горе-стратегов и зиждился на теории, что у нас нет врага (следовательно, спецмикроэлектроника нам не нужна), а глобальная экономика, если понадобится, позволит решить и специализированные вопросы.
Но события на Украине подвели мину под эту теорию и высветили глубинные противоречия между профессионалами науки и промышленности и адвокатами рынка.
Применение зарубежных материалов и комплектующих ЭКБ в изделиях оборонных предприятий увеличивалось в 2000–2011 гг. в среднем на 10–12%. Электронные модули и блоки, поставляемые по кооперации, имеют показатель применения зарубежной ЭКБ до 70%. В производстве спутников «Глонасс-М» — от 75 до 80% западных комплектующих [1].
Объем отечественной ЭКБ на рынке России составляет примерно 16%, около 84% электронных компонентов закупается за рубежом [2]. Так, номенклатура импортной ЭКБ, используемой в отечественной связной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), составляет примерно 2,5 тыс. наименований — от самых современных микропроцессоров, изготовленных по технологии 22 нм, до ЭКБ, уже снятой с производства. К тому же, разработчиками систем применяются большие количества разрозненных аппаратно-программных платформ, не согласованных между собой.
Табл. 1. Поставки зарубежных микросхем для систем связи (по данным Фонда УНИЭТ).
По имеющимся данным, в настоящее время все банковские карты в РФ выпускаются на иностранных чипах [3].
Ключевой проблемой сегодня является неоправданно большая номенклатура используемых микросхем в структурах РОСКОСМОСА, РОСАТОМА и на предприятиях производителей радиоэлектроники для оборонной техники. Количество типов используемой в оборонных системах зарубежной элементной базы невозможно определить. По некоторым оценкам, она составляет около 180 тыс. типономиналов.
Необходимо обратить внимание на особенности ЭКБ для военной, космической и атомной РЭА:
Качество ЭКБ, используемой при создании образцов ВВСТ отечественного производства, считается низким, так как компоненты проходят тестирование на соответствие параметрам формально, что является основным фактором снижения технической надежности вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ) и отказов ее работы [1]. В тоже время, у 90% номенклатуры зарубежной ЭКБ в технической документации указаны только электрические параметры, отсутствуют данные о надежности и стойкости к различным видам испытаний. С учетом трудоемкости контрольно-измерительных операций и испытаний, эти проверки провести для 180 тыс. типов нереально: для этого потребовалось бы более 1 млн. часов или более 100 лет круглосуточной работы. Если же проводятся дополнительные поверки образцов, то они показывают, что процент отказов велик [4]. В оборонной промышленности, в силу крайней необходимости, есть попытки решить проблему, но в области ЭКБ для гражданской и бытовой электроники такие мероприятия вообще отсутствуют. Подобные мероприятия для «оборонки» существуют, по большей части, только на бумаге, заканчиваясь решениями о сертификации ЭКБ, как правило, в составе аппаратуры.
В результате сравнительного анализа зарубежной и российской ЭКБ, были выявлены основные достоинства последней:
Выбор ЭКБ разработчиками РЭА зачастую осуществляется без учета условий применения. Это касается, прежде всего, конструктивного варианта. Так, постоянно поднимается вопрос о применении в системах микросхем в пластмассовых корпусах — для удешевления конечной продукции. Но это ведет к снижению конструктивно-технологических запасов и, как следствие, к снижению надежности аппаратуры. В нашей работе [7] еще в 1998 г. рассматривались вопросы применения пластмассы для корпусирования микросхем и полупроводниковых приборов. Главный вопрос, ограничивающий применение пластмассовых корпусов, — температурный диапазон: в лучшем случае он составляет –10…+85 °С. А в радиостанции «Дуэт Р-43П», предназначенной для жестких условий эксплуатации и организации радиосвязи в структурах МЧС, МПС, МВД РФ, органах управления власти (ее разработчики, наверное, больше всех настаивают на «пластмассе») диапазон температур начинается с –30 °С. Во что превратились микросхемы в пластмассовом корпусе, являющиеся основой «черного ящика», изготовленного в Смоленске в ОАО «Измеритель», после падения российского бомбардировщика Су-24, сбитого в Турции? «В результате исследования установлено: 13 из 16 микросхем энергонезависимой памяти разрушены, три микросхемы — БДД1, БДД2 и БДД5 — повреждены» [8].
Что касается недекларируемых функций, то гарантия их отсутствия возможна только для ЭКБ, разрабатываемой и изготавливаемой в России. Это касается, прежде всего, интегральных микросхем, многослойных плат, модулей и т.п. Любой этап информационного вмешательства в разработку такой ЭКБ чреват введением «закладок», причем, не только при производстве чипов, но и в примененных многослойных корпусах и платах. То есть, подобные риски возможны на этапах от фотошаблона до корпуса (не говоря уже о вшиваемых в микросхемы программах). Электронной компонентной базы, устойчивой к внешним воздействующим факторам, в открытом доступе на рынке просто нет.
С учетом требований Бюро индустрии и безопасности (BIS) Министерства торговли США, лицензированию поставок подлежат следующие электронные компоненты:
Можно приобрести ЭКБ уровней Commercial или Industry, которая полностью уходит с рынка в течение трех–пяти лет. Правда, создатели отечественной аппаратуры ссылаются на высокие или очень высокие цены отечественной ЭКБ, если есть аналоги. Но русские поговорки уже определились на этот счет: «Хорошее дешевым не бывает», «Дорого, да мило, дешево, да гнило». В нижеследующей таблице (табл. 2) приведено соотношение цен отечественной и импортной ЭКБ.
Таблица 2 Сравнение цен (первая половина 2016 г.) отечественной ЭКБ (с приемкой «5») и импортной (Industrial)
Можно сравнить также и цены отечественной ЭКБ (с приемкой 1) и импортной (Industrial) (табл. 3).
Таблица 3. Сравнение цен отечественной ЭКБ (с приемкой 1) и импортной (Industrial)
Сравнивать цены c импортной ЭКБ класса Military не имеет смысла, т.к. она на порядок выше отечественной и подлежит лицензированию для продажи — со всеми вытекающими последствиями.
По данным Минпромторга России, в 2011 г. российские компании закупили за рубежом электронных компонентов на сумму 55 млрд. руб. (эта цифра относится только к закупкам элементной базы и не включает поставки готовой аппаратуры). На 10 млрд. руб. из этой суммы закупка электронных компонентов была произведена оборонными предприятиями России [4].
У отечественных изготовителей аппаратуры имеются постоянные сложности с официальным приобретением импортной ЭКБ, в частности, уровня Space, осложняют ситуацию отсутствие информационно-технической поддержки со стороны поставщика/изготовителя ЭКБ, сложность закупки элементов в малых количествах, постоянная смена типов элементов для ЭКБ индустриального уровня качества и плохая оснащенность сертификационных центров измерительным и испытательным оборудованием. Можно смело говорить, что в нашей стране выросло поколение разработчиков РЭА, не знающее отечественную элементную базу. «Никто не знает, какая номенклатура зарубежных компонентов в какой аппаратуре используется. Даже предприятия–заказчики не знают, по каким каналам закупаются зарубежные компоненты. Это приводит к тому, что нет никакой возможности управлять рисками экспортных ограничений, рисками поставок контрафакта и другими рисками, связанными с использованием импортных компонентов в аппаратуре военного и аэрокосмического назначения» [9]. Все более проявляются тенденции разрешения применения ЭКБ импортного производства «любой ценой», контроль за исполнением принятых решений носит зачастую формальный характер.
Из вышесказанного следует, что разработчики аппаратуры не создают никакой альтернативы применению иностранной элементной базы. Копирование же ЭКБ иностранного производства может привести к постоянному отставанию характеристик создаваемой РЭА от технического уровня конкурентов и потенциальных противников. Не говоря уже о нарушении авторских прав. В области электроники для коммерческой аппаратуры ситуация кажется еще более удручающей, почти безнадежной.
Таким образом, поставки ЭКБ, необходимой для военной, космической и атомной РЭА, из-за рубежа невозможны. Следовательно, обеспечить промышленность ЭКБ спецприменения можно только путем развития ее производства в России.
Следствием импортозависимости в области ЭКБ является постоянное гарантированное отставание тактико-технических характеристик (ТТХ) российской РЭА, создаваемой из доступной покупной, а, следовательно, не новейшей импортной ЭКБ, от ТТХ аппаратуры зарубежных конкурентов-противников. Результат — более тяжелые и объемные, более энергоемкие и дорогие образцы отечественной аппаратуры, которые уже в момент своего появления уступают по этим параметрам зарубежным конкурентам (а то и оснащены несанкционированными закладками).
Министерство промышленности и торговли РФ (Минпромторг) поставило перед собой цель к 2020 г. почти вдвое сократить долю импортной ЭКБ на российском рынке — с 82 до 44%. «Для успешной реализации Стратегии радиоэлектронной промышленности до 2030 г. необходимо, прежде всего, увеличить объемы выпуска за счет сфокусированного развития приоритетных сегментов. К их числу мы относим профессиональную и специальную радиоэлектронику, которые имеют важнейшее значение для экономического потенциала и обороноспособности страны, и на которые будет ориентирована господдержка, — заявил глава Минпромторга Денис Мантуров. — Они определяют степень развития всей промышленности, социальной инфраструктуры и безопасности, при этом демонстрируют высокие темпы роста и большое число перспективных ниш. Именно в данных сегментах мы имеем значительный технологический задел и наиболее развитые компетенции. А более низкие, чем в потребительском сегменте, барьеры на вход и требования к масштабу бизнеса позволяют российским компаниям рассчитывать на завоевание существенной доли рынка». В части импортозамещения ЭКБ Минпромторг ориентируется, прежде всего, на использование регуляторных инструментов [5].
Проблема импортозамещения ЭКБ, в частности, интегральных микросхем — большая номенклатура, применяющаяся в РЭА. При импортозамещении потребуется переработка аппаратуры, так как разработка прямых аналогов микросхем невозможна. При этом нужно учесть, что мощности отечественной электронной промышленности, даже теоретически, в состоянии обеспечить создание и развитие не более 2–3% используемой импортной номенклатуры твердотельной ЭКБ.
Рис. 1. Стоимость разработки микросхемы в зависимости от проектной нормы (данные IBS, GlobalFoundries)
Рис. 2 и Таблица 4 демонстрируют другие варианты (по данным Synopsys, Gartner Dataquest & Altera Estimates) зависимости стоимости разработки от проектных норм. При этом следует обратить внимание, что более половины стоимости составляет разработка пользовательского программного обеспечения, на что у нас обращается очень мало внимания. Отечественные разработки СБИС в большинстве своем используют зарубежное программное обеспечение, что чревато проблемами нарушения авторских прав и обеспечения информационной безопасности.
Рис. 2. Зависимость стоимости разработки СБИС от проектных норм (зарубежные данные)
Табл. 4. Изменение стоимости разработки кристалла.
Эти данные показывают, что среди Fabless-компаний мелким игрокам на рынке делать нечего. Даже при создании чего-то уникального стоимость внедрения может оказаться такой высокой, что не окупится всеми продажами.
Решение задачи импортозамещения невозможно без создания промышленных технологий (особенно уровня менее 65 нм) и соответствующего производства. Для создания производства микросхем современного уровня необходимо следующее (рис. 3):
Прежде всего, стоит проблема создания инфраструктуры обеспечения полупроводникового производства необходимого технологического уровня, а лучше всего — более высокого, хотя бы на следующий шаг. Без создания и сертификации инфраструктуры обеспечения чистыми средами, сверхчистой водой, газами, кислотами, растворителями и т.д. совершенно бесполезно даже говорить о монтаже оборудования, т.к. оно может быть выведено из строя. Только после сертификации каждого трубопровода, каждой системы обеспечения технологического процесса можно начинать монтировать, запускать оборудование, ставить и отлаживать базовые технологические процессы. Без этого все проекты организации современного производства и создания промышленной технологии — пустые разговоры. Процесс создания инфраструктуры занимает более двух лет. Процесс создания и аттестации промышленной технологии с доведением выхода годных разработанных СБИС до 90–95% занимает около двух лет. Intel объявила о техпроцессе 14 нм в середине прошлого года, но промышленное производство микросхем этого уровня появится, в лучшем случае, к концу этого года.
Конечно, в обязательном порядке требуют подготовки и решения, с обязательной аттестацией и сертификацией, вопросы кадрового обеспечения, метрологии и логистики. Последнее очень важно для России, т.к. на сегодня в стране нет пригодных для современной технологи материалов.
Рис. 3. Создание технологий
Задача производства специализированных микроэлектронных и микросистемных устройств для отечественных изделий специального назначения должна решаться с учетом особенностей общего состояния микроэлектронной промышленности в России и за рубежом, из которых можно выделить следующие:
Международное разделение труда в этом секторе экономики высокоразвито, что неудивительно: большие издержки на разработку технологии и организацию производства изделий часто фактически не позволяют осуществить проекты по новейшим топологическим нормам (20, 14, 8 нм) силами отдельной коммерческой структуры. Подобные проекты сегодня реализуются крупнейшими транснациональными корпорациями с привлечением целого ряда льгот и налоговых преференций со стороны поддерживающих проекты национальных правительств [11].
Рост стоимости фабрик каждого следующего поколения (рис. 4) привел к тому, что с развитием технологий сокращается число производителей микросхем по полному циклу — от разработки до сборки и испытаний.
Рис. 4. Тенденция роста стоимости завода, производящего микросхемы
Табл. 5. Затраты на оборудование заводов по обработке пластин [12].
По технологии уровня 90 нм работает девять фирм (Intel, Samsung, STMicroelectronics, Toshiba, IBM, Renesas, TI, Infineon, «Микрон»), по технологии уровня 65 нм — семь фирм–производителей микрочипов по полному циклу от разработки до сборки и испытаний (Intel, Samsung, STMicroelectronics, Toshiba, IBM, Renesas, «Микрон»), по технологии уровня 45 нм — пять фирм–производителей микрочипов по полному циклу от разработки до сборки и испытаний (Intel, Samsung, STMicroelectronics, Toshiba, IBM), по технологии уровня 32 нм — три фирмы (Intel, Samsung, STMicroelectronics).
Несмотря на прилагаемые в последние годы усилия по восстановлению российской электронной промышленности, налицо научно-технические проблемы развития ЭКБ. Это, прежде всего, отставание по техническому уровню отечественной ЭКБ в сравнении с зарубежной. Решение этой проблемы возможно только при создании технологического базиса, позволяющего предприятиям отечественной промышленности выпускать ЭКБ, соответствующую мировому уровню. Притчей во языцех стало отсутствие материалов отечественного производства для создания ЭКБ. В этом же ряду стоит метрологическое обеспечение разработки и выпуска перспективной ЭКБ. Особо следует обратить внимание на нормативно-методическое обеспечение дальнейшего развития ЭКБ — развитие системы стандартизации, обеспечение повышения качества, надежности и стойкости к ВВФ ЭКБ.
Сократить отставание отечественной ЭКБ невозможно без создания научно-технического задела: выполнение фундаментальных, прогнозных и поисковых исследований по созданию ЭКБ нового поколения на новых принципах конструирования и физических принципах. Но как это реализовать в условиях реорганизации институтов РАН, переданных в ведение ФАНО, совершенно непонятно. Несмотря на то, что, например, технологии создания ЭКБ входят в Перечень критических технологий, утвержденных Президентом России, технологические работы Минпромторгом не финансируются.
Минпромторгом России во исполнение поручения Заместителя Председателя Правительства Российской Федерации С. Б. Иванова от 24 января 2011 г. № СИ-П7-4пр приказом от 31.03.2011 № 406 (с изменениями состава в приказах от 30.11.12 № 1797, от 24.11.15 № 3756) с целью выработки рекомендаций по проведению единой технической политики и координации работ в области создания ЭКБ образован межведомственный совет главных конструкторов по электронной компонентной базе под руководством генерального директора АО «НИИМЭ» академика РАН Красникова Г. Я.
Основными задачами межведомственного совета главных конструкторов по ЭКБ являются:
Использование существующих в стране технологических возможностей позволяет обеспечить 80% требуемой номенклатуры ЭКБ в аппаратуре. При этом разработка прямых аналогов невозможна из-за большой номенклатуры и, соответственно, невозможности реализации в стране всех существующих в мире технологических и конструктивных вариантов ЭКБ. На это нужно наложить возможности наших разработчиков. По СБИС это составляет не более 100 проектов в год.
Решение проблемы импортозамещения возможно через межаппаратурную унификацию. Но в настоящее время не решена задача унификации даже на уровне блоков. Необходимо создание минимального комплекта универсальной номенклатуры ЭКБ, позволяющей реализовать необходимые требования к аппаратуре. Необходимо реализовать эффективный «фильтр» ЭКБ в виде «Ограничительного перечня ЭКБ для использования в специальной аппаратуре». При этом определить механизм принятия решений для исключительных случаев отклонения от «Ограничительного перечня…».
Также требуется изменить взаимоотношения между разработчиком ЭКБ и разработчиком аппаратуры. Разработка аппаратуры должна проводиться при непосредственном привлечении разработчиков ЭКБ, начиная с самых ранних этапов. То же самое нужно отнести и к разработке ЭКБ, где разработчик аппаратуры должен быть, как минимум, контрагентом и членом госкомиссии по приемке результатов ОКР.
Таким образом, возможными решениями проблемы импортозамещения являются унификация РЭА и ЭКБ; создание минимального комплекта универсальной номенклатуры ЭКБ; согласование перечня ЭКБ импортного производства с межведомственным СГК с целью унификации решений; взаимное согласование сроков проведения ОКР по разработке ЭКБ и РЭА.
Для реализации данных решений межведомственный совет главных конструкторов по ЭКБ взаимодействует с интегрированными структурами в части организации работ по импортозамещению ЭКБ. С этой целью начата работа по назначению ответственного лица по межаппаратурной унификации на уровне заместителя генерального конструктора системы по ЭКБ. В интегрированных структурах создаются советы главных конструкторов по аппаратуре, в состав которых вводятся представители межведомственного совета главных конструкторов по ЭКБ. В свою очередь, в состав межведомственного совета вводятся представители советов по аппаратуре интегрированной структуры. В интегрированной структуре определяется или создается ответственная организация за унификацию аппаратуры и ЭКБ. Все эти действия должны утверждаться приказами по интегрированной структуре и, соответственно, необходимо организовать взаимодействие межведомственной рабочей группы по ЭКБ межведомственного СГК по ЭКБ и СГК по аппаратуре. При необходимости и взаимному решению в составе межведомственного совета главных конструкторов нужно создавать рабочие группы по конкретному направлению работ по унификации аппаратуры и ЭКБ.
Необходимо обеспечить координацию и руководство работой по развитию, унификации, стандартизации и применению ЭКБ для ВВСТ и двойного назначения в части обоснования программ и планов развития ЭКБ для ВВСТ и двойного назначения, технологий создания ЭКБ и радиоэлектроники; обоснования программ и планов стандартизации ЭКБ, разработки нормативно-правовых актов и важнейших стандартов; обоснования правильности выбора и применения ЭКБ в ВВСТ; обоснования системы управления качеством ЭКБ на всех этапах жизненного цикла, оценка соответствия ЭКБ заданным требованиям. Правда, есть уже упомянутая опасность войти в противоречия с принципами стандартизации в Российской Федерации — прежде всего, это принцип добровольного применения стандартов.
Это организационный этап, и далее требуются конкретные действия разработчиков ЭКБ и РЭА по импортозамещению.
У разработчиков аппаратуры очень популярны ПЛИС, позволяющие решать много вопросов при широкой номенклатуре возможностей и малых количествах микросхем. ПЛИСы разрабатываются и выпускаются также и в России. При этом проблему недостаточности технологического уровня для производства новейших ПЛИС частично можно решать использованием БМК. Так, ПЛИС с технологическим уровнем 0,028 мкм воспроизводятся на БМК с уровнем 0,09 мкм, которые проектируются в АО «НИИМЭ».
Другой проблемой является отсутствие в России отечественных программно-аппаратных комплексов программирования ПЛИС. Минпромторгом поставлена НИР в том же АО «НИИМЭ» по разработке такого комплекса.
Проблемой является неудобство применения БМК по сравнению с ПЛИС. Но она решается обучением специалистов и оснащением аппаратурных предприятий современными САПР с целью перехода с макетирования на ПЛИС на моделирование на БМК. Дополнительный эффект за счет совершенного моделирования заключается в возможности перехода на «продвинутые» технические решения.
Импортозамещение многих аналоговых микросхем возможно использованием аналого-цифровых БМК (АЦ БМК) для реализации большого числа схем, таких как операционные усилители, компараторы, источники опорного напряжения, ключи и др. Использование АЦ БМК решает также проблему нехватки специалистов разработчиков аналоговых схем в аппаратурных предприятиях, так как проектирование конкретной аналоговой схемы, как правило, производится централизованно в дизайн-центре, обладающем соответствующими компетенциями.
Базовым вариантом решения проблемы импортозамещения и унификации аппаратуры и ЭКБ должен стать анализ блоков и ТЭЗ РЭА с целью реализации их функций в СБИС.
Анализ блоков и ТЭЗ с выведением их функциональных моделей, с одной стороны, позволит расширить применение существующих СБИС с переделкой соответствующих блоков, узлов и модулей. С другой — даст объективную картину необходимости реализации некоторых моделей в новых типах СБИС. Во-первых, будут получены типовые унифицированные решения, во-вторых, поднимется надежность и снизится трудоемкость создания РЭА из-за сокращения количества применяемой ЭКБ. Итогом анализа станет целесообразность использования импортной ЭКБ в качестве дополнения недостающей номенклатуры российских электронных компонентов. Правда, при этом разработчикам микросхем предстоит большая и серьезная работа по созданию информации о буферах ввода/вывода (IBIS-модели), но она того стоит.
Импортозамещение нельзя толковать как выпуск точных копий ранее импортируемых зарубежных комплектующих или изделий. Необходимо перевооружение предприятий и переход на новые современные и перспективные технологии. Импортозамещаемые изделия должны быть конкурентоспособными на внешнем рынке и таким образом повышать экспортный потенциал страны. Импортозамещение в настоящее время требует ускоренных темпов работы.