Может ли россия создать оборудование для производства современных процессоров
Обновлено: 07.07.2024
В вопросе развития отечественной микроэлектронной индустрии один из ключевых вопросов – экономический. Ведь разработка микропроцессоров – удовольствие не из дешевых. В данной статье я попытаюсь на базовом уровне разобрать, сколько стоит разработка современного general-purpose CPU и какие партии необходимы отечественным дизайн-центрам, чтобы выйти на окупаемость.
Себестоимость микропроцессора, который в итоге дойдёт до вашего компьютера/ноутбука/сервера, можно грубо разделить на 3 составные части:
Стоимость разработки вплоть до получения готовых масок для серийного производства микропроцессора. Данный пункт не зависит от масштаба партии произведённых потом процессоров.
Цена производства на фабрике. Данный пункт практически линейно (с оговорками, конечно) зависит от количества произведённых CPU.
Затраты на маркетинг, рекламу и пр. Зависит от многих факторов.
Третий пункт можно сразу выбросить из рассмотрения – он зависит от множества плохо прогнозируемых факторов и не является принципиальным для понимания экономики производства процессоров. Тем более что в нашем случае основной спрос создаётся законодательными инициативами со стороны государства, и затраты на продвижение своей продукции со стороны отечественных дизайн-центров составляют малую часть бюджета разработки микропроцессора.
Разберём первые два пункта на примере 2-х отечественных дизайн центров: МЦСТ и Байкал Электроникс. Их продукция достаточно хорошо известна, и в публичной плоскости есть необходимый объём информации для проведения анализа.
Стоимость разработки. Россия
В общем случае точно оценить стоимость разработки того или иного микропроцессора крайне затруднительно. Во-первых, для этого нужны внутренние финансовые документы компаний, которые недоступны широкому кругу читателей. Во-вторых, даже чисто технически есть множество нюансов в процессе создания конечного продукта, которые могут существенно повлиять на стоимость разработки. Но в случае России у нас есть большое подспорье для такого рода анализа – официальная процедура госзакупок и субсидий.
Не секрет, что разработки МЦСТ практически на 100% дотируются государством (через ОКР и субсидии). Это позволяет нам пройтись по сайту госзакупок/Минпромторга и оценить объём финансирования по проектам.
Для Байкал Электроникс ситуация несколько сложнее. С одной стороны, компания также получает существенные субсидии со стороны государства. С другой, у неё присутствует собственное финансирование, которое является внутренней и непубличной кухней компании. Тем не менее, доступная информация в сети позволяет с приемлемой точностью установить ориентировочные цифры затрат на разработку.
Я аккумулировал в одну таблицу информацию о всех процессорах компаний МЦСТ и Байкал Электроникс, разработка которых началась после 2011 года. Для МЦСТ сумма разработки процессора равна той, какой она была указана в документах ОКР. Для Байкал Электроникс я указал примерную оценку, основанную на информации из открытых источников.
Стоимость разработки, млн руб
Год начала разработки
Год начала серийного производства
Здесь необходимо сделать несколько ремарок:
Основные затраты в разработке всех указанных в табличке микропроцессоров относятся к стадии «Бэкенд» ( третий сверху синий прямоугольник в схеме разработки из данной статьи). Плюс, естественно, затраты на лицензии, создание масок, производство пробных партий и отладку. Т.е. логика процессорных ядер к моменту старта всех проектов по-большей части была готова, т.к. Байкал Электроникс использует лицензируемые ядра от Arm Ltd., а МЦСТ использует уже написанные и оттестированные на предыдущих поколениях процессоров Эльбруса ядра (изменения есть, но они не столь значительные). Поэтому в части оценки общего процесса разработки и его сложности процессоры в табличке хорошо сравнимы (конечно же, при условии схожести других параметров).
В определённый момент Минпромторг вместо использования процедуры ОКР стал применять субсидии, распределение которых по проектам отследить сложнее. Поэтому оценить стоимость разработки некоторых процессоров МЦСТ с приемлемой достоверностью стало сложно, и я для этих случаев поставил в таблице знаки «?».
Есть все основания полагать, что стоимость разработки процессоров, начатых до 2014-го года, получилась выше указанных в ОКР цифр. Причина очевидна – курсовой скачок в 2014-ом году. Если стоимость разработки Эльбрус-8С на момент старта проекта составляла
$27млн, то к моменту окончания в 2016-ом году она могла опуститься почти до $10млн. Поэтому часть субсидий после 2014-го года, очевидно, пошла на покрытие этой разницы.
Итак, давайте попробуем сделать некоторые выводы на основании приведённый таблички.
Цена разработки самых передовых решений (для России сейчас это 16нм), которых отечественный рынок ожидает в 2022-ом году в виде Эльбрус-16С и Байкал-S, составляет около 2 млрд рублей. Если привести к ценам в USD и сделать небольшое округление в бОльшую сторону, то приблизительно можно говорить о сумме порядка $30 млн.
К сожалению, процессоры Эльбрус-16С и Байкал-S ещё только готовятся выйти в свет, и не вся необходимая информация для оценки окупаемости доступна на данный момент. Поэтому для такой оценки мы возьмём основные процессоры в линейках от МЦСТ и Байкал Электроникс – Эльбрус-8СВ и Байкал-М.
Приблизительная оценка стоимости разработки Байкал-М, звучавшая в прессе, составляет 2 млрд рублей. Хотя лично мне данная цифра кажется немного завышенной, но с учётом проблем с набором компетенций и пертурбаций в компании она вполне может оказаться близкой к реальности.
Что касается стоимости разработки Эльбрус-8СВ, то тут необходимо некоторое уточнение. Хотя формально там стоит цифра в 623 млн рублей, это значение выглядит сильно заниженным. В общем-то беглый взгляд на табличку и анализ характеристик процессоров показывает, что Эльбрус-8СВ является по большому счёту итерацией Эльбрус-8С с некоторыми доработками. Видимо, получив в середине цикла разработки курсовой шок (снизивший дотацию от государства в долларовом эквиваленте с $27млн до $10млн в моменте), компании МЦСТ пришлось тянуть Эльбрус-8С «на минималках» и уже в рамках отдельного ОКР доводить процессор «до ума» в виде Эльбрус-8СВ. Т.е. более правильным будет включить в разработку Эльбрус-8СВ стоимость разработки Эльбрус-8С. Это будет составлять 1 млрд 459 млн рублей, что уже выглядит более адекватным значением. Также в стоимость разработки Эльбрус-8СВ, по-хорошему, нужно частично включать создание КПИ-2 , т.к. данная функциональность на современных процессорах обычно располагается на чипе (в Эльбрус-16С так и сделано).
В итоге, если усреднить и округлить цифры, в качестве базовой оценки стоимость разработки процессора класса Байкал-М и Эльбрус-8СВ можно взять $25 млн. Примерно столько стоила разработка для отечественных дизайн-центров, и именно от такой цифры мы будем отталкиваться в дальнейших расчётах.
Для дальнейших рассуждений также важно иметь общую картину о масштабах компаний и их экономической деятельности. Типичный процессорный дизайн-центр – это порядка 100-200 сотрудников. Большее количество имеют уже достаточно крупные центры, занимающиеся широким спектром разработок. Меньшее количество вполне возможно на первых этапах работы компании, пока идёт её становление. Байкал Электроникс - это дизайн-центр размером примерно в 100 человек, МЦСТ - ближе к 200.
В части экономики, за последние 10 лет общая сумма дотаций от государства компании МЦСТ на разработку процессоров составили примерно 9 млрд рублей или (с учётом курсовых колебаний)
$200 млн. Компания Байкал Электроникс с момента своего появления в 2012-ом году получила из различных источников порядка 5 млрд рублей или
Также отметим, что средний срок разработки отечественных процессоров занимает порядка 5 лет до выхода в серию.
Стоимость разработки. Мировой опыт
Вышеприведённые оценки было бы интересно сравнить с мировым опытом. К сожалению, получить точную информацию от компаний уровня Intel или AMD крайне сложно. Тем не менее, из доступных мне источников вырисовывается примерно следующая картина.
Стадия Бэкенда в разработке чипа средней сложности (по меркам гигантов индустрии, конечно же) вроде Intel Core i9-9900K занимает порядка 12 месяцев и осуществляется командой инженеров в 50-100 человек. Затраты на зарплату в таком случае будут составлять порядка $10-$20млн. Но это меньшая часть всего цикла разработки процессора. Лицензии на софт для разработчиков, IP-блоки, стоимость набора масок суммарно может сильно превышать указанную цифру, причём для передовых техпроцессов в разы. Здесь действует общее для индустрии правило – разработка процессора на наиболее современном техпроцессе требует высокой премии. Например, цена набора масок для 7nm техпроцесса на TSMC на данный момент составляет порядка $10 млн, а для 5нм находится где-то на уровне $15-$20 млн. Поэтому суммарная стоимость разработки чипа уровня Intel Core i9-9900K на самом передовом техпроцессе в момент выхода чипа будет составлять порядка $100 млн.
В частных разговорах в Кремниевой Долине с представителями других компаний звучали оценки в диапазоне $50-$100 млн для создания пусть не самого лучшего, но конкурентного на мировом уровне микропроцессора. Данные цифры в целом совпадают с озвученными выше затратами для лидеров индустрии Intel/AMD.
Ещё одним хорошим способом понять масштабы затрат на разработку современных чипов является анализ данных о полученных инвестициях, которые доступны для различного рода стартапов, активно разрабатывающих новое железо.
Здесь очень показательным было бы сравнение с разработками от компании Ampere Computing, потому что они разрабатывают именно general-purpose CPU, причём достаточно близкий по целевой нише к Байкал-S и Эльбрус-16С, только с более продвинутыми характеристиками и техпроцессом. Но, к сожалению, в открытых источниках фигурирует сумма в $40 млн, которая явно не соответствует действительности. Поэтому нам придётся довольствоваться более косвенными сравнениями, но тем не менее, они хорошо дополнят картину:
Nuvia
Данный стартап был основан в 2019-ом году выходцами из компании Apple, стоявшие у руля разработки той линейки процессоров, результатом которой стал выдающийся по своим характеристикам Apple M1. Основатели Nuvia обещали создать процессор «такой же как у Apple, только лучше». Понятно, что с таким «бэкграундом» они легко собрали $293 млн инвестиций, на которые планировалось и создать самый передовой в мире general-purpose CPU. В начале 2021-го года Nuvia была куплена компанией Qualcomm за $1.4 млрд. Наверное, самый быстрый и впечатляющий выход hardware стартапа на моей памяти. Видимо, компании Qualcomm было чем впечатлиться.
SiFive
Компания, основанная в 2015-ом году и являющаяся флагманом экосистемы RISC-V. Разработала целую пачку RISC-V ядер различной степени сложности, от простых до достаточно производительных. Самостоятельно реализовала часть процессоров в кремнии, разработала приличную часть программного стэка экосистемы RISC-V. Сумма инвестиций составляет $190 млн.
Esperanto Technologies
Компания, разрабатывающая сложный чип для ML на 7nm процессе, содержащий внутри 1000+ простых RISC-V ядер (Minion) и несколько продвинутых RISC-V ядер (Maxion). Разработка данного процессора началась в 2017-ом (сама компания была основана несколько раньше). За 2 раунда инвестиций было получено $63 млн, на которые к 2021-ому году был сделан первый чип ET-SOC-1 на 7нм. В 2021-ом был получен ещё $61 млн на дальнейшее развитие. В список работ входит не только само создание чипа, но и разработка специализированного стэка программного обеспечения для ML, адаптированного под создаваемый процессор.
Для вышеперечисленных компаний из Кремниевой Долины средняя стоимость сотрудника будет составлять порядка $200 000 в год, т.е. затраты только на заработную плату будут колебаться в диапазоне $20-40$ млн в год. Эту цифру можно снижать за счёт опционных программ, но сильно ниже она не упадёт, т.к. Долина – недешёвое место для жизни. Для российских дизайн-центров среднюю стоимость одного сотрудника можно смело делить минимум на 4 от калифорнийской, что даёт существенную экономию.
В итоге, можно с определённой долей осторожности сделать вывод, что вопреки сложившимся стереотипам, финансирование отечественных дизайн-центров находится на вполне адекватном уровне, позволяющим разрабатывать если не самые передовые, то близкие к этому микропроцессоры. При этом в глаза бросается заметно более долгий цикл разработки, который существенно превышает типичные для индустрии показатели.
Цена производства
Когда цикл разработки закончен, инженерные образцы отлажены и маски готовы, наступает момент серийного производства созданного процессора. Себестоимость непосредственно производства в общем виде состоит из 2-х частей:
Печать чипов на фабрике (в нашем случае это TSMC).
Корпусирование и тестирование напечатанных чипов.
Давайте попробуем разобраться с экономикой данных этапов. Начнём с конца, как с более простого. Корпусирование и тестирование суммарно добавляют к финальной стоимости процессора что-то порядка 20$. Примерно такие показатели типичны для индустрии, и такие цифры были мне озвучены при запросе на сайте Anysilicon. Правда, эксперты, занимающиеся корпусированием непосредственно в российских дизайн-центрах, озвучили сумму ближе к 30-35$ в текущих реалиях.
Т.к. наши расчёты всё равно оценочные, я буду добавлять на корпусирование и тестирование
30$ для отечественных процессоров и
20$ для зарубежных, округляя до красивых значений.
Печать чипов на фабрике
Если опустить все сложности современных литографических процессов, то производство чипов на фабрике осуществляется путём создания на поверхности кремниевых пластин (или по-английски Wafer) структур, которые и представляют из себя в конечном счёте Ваш процессор. Каждый чип является прямоугольником размером N на M, который должен быть размещен на пластине. Пластина представляет из себя круг диаметром 300мм (в нашем случае). Фабрика продаёт производство пластины, поэтому, чем больше процессоров Вы разместите на пластине, тем дешевле будет в итоге конечный продукт. Иными словами, чем меньше размер вашего чипа, тем он дешевле. Понятное дело, чем продвинутее техпроцесс, тем дороже стоимость одной пластины. Цены для фабрики TSMC выглядят примерно так (взято отсюда):
Помимо количества размещённых на одной пластине чипов, на конечное количество рабочих изделий влияет так называемый «выход годных». Простыми словами, при производстве так или иначе случается брак, и в зависимости от отлаженности техпроцесса общее число работоспособных процессоров, полученных с одной пластины, будет ниже, чем Вы сможете максимально там разместить. Для оценки количества годных процессоров мы воспользуемся удобным сайтом Caly Technologies. Например, для процессора Байкал-М картина будет выглядеть примерно так:
Теперь давайте соберём в одну таблицу интересующие нас процессоры (по которым есть необходимая информация). Также для полноты картины я добавил пару зарубежных чипов, чтобы было с чем сравнить:
Развитие российской полупроводниковой промышленности идёт с переменным успехом. Нужно признать, что создание сложных современных процессоров требует не только квалифицированных кадров, но и огромных инвестиций. Часто в прессу попадает информация о том, что на новую архитектуру западные компании потратили миллиарды долларов. Ясно, что на российском рынке нет никого, кто в первую очередь хотел бы инвестировать подобные проекты, поэтому разработки идут медленно и чаще всего уступают иностранным аналогам. К примеру, новый серверный процессор Baikal-S в тесте Linpack набирает 358 Гфлопс. Для сравнения, игровая приставка Microsoft Xbox 360, которая поступила на прилавки в далёком 2005 году, могла похвастать общей производительностью в 355 Гфлопс.
реклама
Что же, сегодня появилась информация о том, что государство намерено помочь нескольким наиболее перспективным компаниям. Новому процессору Baikal-L достанется 3.8 миллиарда рублей. Они поступят напрямую из Минпромторга, а сам камень выполнен на 12-нм архитектуре ARMv9. Предположительно, первые инженерные камни будут доступны уже в 2023 году, а коммерческие модели лягут в основу ноутбуков корпоративного класса, а также компьютеров и лэптопов для обычных пользователей. Важно учитывать, что цена указанных выше моделей будет аналогична иностранным аналогам, что позволит закупать их не только для военных, но и для школ и других государственных ведомств.
Ещё более внушительным обещает стать Baikal-S2 на архитектуре ARMv9. Он будет создан на базе 6-нм технологического процесса, а в качестве инвестиций Минпромторг готов выделить 5.64 миллиарда рублей. Процессор будет доступен для решения более сложных задач. Это и облачные вычисления и развёртывание серверов для предприятий и банковской сферы. Первый инженерник Baikal-S2 будет доступен в 2025 году. По словам представителей «Байкал Электроникс», всего на новую линейку потратят внушительные 23 миллиарда рублей. При этом на конец 2021 года количество выпущенных чипов текущего поколения составит 130 тысяч единиц, ну а к 2025 году производство будет расти и достигнет 600 тысяч.
Кстати, если на разработки процессоров Байкал государство потратит 9.44 миллиарда долларов, то на создание «Эльбрус-32С» дадут 7.1 миллиарда. В данном случае это исключительно оборонный заказ, а в качестве архитектуры используется отечественная NeuroMatrix.
У Российской Федерации появилась реальная возможность стать мировым лидером в сфере изготовления высокопроизводительных центральных процессорных устройств. Таким образом, миллионы казенных долларов, потраченные на данные научные разработки, могут вернуться в государственный бюджет в виде миллиардов.
По словам отечественных исследователей, они научились буквально выращивать материалы для производства инновационных сверхмощных процессоров. Снабженный подобной микросхемой суперкомпьютер сможет выполнять операции в десять миллионов раз быстрее по сравнению с самыми передовыми современными системами.
Время фотонных компьютеров
Авторами удивительного изобретения стали сотрудники Института минералогии и геологии сибирского отделения Российской академии наук. Специалисты сумели вырастить модифицированные алмазы, которые станут незаменимым элементом для изготовления фотонных компьютеров новейшего поколения. По словам главы научно-исследовательского учреждения Николая Похиленко, алмазные кристаллы с дефектными центрами из германия, которые отныне будут выращиваться в отечественных лабораториях, спровоцируют настоящую революцию в процессорной инженерии.
По своей архитектуре, производительности и тактовой частоте такие микропроцессоры не будут иметь себе равных.
Похиленко рассказал журналистам, что ученые встраивают атомы германия в алмазы, состоящие, как известно, из атомов углерода. Это позволяет выращивать алмазные кристаллы, которые станут основным материалом для производства уникальных центральных процессорных устройств. На основе таких интегральных схем в свою очередь будут выполнены фотонные суперкомпьютеры, отличающиеся от нынешних машин тем, что электроны будут заменены в них на фотоны, то есть кванты света.
Сверхмощным российским процессорам будут доступны петагерцовые и терагерцовые диапазоны. Благодаря этому информационные потоки несравнимо увеличатся, что выведет электронные вычислительные операции на принципиально новый уровень. Похиленко уверяет, что сравнение современных компьютеров с тем, что создают сейчас наши ученые, равносильно сравнению скорости улитки со скоростью сверхзвукового истребителя.
От фотонных компьютеров к искусственному интеллекту
Фотонные процессоры, созданные российскими исследователями, смогут эффективно выполнять свои функции при температуре от нуля до девятисот градусов по Цельсию.
Помимо всего прочего, такие разработки в теории сделают возможным появление реального искусственного интеллекта, чья сообразительность не будет уступать человеческой. Все знают, что даже самые мощные современные суперкомпьютеры пока не могут конкурировать с человеческим мозгом в плане скорости передачи данных и вычислительных способностей. Тем не менее, если увеличить мощность компьютера в несколько миллионов раз, можно уже говорить о создании полноценной интеллектуальной машины, обладающей рукотворным разумом.
Остается понадеяться, что сибирские исследователи доведут задуманное до конца и не похерят свои разработки по причине урезанного финансирования.via
Сегодня микроэлектроника и микропроцессорная техника охватывают все сферы человеческой жизни. Они служат основой не только сложнейших систем управления государством, экономикой, промышленностью, транспортом, но и присутствуют в каждом мобильном телефоне, компьютере, бытовом приборе, автомобиле и телевизоре.
Процесс цифровизации всего и вся привел к необходимости внедрения все более совершенных и надежных устройств, гарантирующих устойчивую работу любой техники вокруг нас. Разработка, производство и внедрение микроэлектронных устройств по праву считаются сферой национальной безопасности любого государства, а точнее, вопросом его национального выживания.
Сегодня мы видим в России только зарубежные образцы таких устройств, и создается впечатление, что отечественной микроэлектроники вообще не существует, что Запад всегда лидировал, мы отстали от него навсегда и от этой зависимости уже не избавиться. Посмотрим насколько это так.
Советская микроэлектроника
Оглянувшись назад, мы увидим, что в советские времена в момент зарождения микроэлектроники Советский Союз был на уровне мировых лидеров и даже в отдельных областях опережал их. Уровень развития советской микроэлектроники обеспечивал возможность создания не только лучших в мире ракет, самолетов, подводных лодок, но и бытовых приборов. Например, в 1964 году на съезде радиоинженеров США был продемонстрирован и произвел много шума выполненный по тонкопленочной технологии первый серийный радиоприемник «Микро», и все заговорили, что СССР обогнал США.
В 1981 году была разработана ЭВМ «Электроника НЦ-8010», первый в СССР прототип персонального компьютера, причём построенный полностью на отечественных микросхемах с отечественной архитектурой, а разработка в 70-е многопроцессорных суперкомпьютеров «Эльбрус-1» и в 80-е «Эльбрус-2» стала прорывом в создании вычислительной техники.
Толчком к бурному развитию микроэлектроники в Советском Союзе послужило решение руководства государства в 1962 году по созданию Центра микроэлектроники в построенном в сосновом лесу городе ― спутнике Москвы Зеленограде. В постановлении предусматривалась комплексная программа организации полного цикла разработки, исследований, опытного и серийного производства микроэлектроники, а также разработка технологий, материалов и оборудования для их производства и центра подготовки соответствующих кадров.
Научный центр сыграл ведущую роль в становлении отечественной микроэлектроники. В начале 70-х в него входили девять научно-исследовательских организаций, пять опытных заводов и специализированный вуз, в которых трудилось около 30 тысяч специалистов.
Были заложены два направления развития микроэлектроники. НИИ точных технологий с заводом «Ангстрем» ориентировались на гибридную технологию, а НИИ молекулярной электроники с заводом «Микрон» ― на полупроводники.
В организациях Центра с учетом опыта ленинградских специалистов были произведены оригинальные разработки, как правило, не имеющие прямых зарубежных аналогов, и по своему техническому уровню они в основном не уступали зарубежным образцам или превосходили их. Список созданных изделий микроэлектроники был весьма внушителен. В 1964 году «Ангстрем» серийно выпускал микроприемник «Микро» и микросхемы «Тропа», в 1974-м появился первый советский микропроцессор, в 1979-м ― микроЭВМ, в 1985 году ― первый в мире персональный компьютер «Электроника-85».
Следует отметить, что в 1965–1966 годах в мире было только три страны, изготавливающие для микроэлектроники прецизионное фотолитографическое оборудование: США, Япония и Советский Союз. Сегодня в Зеленограде еще сохранились компании, разрабатывающие и производящие такое оборудование мирового уровня.
При перечисленных серьезных успехах в конце 70-х началось серьезное отставание. Почему?
Развитие микроэлектроники способствовало бурному росту производства радиоэлектронной аппаратуры, производители которой вместо разработки своих образцов в основном копировали зарубежные аналоги и требовали такого же копирования от разработчиков микроэлектроники, на основе которой аппаратура строилась. Сложившаяся к тому времени политика и практика воспроизводства зарубежных образцов заведомо программировала отставание.
Научный центр под давлением потребителей на два десятка лет оказался завален работой по копированию аналогов, а оригинальные разработки постепенно были вытеснены и замещены зарубежными сходными моделями. В результате «копировальной работы» многие (но не все) коллективы Центра, способные на самостоятельную архитектурную, структурную и схемотехническую разработку оригинальных образцов мирового уровня, постепенно деградировали и оказались неспособны продвигать и реализовывать свои разработки.
К тому же у них были трудности с финансированием работ и заказами на новое оборудование, а западные конкуренты организовали изоляцию от международной кооперации. Такая практика привела к реальному отставанию отечественной элементной базы и аппаратуры от мирового уровня на два-восемь лет, но, несмотря на это, в Центре все-таки были созданы суперкомпьютеры «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2», ставшие базой уже российских компьютеров.
Мировое развитие микроэлектроники
В 90-е советская микроэлектроника окончательно пришла в упадок и к многократному отставанию от Запада, Китая, Японии. Например, компания Intel сделала огромный скачок в повышении частоты на порядок и усовершенствовании технологии изготовления микросхем. К тому же произошел серьезный отток специалистов в США и другие страны, приведший к остановке многих разработок.
За это время сформировался глобальный рынок микроэлектроники и микропроцессоров с оборотом в сотни миллиардов долларов, куда войти было не так-то просто. Монстрами рынка микроэлектроники стали Intel, Toshiba, Samsung, Infineon, Micron, их заводы были построены в Тайване, Японии, Сингапуре, Малайзии, Китае, Корее и других странах. В целом Тайвань, Корея и Япония дают больше половины мирового производства, а если к ним добавить Китай, Сингапур и Малайзию, то Юго-Восточная Азия займет три четверти мирового производства. В Европе только четыре завода: в Германии (в том числе AMD, продавший в связи с перепрофилированием свое оборудование российскому «Ангстрему-Т»), Франции и Ирландии.
Для понимания сложившейся ситуации немного о технологии разработки и производства процессоров. Технология шагнула далеко вперед, для уменьшения объема аппаратуры, потребляемого питания и удешевления производства вместо дискретных элементов их стали размещать на кристаллах ― микрочипах, из которых по заданной архитектуре собирается процессор.
Его разработка и изготовление четко отработаны: головной разработчик определяет архитектуру процессора, структуру и топологию микрочипа, готовит фотошаблоны и отдает их на изготовление специализированным фабрикам, которые изготавливают на кристалле подложку с множеством чипов. В конце процесса подложка разрезается на чипы, которые помещают в корпус, и на плате из них собирается процессор.
По этой технологии произошло разделение: головной разработчик (мозги) процессора ― изготовитель подложки с микрочипами ― изготовитель микрочипа ― изготовитель процессора ― изготовитель оборудования. В отдельную когорту выделились заводы по изготовлению пластин чипов, обладающих уникальной технологией и специализированным оборудованием. Крупнейшим производителем пластин чипов является тайваньская фирма TSMC, ориентированная на удовлетворение заказов разработчиков микроэлектроники и микропроцессоров со всего мира.
Выпуск очень дорогого фотолитографического оборудования для производства чипов монополизировала нидерландская фирма ASML, контролирующая 80 процентов рынка.
Сегодня чипы производятся по нормам 250, 180, 90, 65, 28, 16 и 7 нанометров, и все они находят применение в различной аппаратуре и процессорах. Только половина производства чипов ведется по нормам 28 нм и выше.
С каждым шагом по ужесточению проектных норм изготовления чипов идет стремительное удорожание производства и оборудования, измеряемое миллиардами долларов. Используемая сегодня технология подходит к своему физическому пределу, поэтому следующий этап может лежать в использовании графена, способного существенно повысить производительность процессора.
Российская микроэлектроника
Российской микроэлектронной отрасли для сокращения отставания необходимо было решить следующие проблемы:
― создать фирмы, способные разрабатывать собственную архитектуру процессоров, топологию изготовления чипов и собственное программное обеспечение, совместимое с западными аналогами;
― построить заводы по производству пластин чипов;
― построить заводы по производству корпусных чипов;
― построить заводы по производству процессоров.
Задача чрезвычайно сложная, и, самое главное, надо было иметь своих разработчиков процессоров. В этой части не все советское было потеряно, сохранился коллектив, разработавший в Институте точной механики и вычислительной техники советские суперкомпьютеры «Эльбрус». На базе этой группы в 1992 году была создана компания «Московский центр SPARC-технологий» (МЦСТ), являющаяся базовой организацией кафедры информатики и вычислительной техники Московского физико-технического института и специализирующаяся на разработке универсальных микропроцессоров, управляющих вычислительных комплексов, операционных систем и программного обеспечения. Компания продолжила разработку следующего компьютера этой серии «Эльбрус-3», ставшего основой современных российских компьютеров семейства «МЦСТ» и «Эльбрус».
Архитектура «Эльбруса» оказалась очень удачной и отличалась высокой удельной производительностью в расчете на один транзистор и эффективной бинарной совместимостью с архитектурой Intel/AMD, позволяющей через компилятор использовать уже наработанный массив программного обеспечения платформы Intel и упрощающей работу пользователя при переходе на семейство компьютеров «Эльбрус».
Учитывая, что разработка микропроцессора довольно длительный процесс и занимает порядка пяти лет, такой успех российских разработчиков не прошел мимо внимания западных монстров микроэлектроники. Компания Intel попыталась перекупить МЦСТ, но закончилось это переездом в США только части группы специалистов во главе с научным руководителем Бабаяном, который впоследствии занял очень высокий пост в Intel.
Компания «МЦСТ» продолжила успешную работу, разработала и внедрила в серийное производство семейство многоядерных микропроцессоров «МЦСТ» и «Эльбрус» по нормам 90 и 65 нм с тактовой частотой до 1,0 ГГц, в 2016 году были разработаны и подготовлены к производству микропроцессоры семейства «Эльбрус-8» по нормам 28 нм и тактовой частотой 1,5 ГГц. МЦСТ освоила технологию по нормам 16 нм и готова в 2022 году запустить в производство микропроцессор по этой технологии с тактовой частотой 2 ГГц. Компания собирается к 2025 году разработать процессор на технологии 6 нм, и это позволит ей достигнуть паритета с западными лидерами.
Еще одним лидером разработки российских процессоров является компания Baikal Electronics, специализирующаяся на разработке процессоров в основном мобильного назначения и соответствующего программного обеспечения. Компания внедрила в серийное производство процессор Baikal-T1 по нормам 28 нм и тактовой частотой 1,2 ГГц, планирует переходить на нормы 12 и 7 нм и намерена нарастить в ближайшие годы выпуск процессоров до 600 тысяч штук в год.
При этом обе фирмы производство пластин с чипами по норме 28 нм и выше по своим фотошаблонам заказывают в Тайване у фирмы TSMC и затем в России производят корпусирование чипов и изготовление процессоров. Производство пластин по нормам 90 и 65 нм организовано на заводах «Микрон» и «Ангстрем» в Зеленограде.
Помимо этих двух компаний, в России (в Санкт-Петербурге, Воронеже и других городах) есть ряд мелких компаний и предприятий, разрабатывающих и производящих отдельные блоки и узлы процессоров различной степени совершенства.
Сохранились остатки советского наследия и в Зеленограде. На заводе «Микрон» с 2012 года начали производство микросхем по нормам 180 нм, а с 2014-го перешли на нормы 90 и 65 нм, запустили в производство микропроцессор «Эльбрус-2СМ», планируют переход на нормы 28 нм. Для этого необходимо новое оборудование и инвестиции в размере 1,5 млрд долларов, и без участия государства эту проблему вряд ли удастся решить.
На площадях завода «Ангстрем» в 2005 году была создана компания «Ангстрем-Т» с целью организации производства микросхем по нормам 130–90 нм с перспективой развития на нормы 65 нм. Под реализацию этой задачи компания получила кредит ВЭБ в размере 815 млн евро, на который она закупила сотни единиц оборудования американских и японских фирм, а также приобрела у немецкой фирмы AMD линию по производству пластин чипов.
В связи с введением в 2016 году санкций США сроки ввода оборудования в эксплуатацию были сорваны, и только в 2018 году производство с трудом было запущено, и начался выпуск чипов. Из-за невозможности вернуть кредит компания через процедуру банкротства перешла в собственность ВЭБ, под контроль государства.
Сегодня «Ангстрем-Т» может выпускать до 15 тысяч пластин в месяц по норме 90 нм с перспективой выхода на нормы 65 нм, и его продукция востребована, в том числе и на международном рынке.
Одним из перспективных прорывных направлений может стать использование графена для изготовления чипов. В России ведутся серьезные работы по графену и графеновым нанотрубкам. В новосибирском Академгородке и Институте графена в Москве имеются уже промышленные установки по его производству, и исследуется возможность применения в чипах.
Благодаря сохранению советского задела по созданию процессоров и дальнейшему его развитию на современном этапе Россия вместе с США, Китаем, Японией и Израилем вошла в пятерку стран, разрабатывающих свои архитектуры процессоров, и в состоянии организовать собственное производство микропроцессорной техники мирового уровня.
Все это говорит о возможности создания в России мощной базы микроэлектроники, и для этого имеется самое главное ― отечественные разработчики с полным циклом разработки от чипов до конкретного изделия в системе управления, способные самостоятельно создавать оригинальную архитектуру процессоров, операционную систему и программное обеспечение. Они уже на практике доказали возможность их реализации и доведения до уровня мировых лидеров. Между двумя основными разработчиками «МЦСТ» и Baikal Electronics наметилось разделение сфер: первый ориентирован на стационарные серверы по заказам государства, а второй ― на мобильные устройства.
Сейчас в России пока что не реализована технология производства чипов по нормам выше 28 нм и блоков памяти, в связи с чем приходится пользоваться услугами тайваньской фирмы TSMC. Российские разработчики считают, что они в течение двух лет в состоянии это реализовать при финансовой поддержке государства и приобретении недостающего оборудования. Решение проблемы облегчается и тем, что в России есть фирмы, работающие с нидерландской ASML по созданию фотолитографического оборудования, необходимого для организации полного цикла производства.
Основное оборудование на заводах в Зеленограде уже позволяет вести серийное производство микроэлектроники и частично удовлетворять потребности российского рынка. К сожалению, он на 70 процентов зависит от импорта, в том числе и по оборонному заказу. Например, Роскосмос до 2014 года это, как ни странно, устраивало. Такой подход просто поражает: в советском ВПК не только импортную электронику, даже элементарного транзистора или болта нельзя было использовать. С введением в 2014 году санкций жизнь заставила переходить на чипы завода «Микрон» и архитектуру процессоров «Эльбрус».
Перспективы российской микроэлектроники
В России спрос на микроэлектронику превышает предложение. Бурное развитие и совершенствование информационных систем, всех видов транспорта и бытовой техники требует создания мощной производственной базы микроэлектроники, позволяющей производить ее по замкнутому циклу с отказом от импорта. Необходимо также создавать инфраструктуру по обслуживанию внедряемых процессоров и систем. На внутреннем рынке сейчас нет отечественных компьютеров и мобильных телефонов. Они есть только в опытных образцах и небольших сериях, поэтому необходимы серьезные усилия по организации их серийного производства, а для этого требуются время и деньги. Эту задачу может решить только государство с его финансовыми возможностями, но пока что нет органа, определяющего стратегию развития отечественной микроэлектроники.
Сейчас это направление курируют чиновники Минпромторга и Минцифры, которые в силу своей оторванности от реально происходящих процессов никак не могут обеспечить необходимые темпы реализации нацпроекта «Цифровая экономика». По мнению специалистов, необходим координирующий орган на уровне компетентного госкомитета с соответствующими полномочиями. Смешно возлагать такие надежды на так называемые институты развития по стимулированию инновационных процессов, производящих в основном «чубайсятину», на содержание которых ежегодно уходит до 1 трлн рублей. Кладезь финансовых средств!
Необходимость разработки микропроцессорных устройств в первую очередь связана с государственной и информационной безопасностью, а применение импортной техники никак не гарантирует этого. В последние годы был принят ряд постановлений правительства, обязывающих государственные структуры использовать только отечественные процессоры, и начался постепенный переход на процессоры архитектуры «Эльбрус» и «Байкал». Информационные системы баз хранения данных, имеющих стратегическое значение, переходят на серверы российского производства. В таких структурах, как МВД, РЖД, ПФР, идет внедрение российских процессоров и компьютеров, а электронные паспорта и банковские карты изготавливаются только с использованием процессоров «Эльбрус». С 2022 года в госструктурах предусмотрено внедрение не менее 50 процентов компьютеров на основе российских процессоров. Насколько оно будет выполнимо, пока непонятно.
По имеющемуся научному и конструкторскому заделу и освоенным технологиям Россия в состоянии к 2025 году войти в число мировых лидеров по производству микроэлектроники, насытить государственные структуры и выйти на международные рынки. Сегодня по примеру плана ГОЭЛРО необходим такой же грандиозный план цифровизации и информатизации на базе отечественной микроэлектроники ― предпосылки и база для этого есть. Государству предстоит сосредоточить серьезные усилия и средства на этом жизненно важном направлении, которое обеспечит национальную безопасность и научно-технический прорыв во многих аспектах управления государственными структурами, обороной, экономикой, промышленностью и транспортом.
Читайте также: