Газета 'Промышленные ведомости'
Главная Подшивка Подписка Редакция Партнерство Форум
Содержание номера 

Рынок микроэлектроники и место на нем России

Яков Федотов

,
д. т. н., профессор, заслуженный деятель науки РФ, лауреат Ленинской премии

Развал Советского Союза нанёс удар по отечественной электронике, от которого ей нескоро удастся оправиться. И наиболее серьезной проблемой оказалось создание электронного вооружения. Ведь давно ушли в прошлое «пуля — дура, а штык — молодец». Не говоря уже о самонаводящихся снарядах, даже в стрелковое вооружение все в большей степени проникает электроника.
Сегодня большее значение повсеместно приобретает электронная обработка информации. Доминируют же в современной электронике принципы интегральной электроники (микроэлектроники).
В США в общем объеме производства изделий интегральной электроники в 350 млрд. долл., планируемом на 2002 год, военная электроника должна составить «лишь» около 3,5 млрд. долл., или около 1%. По данным американской статистики, в начале 90-х гг. и наша, и американская военная электроника имела объем производства приблизительно в 1,2 млрд. долл., однако в США это составляло где-то 1/20...1/30 общего объема производства изделий этого типа, тогда как в СССР половину объемов производства интегральной техники занимала военная электроника. Зарубежные фирмы осуществляют значительные инвестиции в расширение объемов производства электронной техники. Так фирма Intel (США) в 1996 году обеспечила объем капиталовложений в 3,6 млрд. долл. и их прирост по сравнению с предшествовавшим годом составил 6%.
Если принять за основу статистические материалы США, то там производство электроники оборонного значения возрастет в этом году в три раза, тогда как в России производство аналогичной продукции резко сократилось.
Учитывая ситуацию, необходимо тщательно проанализировать состояние отечественной и зарубежной электронной промышленности с тем, чтобы выбрать наиболее эффективные пути ее реанимации и развития в нашей стране.

ТЕХНОЛОГИЯ ДВОЙНОГО ПРИМЕНЕНИЯ
За последние 10 лет можно было бы многое сделать чтобы поддержать предприятия, производящие крайне необходимую для страны продукцию, в том числе электронику. Но государственные заказы, оплачиваемые из современного скудного бюджета, денег «не делают». «Делают деньги» изделия, покупаемые за деньги, уплачиваемые конечным пользователем. Так что отделять электронику военную от электроники гражданской надо с большой осторожностью. Здесь тесно увязываются вопросы экономические и вопросы качества, надежности. Министерство обороны должно быть прямо заинтересовано в увеличении объема поставок электронной гражданской продукции, ибо только мощные предприятия со значительными объемами производства могут обеспечить высокую надежность и хорошие экономические показатели предприятий, выпускающих одновременно и военную технику аналогичного назначения.
Хотелось бы отметить, что в США Министерство обороны оплачивает только 50% (а иногда всего 30%) стоимости разработки интегральных схем (ИС) для военного использования. Вторую половину оплачивает само предприятие за право использовать эту технологию при выпуске аналогичной гражданской продукции.
Следует также отметить, что Министерство обороны США аттестует ряд гражданских изделий, выпускаемых значительными тиражами в устойчивых технологических процессах, и дает разрешение на использование этих изделий в военной аппаратуре.
Военная продукция малосерийна и в принципе считается убыточной. Именно поэтому она приобретает «право на существование» лишь при значительных тиражах аналогичной гражданской продукции. При равных объемах производства аналогичных изделий военной и гражданской продукции производство оказывается убыточным, и тогда западные фирмы отказываются от военного заказа. Здесь мы имеем образцы «конверсии» или «двойной технологии»: значительные тиражи «гражданской» части объемов производства обеспечивают высокие экономические показате-ли, устойчивый технологический процесс, отсутствие сбоев в проценте выхода («выбросы» брака), и срывов сроков поставки.
Итак, в основе современной электронной промышленности лежит крупносерийное производство. Поэтому пора кончать очаровывать себя термином «кремниевые мастерские». Интегральная электроника, тем более при сверхвысоких уровнях интеграции, относится к кустарному и полукустарному производству крайне отрицательно. И если в силу непреодолимых обстоятельств на него и придется где-то все же пойти, то за это придется платить высокой стоимостью изделий и сложностью обеспечения надежности.
Несколько слов о планировании. Давно пора отказаться от взгляда на рынок, что это бушующая и никем и ничем не управляемая стихия. Если устойчивость социалистической экономики обеспечивалась ее конфискационно-распределительными функциями, когда государством покрывались убытки нерентабельных предприятий, то устойчивость рыночной экономики обеспечивается точностью долгосрочных прогнозов и планов по выпуску конечных изделий, т. е. аппаратуры, приобретаемой и оплачиваемой конечным пользователем. Поэтому производство должно начинаться с планирования, а планирование с оценки платежеспособного спроса и прогнозов по динамике его покрытия. Известно, что субмикронная технология не сулила существенных тиражей из-за высокой ожидаемой стоимости больших интегральных схем. Отсюда возникали сомнения в ее перспективности. Фирма Intel оценила ситуацию и сделала ставку на микропроцессор, как основу для производства персональных и переносных компьютеров. И, как мы можем видеть, не просчиталась.
Таким образом, планирование развития тех или иных направлений в интегральной электронике должно осуществляться не «в процентах от достигнутого» под проценты роста объемов выпуска некоторой «гипотетической» аппаратуры, а под платежеспособный спрос. И речь здесь идет не о «о заявленной потребности» и ее «закрытии», а об удовлетворении спроса на конкретный вид продукции.
Планирование выпуска аппаратуры и обеспечение ее производства изделиями интегральной электроники (ИИЭ) в фирмах (министерствах, ведомствах, концернах), а также увязка этих планов между собой — проблема непростая, тем более когда речь идет о высокой стоимости изделий и высоких уровнях интеграции микросхем. Решать эту проблему следует путем вертикальной интеграции соответствующих производств.
За рубежом давно наблюдается тенденция к вертикальной интеграции. Такие фирмы как IBM производят «сквозную» разработку и выпуск изделий электронной аппаратуры — от кремниевой пластины до законченной (комплексной) аппаратуры, покупаемой и эксплуатируемой пользователем. Вся эта работа выполняется группой внутренних (каптивных) предприятий, работающих (с точки зрения налоговой политики) на правах соответствующих цехов. В условиях вертикальной интеграции, при оценке объемов производства и технологических уровней, сектора (подразделения) крупных вертикально интегрированных фирм необходимо рассматривать как самостоятельные подразделения.

РЫВОК В СУБМИКРОНЫ
Сегодня наибольший интерес, если не сказать — ажиотаж — вызывают ИС с субмикронными минимальными топологическими размерами (МТР) и значительным, зачастую превышающим 10 млн., числом транзисторов на кристалле. Назовем эту категорию БИС — «суперБИС». В общих объемах мирового выпуска ИИЭ этот вид изделий составляет не более 15%. В то же время существует достаточно широкая номенклатура ИИЭ с топологическими размерами элементов микросхем в 1...2 мкм, насчитывающая до 250 000 наименований.
За истекшие 30 лет со времени появления первого микропроцессора технологическая база интегральной электроники развивалась в направлении повышения степени интеграции элементов в кристалле и уменьшения их минимального топологического размера, что диктовалось следующими требованиями:
— повышением быстродействия за счет снижения длины межсоединений и, соответственно, величины их паразитных параметров;
— повышением надежности как за счет снижения длины межсоединений, так и за счет числа паяных соединений на плате;
— улучшением экономических показателей за счет снижения трудоемкости сборочных операций и операций финишного контроля при сокращении числа кристаллов (замене комплекта кристаллов функционально эквивалентным кристаллом).
Однако к концу 1984 г. одним из крупных американских специалистов, Дж. Хайльмайером, была высказана точка зрения, что развитие ИИЭ подойдет к некоторому пределу, при котором названные выше факторы потеряют свое значение. Это подкреплялось следующими доводами.
1. Повышение степени интеграции за счет уменьшения МТР в конце концов приведет к серьезному удорожанию технологического оборудования и повышению амортизационных отчислений, росту потерь от брака (процент выхода годных изделий).
2. Выход на высокие уровни интеграции за счет увеличения размера кристалла приводит к нежелательным последствиям: существенно возрастает вероятность поражения кристалла дефектом в ходе технологических операций. Причиной отказов будут являться и скрытые дефекты, не обнаруживаемые при финишном контроле.
3. Рост числа элементов (транзисторов, контактов «металл — полупроводник», токоведущих дорожек и т. п.) потребует пропорционального увеличения надежности (снижения интенсивности отказов), что вряд ли реально. Приходится считаться с эффектом снижения надежности ИС и с ростом числа вентилей на кристалле.
4. Существенную роль в ценообразовании будет играть объем производства. Высокая стоимость ИС сверхвысоких уровней интеграции затруднит их сбыт, не обеспечит значительных тиражей, в результате чего эта техника будет бесперспективной.
Высказывались предположения, что граница топологического размера получения положительного эффекта от повышения уровня интеграции составит 1 мкм. Высказывались и противоположные точки зрения. В частности, фирма Motorola выступила (1986 г.) с утверждением, что необходим принципиально новый подход к обеспечению надежности: встроенная диагностика, резерв ячеек и алгоритм залечивания дефектов. Эта техника должна позволить устранять дефекты, так сказать, «на ходу», в ходе эксплуатации. Эта же техника может быть использована и для снижения процента брака. Однако следует учитывать, что и надежность, и экономика здесь «завязаны» на одну и ту же систему устранения дефектов.
Фирма Intel первой, и отнюдь не безуспешно, штурмовала рубеж в 1 мкм. За истекшие 30 лет эта фирма прошла путь от 2300 транзисторов в микропроцессоре (МП) 4004, до микропроцессора 1999 года «Merced» на 10 млн. транзисторов с быстродействием 600 МГц. Начата эта разработка была в 1993 году и ориентировалась на технологию с МТР 0,18 мкм.
В 1994 году было продано 35 млн. служебных и 15 млн. «домашних» персональных компьютеров (ПК), основой которых являются микропроцессоры фирмы Intel. К 2000 году было продано соответственно 52 млн. служебных и 48 млн. «домашних» ПК.
Итак, объемы производства явились первым фактором, обеспечившим прорыв фирмы в субмикронную область. Вторым фактором явились элементы встроенной диагностики и реконфигурации («залечивания» дефектов.)
Довольно длительное время в производстве ИС использовались кремниевые пластины диаметром 100...150 мм. Прорыв в субмикронную технологию, резкое повышение уровня интеграции как за счет уменьшения МТР, так и за счет увеличения размеров кристалла, потребовали увеличения диаметра пластин. По американским данным, для удовлетворительных экономических показателей необходимо, чтобы на пластине размещалось около 250...300 кристаллов. Реально на пластине диаметром 200 мм удается разместить около 100 кристаллов МП типа Pentium. Однако разработка пластин больших диаметров является весьма дорогостоящим мероприятием и оправдает себя только при значительных объемах производства ИС МП.
Более остро стоит вопрос о процессах литографии. Сегодня в обиходе оптическая проекционная литография, разрешение которой в 0,13 мкм вплотную подошло к возможным границам оптической субмикронной технологии. В этой области имеет место определенное «противостояние» оптических и электронных проекционных принципов литографии.

МИКРОПРОЦЕССОРЫ
Термин «микропроцессор» появился на грани 60-х и 70-х гг. Возник он в ходе работ фирмы Intel по заказу одной из японских компаний. Задача состояла в разработке комплекта кристаллов, который являлся бы универсальным набором для проектирования семейства калькуляторов. Было выяснено, что функциональные возможности процессоров используются конкретными пользователями приблизительно на 4%. В связи с этим было предложено заменять по возможности логические схемы (логику) памятью, содержащей программы, необходимые тому или иному пользователю. Так появились термины «микропроцессорный набор кристаллов» и «микропроцессор». В этих устройствах сократилось число интегральных схем, повысилась надежность за счет исключения внешней функциональной избыточности, и снизилась их цена. Но параллельно развивалась идея расширения возможностей логики, так как это могло существенно расширить области использования таких устройств, а следовательно, и возможности сбыта. Правда не было четкой ясности, что окажется доминирующим фактором: расширение функциональных возможностей или возрастающая при этом стоимость изделия. Так появились две группы изделий. Название «микропроцессор» сохранила за собой группа с развитой логикой и относительно дорогая. Более дешевая группа изделий, ориентированная на записанные в памяти программы, получила название «микроконтроллеров». Первый четырехразрядный микропроцессор фирмы Intel под шифром «4004» появился, как отмечалось, в 1971 г.
За истекшие 30 лет в области разработки и производства МП доминирует фирма Intel, хотя производят МП и другие компании. Так, например, IBM для собственных нужд производит микропроцессоры по лицензии Intel.
Intel, выпустившая свыше 10 поколений микропроцессоров, продолжает создавать каждые два года новое поколение. Наибольшей популярностью среди них пользовались серии 386, 486, Pentium и их модификации. Последняя разработка, сведениями о которой мы располагаем, рекламируется как IA-64 Merced.
Фирма Intel поставляет 85% МП, используемых в ПК. Потребление МП распределяется следующим образом: компьютеры — 86%, связь — 5%, промэлектроника — 4%, автотехника — 3%, торговля — 2%.
97% рынка составляют МП на 32 и 64 разряда. Рост объемов их производства в 1996 г. на 42% привел к выпуску МП в 148 млн. штук, выручка от продаж которых составила 17,605 млрд. долл.
Фирма Intel сохраняет ведущее положение благодаря значительным объемам капиталовложений, которые в 1996 году достигли 3,6 млрд. долларов, а прирост к предшествовавшему 1995 году составил 6%, или 216 млн. долларов. Большое внимание Intel уделяет вопросам проектирования, в частности в области архитектуры МП. Одним из интересных моментов является изучение фирмой проблемы многоуровневой обработки информации, т. е. перехода от двух уровней к большему их числу с тем, чтобы расширить функциональные возможности микроЭВМ.
Что касается инвестиций в разработку и производство ИС микрокомпонентов, то в мире они составили не менее 27 млрд. долл. Это стоимость строящихся под субмикронную технологию (в основном 0,25 мкм) предприятий, о которых была опубликована соответствующая информация. Производственная мощность таких предприятий проектировалась в 7500 пластин в неделю при их диаметре 200 мм. В настоящее время фирмы планируют освоение МТР в 0,18 мкм и даже 0,13 мкм при диаметре пластин в 300 мм.
Фирма Texas Instruments рекламировала в 2001 году МП по технологии с МТР 0,13 мкм с быстродействием в 1ГГц и с напряжением источника питания в 1 В, в составе которого работает 400 млн. транзисторов с плотностью размещения на кристалле 140 000 логических вентилей. Мы пока не располагаем данными, подтверждающими данную публикацию.

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
Рынок микроконтроллеров (МК) на 2002 год ожидается в объеме в 134,9 млрд. долл., что составляет 42% от общего объема продаж микрокомпонентов. При этом предполагается, что объем продаж МК будет в 15 раз больше, чем объем продаж МП, но стоимость МП в 30 раз превышает стоимость МК. Рынок применения МК широк и многообразен. Их потребители, главным образом, автопромышленность, а также производители офисного оборудования и бытовой электроники. Выпускают МК многие фирмы. Это уже своего рода стандартные микрокомпоненты частного применения. В устройствах вычислительной техники используется 36% объемов производства МК.

СИСТЕМА НА КРИСТАЛЛЕ
Естественно, что логическая часть является основной, центральной частью любого устройства обработки информации. В то же время не менее важное значение имеет и память. Логика без памяти не имеет смысла, и поэтому очень часто их объединяют на одном кристалле. В ряде случаев специально оговаривается, что речь идет о собственно процессоре.
В ходе эволюции систем обработки информации получает дальнейшее развитие интеграция групповых функций на одном кристалле: логика—память—периферия и т. п. Возникло своего рода технологическое направление «система на кристалле».

УСТРОЙСТВА ПАМЯТИ
Память представлена интегральными схемами в широкой номенклатуре: энергозависимая и энергонезависимая, статическая и динамическая, различного объема и времени выборки. Общим для большинства фирм, изготавливающих ИС памяти, является тенденция к увеличению объема поставок. Так, например, фирма Fujitsu к сентябрю 1997 г., основываясь на технологии с МТР 0,35 мкм увеличила производство с 4 млн. до 8 млн. штук в месяц. К марту 1998 года фирма уже вышла на производство в 12 млн. штук в месяц.
Роль памяти в интегральной электронике неуклонно возрастает. Если объем продаж ИС памяти в 1991 г. составлял 12,3 млрд. долл., то в 1995 г. продажи возросли втрое. В то же время распределение ИС памяти по сферам использования остается приблизительно на неизменном уровне: военная электроника — 1%, вычислительная техника — 68...70%, автомобильная электроника — 2%, промэлектроника — 7...8%, связь — 8...10%, торговля — 10...13%.
Считается, что рынок ИС памяти является самым устойчивым и перспективным, продажи на котором в 2002 году оцениваются в 350 млрд. долл.

ЦИФРОВЫЕ ПРОЦЕССОРЫ СИГНАЛОВ
Различают универсальные программируемые и специализированные цифровые процессоры сигналов (ЦПС). Специализированные ЦПС используются чаще всего в модемах и синтезаторах речи. Универсальные ЦПС программируются производителем или поставщиком по заказу потребителя.
ЦПС осуществляют обработку аналоговых измерительных сигналов, трансформированных специальным преобразователем в цифровую форму, в реальном масштабе времени по требуемым алгоритмам, что представляет собой достаточно сложный процесс. Многие поставщики интегрируют все функции ЦПС (функциональная интеграция) в одном кристалле в рамках однокристальных технологий. Начало работ в области ЦПС относится к 1978 году, однако доход от результатов этих работ стали получать много позже, только в 1987 г. Стоимость ЦПС в значительной степени зависит от их сложности и изменяется в широком диапазоне. Цены ЦПС высоких уровней интеграции достигают нескольких сотен долларов, наиболее простые и дешевые устройства приближаются по стоимости к 3 долл.
Прогноз рынка ЦПС на 2000 г. составлял 2 млрд. долл., на 2002 г.— 13 млрд. долл. Существенная доля рынка приходится на область связи, в частности на беспроволочную и сетевую телефонию, модемы, а также на использование в стандартных устройствах частного применения.
Предполагается, что одна из основных характеристик ЦПС — быстродействие — достигнет в ближайшее время 3•103 миллионов команд в секунду, или 3•1012 сек-1, и в ряде случаев они будут серьезным конкурентом акустоэлектронным и акустооптическим устройствам.

ЧТО НАМ ДЕЛАТЬ?
Закончим обзор оценкой, которую дают состоянию нашей интегральной электроники зарубежные специалисты:
«Уцелевшая малая горстка предприятий бывшего СССР из-за специфики военного уклона производства по-прежнему отягчена технологическим отставанием от западных коллег на 4...5 поколений и поэтому неспособна эффективно поддерживать отечественную промышленность изготовителей комплексного оборудования».
Здесь имеется в виду непригодность российской технологической базы поддерживать разработку и производство современной электронной аппаратуры. При этом утрачена также и управляемость отраслью. Поэтому анализ состояния отечественной интегральной электроники надо вести, не относительно предельных уровней технологии, например, с МТР в 0,18 мкм, а относительно состояния мировой интегральной электроники в целом, чтобы найти свое место на мировом рынке. Необходимо в первую очередь определиться, какая радиоэлектронная аппаратура нам жизненно необходима для обеспечения безопасности государства и исходя из этого решать задачу достижения соответствующего технологического уровня ее производства.
Если говорить об электронике оборонного назначения, то ее условно можно разделить на четыре группы:
а) средства обработки информации стратегического значения;
б) аппаратура обработки оперативно-тактической информации;
в) электронное вооружение;
г) электроника боеприпасов.
С достаточно высокой степенью достоверности можно считать, что группа а) будет представлена наиболее сложной электронной аппаратурой, но используемой в минимальных количествах. Это в принципе могли бы быть уникальные образцы
с высокой производительностью обработки информации. Группа г) включает в себя образцы аппаратуры наиболее простые в производстве по технологическим требованиям и выпускаемые значительными тиражами. Эти соображения делают возможным введение системы градации технических уровней по выходным параметрам комплексов аппаратуры. Введение такой системы классификации позволит оценивать технологические возможности предприятий, необходимые объемы производства и потребность по групповой номенклатуре, реальные возможности предприятий и необходимые им меры помощи для расширения объемов производства, или для перехода на более высокий технологический уровень.
Вероятно, что каждому из системных уровней будет соответствовать свой уровень сложности, реализуемый своим уровнем технологии. И рассматривать мы должны не только технические характеристики, но и экономические показатели и, что тоже крайне важно, потребность в электронной аппаратуре того или иного уровня сложности.
Важно также и то, в каком соотношении находятся объемы производства военной электроники и электроники гражданской. «Кормит», зарабатывает деньги производство и сбыт гражданской электроники. Именно гражданская электроника дает свой вклад в госбюджет, откуда мы рассчитываем получать средства для развития военной электроники. Сегодня многие руководители предприятий и организаций, работающие в области электроники, рассчитывают, что военные заказы якобы могут спасти положение. Напрасные и безосновательные надежды. Если по американской статистике военные поставки считаются малотиражными и, в общем-то, убыточными, то и гражданская продукция, выпускаемая в таких же объемах, будет тоже убыточной.
Сама идея интеграции в электронике неизбежно ставит нас перед необходимостью более внимательно относиться к идее вертикальной интеграции. Сегодня речь идет уже о функциональной интеграции и «системе на кристалле». Это подводит нас к идее «сквозного проектирования» и к организационно-административному объединению всех этапов разработки и производства электронной аппаратуры.
Удивления достойно, что мы на протяжении десятилетий упорно пытаемся уйти от путей, проложенных мировым опытом в увязке технических характеристик и объемов производства изделий интегральной электроники и аппаратуры, для использования в которой они предназначены. Этот вопрос так или иначе должен быть решен.
Производство суперБИС требует значительных капиталовложений. Здесь вопрос решается так: или миллионные тиражи, и тогда умеренная цена, обеспечивающая платежеспособный спрос, либо полукустарное изготовление крайне необходимых суперБИС собственного проектирования и изготовления, но тогда уже по цене, которая вызовет на рынке изумление, и для чего должен найтись щедрый заказчик (покупатель). Можно прямо сказать: поскольку мы уже не сможем конкурировать с Западом в части суперБИС — не найдем для этого ни сил, ни средств, ни сбыта — и поскольку мы хотим иметь ограниченное количество, но собственных помехозащищенных систем на собственных суперБИС, то должны будем встать на этот путь. Здесь, как говорится, не только не дано «третьего», но не дано и альтернативного варианта.
Так называемая «двойная технология» нас выручит только тогда, когда убытки от малосерийной военной продукции скомпенсируются доходами от продукции гражданской. Если же гражданская продукция по объемам производства соизмерима с военной, то мы не сможем выйти на уровень мировых цен и избавиться от «электронной оккупации» Запада.
К сожалению, мы растеряли и технологическую базу, и внутренние рынки сбыта. Чтобы их восстановить, нужна серьезная помощь со стороны государства, нужен протекционизм. Десять лет мы уже потеряли...

Главная Подшивка Подписка Редакция Партнерство Форум
  © Промышленные ведомости  
Полезные ссылки  Rambler's Top100