Организация центра разработки специализированной электронной компонентной базы (ЭКБ) отечественного производства, обеспечивающей создание линейки аппаратуры полного функционального цикла цифровой логистики

Название продукта

Организация центра разработки специализированной электронной компонентной базы (ЭКБ) отечественного производства, обеспечивающей создание линейки аппаратуры полного функционального цикла цифровой логистики.

 

Справка по ситуации с ЭКБ

Современный этап характеризуется трансформацией логистической отрасли в сторону цифровизации, которая меняет алгоритмы и принципы управления процессами движения товаров, дает возможность использования все бОльших и качественно иных информационных ресурсов. При этом трендом является переход от отдельных логистических решений к комплексным на базе специализированных технологических платформ. Соответственно, к первичному оборудованию (аппаратуре, модулям и проч.), обеспечивающему поток данных о движении товаров и к управляющим воздействиям на этот поток, сегодня предъявляются качественно новые требования. Современное первичное оборудование представляет собой комплекс радиоэлектронных средств (РЭС), реализующих новейшие технологии в области навигации, связи, цифровой обработки сигналов, криптозащиты, кодирования и преобразования различных видов информации.

 

В настоящее время в электронной промышленности России широко используется следующая технология разработки и выпуска РЭС:

– разработка дизайн-центрами СБИС;
– комплексирование другими предприятиями СБИС в виде модулей на плате или системы на кристалле с разработкой специального программного обеспечения (СПО) продолжительностью 2-3 года;
– разработка РЭС определенного функционального назначения в виде законченного изделия третьим эшелоном предприятий – также продолжительностью 2-3 года.

Таким образом, общее время создания РЭС, даже при некотором перекрытии начала и окончания технологических этапов работ, составляет 5-9 лет, что не соответствует современным задачам специальных и коммерческих потребителей.

Отдельной проблемой создания РЭС определенного функционального назначения, особенно для специальных потребителей (точная навигация, навигация в закрытых помещениях, решение связных и информационно-навигационных задач в условиях сложной электро-магнитной обстановки т.п.) является недопустимая степень зависимости от иностранной элементной компонентной базы (ЭКБ). В связи с этим на современном этапе Правительством РФ большое внимание уделяется развитию ЭКБ отечественного производства (ЭКБ ОП), особенно в сегментах роста при технопарках.

Однако, в связи с очевидным в долгосрочной перспективе ужесточением со стороны США (и группы других промышленно и технологически развитых стран) политики экспортного контроля электронных изделий в отношении РФ, запланированных мер по обеспечению создания ЭКБ ОП может оказаться недостаточно.

Кроме того, сформированная в Минпромторге и ГК «Роскосмос» программа разработки ЭКБ ОП:
– концептуально ориентирована на миниатюризацию традиционных узлов и элементов РЭА и не в полной мере учитывает наметившейся в последние годы мировой тенденции к разработке программно управляемых элементов РЭА, миниатюризацию в идеологии “система на кристалле”, созданию многосистемных СБИС по технологии SDR (программно-определяемого радио);
– не в полной мере обеспечивает вертикальную интеграцию проектирования (от ЭКБ до законченных систем).

 

Требования современного рынка специализированной аппаратуры к процессу проектирования ЭКБ, радиоэлектронных систем и комплексов

Современный рынок радиоэлектронной элементной базы, в особенности СБИС, характеризуется следующими факторами:

– короткое время, отводимое на разработку – иногда не более одного года. Это связано с требованиями по своевременному обновлению парка аппаратуры, а также с тем, что технологические нормы изготовления СБИС обновляются в среднем каждые 18 месяцев;
– сверхвысокая сложность внутренней схемы СБИС – количество внутренних элементов измеряется миллионами;
– высокая сложность встроенного в СБИС ПО – вычислительные возможности современных СБИС позволяют реализовать на кристалле встроенные функции сложной цифровой обработки сигналов, развитые алгоритмы со многими уровнями вложенности, а также объединять в одной СБИС задачи разных уровней (первичная и вторичная обработка сигналов, управление, ОС реального времени, прикладные задачи, и т.д.);
– высокая степень интеграции («врастания») ПО в аппаратуру – многие сложные алгоритмы, как например декодирование видеосигнала, реализуются смешанным программно-аппаратным методом;
– высокая сложность реализованных в аппаратуре и встроенном ПО алгоритмов работы (например, декодирование видеосигнала, вычисление корреляционных функций и др.), что приводит к большим временным и финансовым затратам на этапе изучения и разбора алгоритмов и стандартов, еще до их реализации в аппаратуре;
– высокая сложность обрабатываемых сигналов, представляющих собой смесь нескольких видов сигналов с несколькими видами шумов (как например спутниковый навигационный сигнал GPS+ГЛОНАСС+Galileo);
– высокая стоимость освоения микросхем в серийном производстве – до нескольких миллионов долларов в технологических нормах 40-65 нанометров и менее.

Анализ приведенных факторов позволяет сделать принципиальный вывод о технической и экономической целесообразности проектирования элементной базы одновременно с конечными функциональными РЭС (устройствами) на ее основе, применяя вертикальную интеграцию и интенсивное моделирование в САПР.

В описанных выше условиях, для достижения успеха на рынке требуется:

– проектировать аппаратуру и системы, не имея в наличии физических образцов СБИС. Введя модель СБИС в САПР при проектировании системы, можно оценить параметры работы системы в целом и ее потребительские свойства до этапа серийного освоения СБИС в производстве. Реализация только этого принципа позволяет радикально снизить затраты в случае, если оказывается, что параметры СБИС неудовлетворительны для данной системы, и СБИС требует корректировки;
– использовать достигнутые результаты (разработанные функциональные блоки) в следующих работах, чтобы увеличить скорость проектирования и вероятность получения работоспособного изделия с первой попытки. Для этого необходима методика разбивки проекта на повторно-используемые блоки и способ их описания и каталогизации;
– сделать результат проектирования предсказуемым, т.е. максимально увеличить параметр FTR (first-time-right – процент получения работоспособного изделия с первой попытки);
– сделать процесс проектирования параллельным (одновременно вести разработку нескольких узлов или блоков), а значит максимально быстрым;
– достичь максимальной миниатюризации аппаратуры;
– достичь минимальной цены компонента или системы;
– достичь минимальной стоимости разработки;
– обеспечить возможность переноса процесса изготовления изделия на одно из предприятий-изготовителей по выбору (полупроводниковую фабрику, сборочное производство).

Чтобы обеспечить такие характеристики процесса проектирования, необходимо решить следующие задачи:
– иметь возможность совместно моделировать и исследовать математические алгоритмы, структуру аппаратуры и программное обеспечение как единое целое;
– использовать модели, описанные на языках высокого уровня (VHDL, Си), а также применять комбинированные описания;
– оптимально распределить функциональную задачу, решаемую устройством, между программой и аппаратурой;
– обеспечить правильное и предсказуемое взаимодействие аппаратных блоков и встроенного ПО;
– обеспечить возможность отладки аппаратной части и программного обеспечения систем до их физического изготовления, с использованием входных сигналов, формируемых как аппаратными средствами (генератор, имитатор) так и программно (математическая модель);
– подготовить отдельные разработанные блоки для сохранения и использования в будущих проектах.

 

Стратегические задачи Центра

Открытие направления «Организация центра разработки специализированной электронной компонентной базы отечественного производства (ЭКБ ОП)», обеспечивающего создание линейки аппаратуры полного функционального цикла цифровой логистики. Целью данного направления является реализация опережающими темпами производства ЭКБ ОП, изначально ориентированной на создание линейки аппаратуры, которая обеспечит все ключевые функции для выполнения задач цифровой логистики (создание полной микроэлектронной компонентной базы для радиоэлектронной аппаратуры специального и общего назначения).

Данное направление призвано функционировать в рамках одной их признанных в РФ критической технологии («Технология создания электронной компонентной базы») и предполагает охват тематических технологических решений: создание дизайн-центров, центров производства фотошаблонов, разработка сложных функциональных блоков (СФБ) для систем на кристалле и систем в корпусе . При этом предполагается сфокусироваться на таких областях применения критической технологии «Технологии создания ЭКБ», как «информационно-вычислительная техника», «телекоммуникации» и «системы безопасности», а также таких целевых нишах, как создание меток радиочастотной идентификации для борьбы с контрафактом и логистики, аппаратуры телекоммуникаций, модулей/аппаратуры для прикладного использования ГНСС «ГЛОНАСС».

В первую очередь планируется сконцентрировать ресурсы на ЭКБ ОП, реализующей новейшие технологии в области навигации (многоканальные мультисистемные ГНСС-приемники с возможностью реализации высокоточного определения ( RTK – и PPP – режимы), модули Indoor -навигации и др.), активной RFID -маркировки ( LPWAN -трансиверы и др.), связи (ШПС-модемы, модули формирования мультисотового мультимедийного пространства на базе 5 G -технологии), кодирования и криптозащиты (криптопроцессоры, аппаратно-программные модули защиты информации на базе автономно формируемой доверенной среды) , а также преобразования различных видов информации и цифровой обработки сигналов.

Особо следует учитывать, что отечественный̆ сегмент гражданского рынка ЭКБ практически не сформирован, поскольку доля импортной комплектации в аппаратуре гражданского применения очень высока. Из этого следует, что разработка ЭКБ ОП путем сосредоточения необходимых ресурсов и компетенций в едином центре, интегрирующем в своем составе структуры, проектирующие и выпускающие СБИС, комплексирующие их в модули и системы на кристалле и выпускающие законченные потребительские изделия, дает не только высокий коммерческий (в т.ч. для специальных потребителей и в т.ч. экспортный) потенциал в рамках направления цифровой логистики. Планируемый ассортимент ЭКБ ОП может быть востребован во многих отраслях, нацеленных на продвижение в рамках технологий «Интернета вещей» (IoT) и «киберфизических систем» (CPS или Индустрия 4.0).

 

Функциональные задачи:

– анализ технологических потребностей цифровой логистики и выработка на этой основе требований к ЭКБ ОП;
– выработка рациональной номенклатуры микромодулей, необходимой для синтеза номенклатуры необходимой ЭКБ;
– проектирование заданной номенклатуры СБИС, микромодулей и систем на кристалле (радиочастотных, цифровых, криптопроцессоров и др.) в дизайн-бюро;
– разработка СПО для СБИС, микромодулей и систем на кристалле;
– организация производства опытных и промышленных партий СБИС, микромодулей и систем на кристалле;
– проектирование функциональных РЭС и разработка СПО, проектирование конструкций конечного оборудования и организация серийного выпуска конечного оборудования как главная задача направления.

 

Характеристика технологических решений ЦР ЭКБ:

– проектирование радиочастотных микросхем в технологиях 65-130 нм;
– проектирование цифровых микросхем в технологиях 12-65 нм;
– проектирование и организация производства миниатюрных приемных и приемо-передающих модулей на рабочие частоты до 15 ГГц;
– выпуск ряда позиций ЭКБ ОП в технологии «система на кристалле»;
– организация производства на предприятиях отечественной и зарубежной промышленности.

 

Ключевые подходы к организации проектирования. Сквозное моделирование элементной базы, модулей и систем

Общепринятым в мировой электронной индустрии средством для представления результатов разработки, которое обеспечивает вертикальную интеграцию и совместимость на различных уровнях, является модель (компонента, устройства, системы). Для быстрого, точного и однозначного использования результатов проектирования более нижнего уровня, каждый разработанный компонент, блок или система должны описываться моделью, которая может быть использована при проектировании системы более высокого уровня. Модель подразумевает описание функций, параметров и поведения описываемого элемента (компонента, системы) при воздействии на него сигналов, температур, излучений и других факторов. Примером широко используемых форматов моделей, совместимых со многими средствами САПР, являются Spice и VHDL описания.

 

Вертикальная интеграция проектирования (от ЭКБ до законченных систем)

Вертикальная интеграция может быть обеспечена, если будут выбраны такие форматы моделей, которые:

– широко распространены и поддерживаются многими существующими средствами САПР;
– позволяют моделировать устройства (компоненты, системы) различной (в идеале – любой) степени сложности;
– допускают все типы описания – текстовый, схемный, физический, и др.;
– могут применяться как для аналоговых, так и для цифровых схем;
– применимы как для низкочастотных, так и для высокочастотных радиоэлектронных узлов.

Подход к вертикально-интегрированному проектированию на основе моделей является не только общепринятым в настоящее время, но и единственно возможным в современных условиях рынка радиоэлектронной аппаратуры.

 

Имеющиеся ключевые компетенции в разработке специализированных навигационных СБИС, модулей и систем

Для работы в ЦР ЭКБ НАП предлагается использовать команду специалистов, которые участвуют в работах по созданию комплектов СБИС для приема и обработки сигналов спутниковой навигации уже более 15 лет. За это время были созданы несколько поколений микросхем, которые успешно прошли испытания и применяются в аппаратуре наземного и космического базирования. Кроме того, на разработанных микросхемах были разработаны ряд модулей и законченных устройств для спутниковой навигации, связи, защиты информации.

Особенностью всех перечисленных устройств является высокая степень интеграции, малые габариты и потребляемая мощность, что достигается применением собственной специализированной элементной базы.

В процессе разработки микросхем командой специалистов создана широкая номенклатура полупроводниковых библиотечных блоков (semiconductor IP), которые могут быть повторно использованы в других проектах. Эти IP блоки пригодны как для использования в последующих собственных разработках, так и для передачи их на возмездной основе другим предприятиям – разработчикам интегральных схем и Систем-на-Кристалле.

Создаваемые IP блоки, имеющие существенный рыночный потенциал, проходят процедуру каталогизации с составлением подробного описания (datasheet) для передачи потенциальным заказчикам. Созданная таким образом библиотека IP насчитывает более 500 продуктов в 28 категориях.

Учитывая рыночную стоимость каждого такого блока, а также их широкую номенклатуру, данная интеллектуальная собственность может в значительной степени повысить стоимость активов создаваемого дизайн-центра, а также обеспечить быстрый и эффективный старт проекта.

 

Предлагаемые ключевые мероприятия:

  • Обеспечение юридического статуса направления.
  • Выделение помещений для функционирования подразделения.
  • Оснащение подразделения средствами проектирования – специализированным оборудованием, компьютерной техникой и лицензионным ПО.
  • Обустройство измерительной лаборатории с электромагнитным экранированием, оснащенной безэховыми камерами.
  • Оснащение центра измерительным оборудованием для исследования экспериментальных и опытных образцов СБИС и модулей.
  • Оснащение центра высокопроизводительным измерительным комплексом для тестирования цифровых, аналоговых и СВЧ микросхем.
  • Выполнение комплекса НИОКР по постановке в центре технологий и методик проектирования, трансферу технологий и библиотек сложнофункциональных блоков.