«Ядернаяя зима» российского хайтека

Эта статья представляет собой заочное интервью с Василием Игнатьевичем Мазуром, ведущим разработчиком киевского НТЦ «Схемотехника», и Владимиром Ивановичем Лобановым, кандидатом технических наук, ведущим специалистом московского НПК НИИ дальней радиосвязи (НИИДАР).

Эта статья представляет собой заочное интервью с Василием Игнатьевичем Мазуром, ведущим разработчиком киевского НТЦ «Схемотехника», и Владимиром Ивановичем Лобановым, кандидатом технических наук, ведущим специалистом московского НПК НИИ дальней радиосвязи (НИИДАР). Круг обсуждаемых вопросов, как часто бывает, по мере общения быстро расширялся, захватывая «сопредельные территории», поэтому в какой-то момент я решил закруглиться, а интереснейшие проблемы преодоления «патентного кризиса», создания «станочного парка» современных высоких технологий и анализ мифов современного российского «хайтека» выделить в самостоятельные журналистские исследования, которые продолжат разговор, начатый в этой теме номера.

Как, по каким причинам, в силу каких решений, точек зрения и обстоятельств началось технологическое отставание отечественных предприятий электронной промышленности от «забугорья»? Как это происходило?

В.М.: Вы знаете, что такое ядерная зима? Это период, в течение которого погибают 70–90 процентов людей, оставшихся в живых после ядерных взрывов. Атомные грибы, безусловно, страшная вещь, но еще страшнее — разрушение среды обитания. Посудите сами: военная разруха влечет за собой остановку предприятий — коммуникации порваны, оборудование повреждено, персонал искалечен; остановка заводов приводит к прекращению поставок полуфабрикатов и комплектующих на предприятия-смежники, и те тоже останавливаются. Складские запасы готовой продукции и запасных частей быстро исчерпываются… Начинается безработица. Валютные запасы государства и частных лиц необратимо расходуются на закупки продовольствия и медикаментов, поэтому никакого «оборота капитала» не происходит, заказов на разработки никто никому не выдает. В поисках хоть какого-то заработка народ идет на базары или в простейшее ремесло… Так проходит три-четыре года, и начинается очень опасная фаза: сокращение спроса на инженерную и научную квалификацию, коллапс системы образования, вызванный катастрофическим снижением уровня мотивации ее работников, и, как следствие, острый дефицит профессионалов, способных решать задачи воссоздания производств и разработки технологий. И все это на фоне дисквалификации хороших в прошлом специалистов! Опытом «стариков» молодежь не интересуется и эту огромную ценность теряет.

Так вот. В электронной и радиопромышленности у нас сейчас «ядерная зима». Технологическое отставание, о котором вы спрашивали, — в данном случае неправильный термин. Правильнее говорить о технологической разрухе. А технологическое отставание было предопределено политикой государственного руководства промышленностью еще во времена СССР. И не скажу, что эта политика была принципиально неверной. Освоение производства новых сложных изделий с нуля — дело дорогое и небыстрое. Собака зарыта именно тут. Нас не пугала дороговизна, но мы очень боялись «отстать», «не догнать и не перегнать». Отсюда — копирование технических решений и закупка оборудования за рубежом.

Исключением был только военно-промышленный комплекс, который по своей природе вынужден был работать «на опережение» вероятного противника в части качественных показателей продукции, но и при этом «ухитрялся» где только можно воспроизводить зарубежные аналоги и пользоваться «буржуйским» оборудованием.

Мне часто приходится спорить, отстаивая непопулярную точку зрения о том, что эволюция экономики СССР, включенной в мировой товарообмен, неизбежно привела бы к постепенному вытеснению неконкурентоспособных изделий, порожденных копированием чужих образцов, собственными изделиями мирового уровня. Но это не могло произойти быстро, и времени, как всегда, не хватило. Случилась Перестройка. Именно в тот момент и по причине замены эволюционных процессов революционными начались события, напоминающие развитие сценария ядерной зимы и приведшие к нынешней технологической разрухе.

Как — в стратегическом смысле — нам надлежит поступать в сложившейся ситуации? Что можно и нужно делать для выхода «из тылов» прогресса?

В.М.: Вы спрашиваете «в стратегическом смысле»? Я отвечу, но это будет моя личная точка зрения: стратегические задачи по выходу из сложившейся ситуации на сегодняшний день уже, увы, не связаны собственно с восстановлением или развитием технологий. Перед нами стоит задача, аналогичная той, которую решала страна в период становления авиации и радиопромышленности. Нужно начинать с подготовки кадров.

Я часто слышу о высоком уровне подготовки современных выпускников вузов, но на практике, в своей повседневной работе не вижу ничего, что подтверждало бы этот тезис! Мне очень тревожно! Мы же обманываем самих себя! Контрактная система высшего образования в условиях сегодняшнего прагматизма молодых людей и катастрофически низкого уровня материальной и моральной мотивации преподавательского состава породила условия для «приобретения» не знаний, а оценок, зачетов и рейтинговых баллов с последующим «приемом» экзаменов «автоматом».

Как следствие, инженер-выпускник вуза не способен самостоятельно решать технические задачи не то что завтрашнего дня, но и прошлого века! А ведь те, кого раньше называли опытными наставниками молодых специалистов, сегодня практически все либо на пенсии, либо еще дальше… У меня возникает ощущение паники, когда 28-летний инженер, получив задание рассчитать нагревательную спираль закалочной печи, первым делом хватается даже не за справочник, а за телефонную трубку и звонит 75-летней женщине, работавшей когда-то с такими устройствами, и за малую мзду привлекает ее для решения задачи.

Почему-то более благополучно дела обстоят в области программирования. Мне иногда кажется, что это объясняется чисто психологическими факторами: в общественном сознании сформировался (или, точнее, был сформирован) привлекательный образ профессионала, способного на чистой, комфортной, уважаемой работе неплохо зарабатывать, а при желании превращать свою работу в бизнес, тиражируя интеллектуальный продукт.

Но как только мы обращаемся к чему-то более «железячному», все становится очень плохо. Колоссальный дефицит профессионально грамотных конструкторов! Не профессионалов-пользователей различных CAD-пакетов, а именно профессионалов-конструкторов, способных выполнить необходимые расчеты, разбирающихся в технологии изготовления деталей и узлов. Очень не хватает разработчиков-схемотехников.

Что можно и нужно делать для выхода «из тылов»? Главное — не делать резких движений, не нарушать эволюционный путь развития. Эволюционирующая экономика обязательно даст необходимые средства для прикладной науки и конструкторских разработок. Было бы кому этими разработками заниматься.

И все-таки, как обстоят дела у наших разработчиков цифровой электроники?

В.Л.: Сегодня остро ощущается разрыв поколений разработчиков, резко снизился технический уровень НИОКР (научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы). Более тридцати лет мне приходилось заниматься разработками цифровых систем управления, длительное время я возглавлял отдел в ЦНИИ «Циклон» (головной институт Минэлектронпрома СССР), внедрял микропроцессоры и вычислительную технику в народное хозяйство, поэтому о советских разработках знаю не понаслышке. Если даже в СССР технический уровень проектов был недостаточно высоким, то теперь он опустился до радиолюбительства. Задача старшего поколения проектировщиков заключается в повышении уровня современных разработок и передаче накопленного опыта молодой генерации конструкторов. Надо отметить, что сегодня лишь предприятия оборонного комплекса могут рассматриваться в качестве своеобразных хранилищ этого опыта.

Так, например, в НИИ дальней радиосвязи сложилась группа разработчиков-профессионалов, имеющих 30–40-летний опыт создания систем управления оборонного назначения. Возглавляет группу заместитель руководителя НПП «Полигонные системы ПВО» Ф. А. Кашин. На его счету разработки систем управления радиовзрывателями (РВ) для ракет (изделия 83В6, 88В6, 98В6, 3В46, 9ЖБ920 — изделие «Крым» и др.), а также систем спутниковой навигации и систем полигонных испытаний для головок самонаведения и РВ при работе по движущейся цели. При создании этой техники использовалась как отечественная, так и современная зарубежная элементная база (ПЛИС — программируемые логические интегральные схемы, микроконтроллеры, синтезаторы частоты и т. п.). В группе обобщен опыт проведения работ НПО «Импульс» (Минсредмаш СССР), ЦНИИ «Циклон» (Минэлектронпром СССР), НПП «Полигонные системы», НПП «Редан» и НИИДАР. Эта группа в состоянии выявить недостатки проекта в объеме изделия и предложить решения по их устранению в течение пяти дней (!), что свидетельствует о высочайшем профессионализме и огромном опыте.

Скопившиеся за последнее десятилетие претензии к уровню цифровых разработок — это в основном незнание специалистами инженерных и формальных методов синтеза микропрограммных автоматов (МПА), неумение построить тестопригодную систему и разработать тест со стопроцентной полнотой контроля. Элементарным признаком безграмотной разработки является использование «рассыпной» элементной базы вместо БМК (базовых матричных кристаллов) и ПЛМ (программируемых логических матриц).

Приведите, пожалуйста, примеры современных отечественных разработок микросхем, средств разработки. Утверждают, что их вообще нет либо продолжается копирование зарубежных изделий, насколько это позволяет имеющееся у нас оборудование.

В.Л.: Что может в настоящее время предложить разгромленная электронная промышленность России? В области сигнальных процессоров — разработанные в НПЦ «ЭЛВИС» двухпроцессорные (RISC- и DSP-ядра) микросхемы «Мультикор-11хх» (МС-11хх) на основе 0,54-мкм библиотеки отечественного изготовителя ОАО «Ангстрем». Микросхема МС-11Т имеет интеграцию около 2 млн. вентилей и размеры кристалла 10,1х10,1 мм. Функциональные возможности «Мультикор-11» соответствуют уровню 32-разрядного сигнального процессора TMS320VC5470. Опытные образцы МС-11Т получены в конце 2002 года. На их основе созданы макетные платы, с помощью которых проверяется работа САПР отладки программного обеспечения для МС-11Т. В 2003 году появилась базовая версия инструментального программного обеспечения MCS для сверхбольших интегральных схем (СБИС) на базе платформы «Мультикор». Вся стратегия проектирования НПЦ «ЭЛВИС» четко вписывается в требования технологии разработок «система на кристалле» (СнК, или SoC).

В настоящее время серийные образцы «Мультикоров» содержат уже 15 млн. транзисторов. Кристаллы изготавливаются по технологии 0,25 мкм. Производительность процессоров — порядка 600 Мflops. Напомню, что такую производительность имеет сигнальный процессор SHARC ADSP21160N компании Analog Devices, являющейся флагманом в создании компонентов систем цифровой обработки сигналов (ЦОС). В середине прошлого года был создан процессор по технологии «Мультикор» с производительностью 2400 Mflops и свыше 14 млрд. операций/с для байтовых форматов данных, что соответствует характеристикам самого мощного чипа DSP Tiger SHARC (TS201, 0,13-мкм, 3600 Mflops).

Но мало освоить технологию изготовления и разработки кристаллов — нужно дать проектировщикам инструментарий для создания систем ЦОС на базе «Мультикор». Фирма «ЭЛВИС» блестяще справилась и с этой задачей, разработав системный «Мультикор-конструктор» на основе набора СБИС, позволяющий легко создавать как локальные, так и распределенные системы. В конструктор входят разнообразные средства отладки и моделирования, инструментальные платы и мощное программное обеспечение. Запад не продает систем такого интеллектуального уровня (эмбарго), процессоры же «Мультикор» будут продаваться без ограничений, а тестовые версии инструментального ПО для чипов «Мультикор» передаются разработчикам бесплатно.

В области отечественных БМК достаточно широкая номенклатура: от Н1806ХМ1 (1,5 тысячи вентилей) до 1592ХМ1 (100 тысяч вентилей, 50 МГц). За подробностями обращайтесь к сайту www.angstrem.ru, где знаменитое предприятие «Ангстрем» поместило информацию о своих возможностях. Возможности эти таковы, что проект, выполненный на ПЛИС FLEX10K50, свободно размещается на БМК. Кстати, на том же сайте можно найти информацию и по аналоговым БМК.

Могу отметить, что отечественные БМК в настоящее время решают все проблемы по замене ПЛИС фирмы Altera вплоть до реализации проектов, выполненных на EP1K50.

Вы затронули вопрос программного инструментария разработчика…

В.Л.: Тенденция превращения цифровых схемотехников в программистов родилась в 70-е годы прошлого столетия. Во-первых, потому, что в разработки стал массово внедряться формальный синтез микропрограммных автоматов, а во-вторых, потому, что каждый инженер, согласно существовавшим тогда образовательным принципам, обязан был владеть программированием (но не обязательно программировать!), поскольку для него это то же самое, что в XIX веке счеты для бухгалтера. Сегодня синтез цифровых систем выполняется на формальных микроязыках VHDL, AHDL, VERILOG. Самым простым и самым популярным из них является AHDL. Я бы тоже отдал предпочтение этому языку (чем проще, тем талантливее), однако в качестве стандарта принят VHDL. Фирмы, владеющие технологиями БМК, весьма неохотно берут проекты, выполненные на AHDL, в том числе предприятие «Ангстрем», имеющее многолетний опыт разработок на основе БМК.

Схемотехники стали микропрограммистами. А значит, и проблемы схемотехников и программистов стали общими. Например, программисты не умеют верифицировать свои программы, схемотехники недолюбливают схемную диагностику.

Могу привести простой тест для программистов: из файла триадами поступают целые числа, которые интерпретируются как длины сторон треугольника. Программа должна определять тип треугольника. Ни один из программистов, с которыми пришлось общаться, не определил все четырнадцать наборов тестовых последовательностей. А еще — ни программисты, ни схемотехники ничего не знают о диагностическом процессоре.

Подавляющее большинство используемых у нас программ базируется на зарубежных операционных системах и средах разработки. Но следует знать о существовании эффективных отечественных технологий. Примером такой технологии является ДССП (диалоговая система структурного программирования) и язык РАЯ (МГУ, Н. П. Брусенцов, forth-j.narod.ru/dssp). На РАЯ в ДССП можно писать в 5–7 раз более компактные программы, чем это можно сделать на Си. Сегодня переход на отечественные программные технологии нереален, но когда-то нужно опомниться. Кстати, в МГУ ведутся работы по реализации ДССП-процессора на ПЛИС EP1K100QC208-1, в которых мне удается участвовать.

Хотелось бы сказать о важности отечественной литературы, посвященной опыту разработок пусть даже с использованием западного инструментария. Широкое внедрение ПЛИС фирмы Altera в практику цифровых разработок связано не только с достоинствами этих микросхем, но и не в последнюю очередь с наличием книг отечественных авторов по данному вопросу. Десять лет назад появление САПР ПЛИС Xilinx сопровождалось такими сложностями, что применять эту систему в практических разработках не было ни малейшего желания. В прекрасной же книге А. П. Антонова (Антонов А.П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL. — М.: 2001) не только разобран весь процесс проектирования, к ней вдобавок приложен компакт-диск с САПР MAX+PLUS II, которая хоть и имеет ряд существенных недостатков, но позволяет даже радиолюбителю решать серьезные задачи.

Однако перевод полученного решения на отечественные БМК требует знания формальных методов синтеза МПА. Это связано с необходимостью минимизировать булевы функции, поскольку такая операция не только экономит ресурсы, но и сокращает задержки комбинационной схемы. Аппарат минимизации в САПР MAX+PLUS II реализован из рук вон плохо. Следовательно, цифровику нужно знать азбуку своей профессии: на калькулятор надейся, а таблицу умножения не забывай. Кто умеет работать с картами Карно на 8–10 переменных? Никто. А ведь это азы. Не всегда есть под рукой эффективная программа минимизации, да зачастую (в 99% всех случаев) она и не требуется. Кстати, самым эффективным алгоритмом минимизации является метод обобщенных кодов. Он был проверен мною в конце 1970-х годов при минимизации булевых функций от 45 переменных. До сих пор ничего более элегантного не появилось. Метод разработан в конце 60-х годов на 21-й кафедре Академии им. Дзержинского полковником, доктором технических наук Леонидом Трофимовичем Лавренковым, а развили его и довели до инженерных методик сотрудники той же кафедры, кандидаты технических наук А. С. Кустенко, Н. В. Кузнецов и Ю. А. Салтыков (см. «Вопросы оборонной техники», 1972). В открытой печати [См. также Лобанов В.И. Азбука разработчика цифровых устройств. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001 (шифр ЦПТБ W148 6 | 261)] метод обобщенных кодов появился в 1977 году.

Формальный синтез МПА в указанной САПР тоже имеет дефекты. Недостатков в ней вообще очень много, но это тема для отдельного разговора. При работе с БМК проектировщик всегда должен быть готов к тому, что некоторые элементы и модули придется строить формально. В частности, цифровик обязан уметь создавать любую элементную базу на основе И-НЕ (функционально полный элемент ИЛИ-НЕ в OrCAD не позволит сделать SR-триггер из-за гонок). Например, при работе на предельных частотах для синтеза асинхронных МПА требуется SR-триггер со сбросом, иначе не удастся провести симуляцию в пакете MAX+PLUS II. Применять эвристику для решения подобных задач — все равно что забивать микроскопом гвозди. Вообще, цифровик должен уметь формально строить МПА на любых элементах, в том числе и на лампах, и на реле.

Как жить дальше?

В.Л.: У России есть шанс подняться с колен. Нужна лишь политическая воля. Что касается решения инженерных и научных проблем, то имеет смысл изложить некоторые рекомендации. Заказчикам и руководителям НИИ, ОКБ и НПО нужно производить прикидочный анализ уровня разработок по следующим признакам отсутствия квалификации:

Необходимый минимум практических навыков разработчика-цифровика:

Поверьте, это не пафос идеологии. Поставленная задача предполагает поиск или создание средств и методов ее решения. Появляется нужда в каких-то новых, не существующих в настоящее время инструментальных средствах — программах, приборах, оборудовании. Это все нужно будет брать и делать, а значит, придется много думать и исследовать.

По существу, имеющийся инструментарий определяет то, что мы можем при его помощи получить. Орудуя одним лишь паяльником, я, конечно, сумею собрать любую материнскую или интерфейсную плату, но кому они понадобятся по такой сумасшедшей цене и после столь долгого срока изготовления?! Нужно оборудование. Если ставить перед собой задачи на уровне сегодняшнего дня, то, разумеется, оборудование нужно покупать у «буржуев», не задумываясь и не «жлобясь». Но при этом понимать, что получаемый с его помощью продукт — заведомо вчерашний день по мировым меркам.

Почему? А потому, что и «буржуи» — не волшебники. Разработка технического задания на передовое изделие — даже «у них» — занимает до полутора лет. Потом идет исследование технологических возможностей существующих производств — это еще полгода. Доработки имеющегося оборудования в микроэлектронике — примерно год. А если требуется создать новую технологическую линию, это «удовольствие» растягивается года на три плюс год-полтора на отладку технологического процесса и снижение брака до приемлемого уровня.

То, что об этих «ихних» процессах мы не очень знаем, не должно создавать у нас ощущения, что их нет вовсе. Они есть. Пройдет положенное число лет, и нам будет предложено покупать передовые изделия, выпущенные на новом оборудовании.

А если все наши потребности запросто покрываются нынешней элементной базой, существующими средами разработки (созданными, заметьте, под эту элементную базу, а не наоборот!) и имеющимися в наличии «паяльниками» и «верстаками» (в широком смысле слова), то такой «технологический аскетизм» никогда не позволит нам выйти на первые места в мировом технологическом соревновании.