Fabless notes

Архив

Эта статья представляет собой заочное интервью с Михаилом Алексеевым - ведущим инженером зеленоградского ГУП НТЦ "Элвис", участником разработки, вероятно, самых мощных в мире на сегодняшний день "систем-на-кристалле" - вычислителей серии "Мультикор".

Эта статья представляет собой заочное интервью с Михаилом Алексеевым - ведущим инженером зеленоградского ГУП НТЦ "Элвис"[ГУП НТЦ "Элвис" - Государственное унитарное предприятие Научно-технический центр "Элвис"], участником разработки, вероятно, самых мощных в мире на сегодняшний день "систем-на-кристалле" - вычислителей серии "Мультикор".

 

Как давно ваша жизнь связана с Зеленоградом?

- Хотелось бы сразу предупредить читателя: все, что я скажу, является исключительно моим частным мнением.
Я получил высшее образование в свердловском УГТУ-УПИ[Уральский государственный технический университет. В прошлом - Уральский политехнический институт]. Мы - студенты - взахлеб читали ваш журнал со статьями об отечественном процессоре "Эльбрус". Читали и убеждались, что ни от кого Россия, в общем-то, не отстала; нам виделась цель, и грела надежда на реализацию замыслов…

На зеленоградский "Ангстрем" в 1998 году я пришел сразу после института, получив образование радиоинженера. Работать пришлось не по специальности, хотя представление о том, что такое транзистор и схемотехника БИС, конечно же, имел. На "Ангстреме" я попал в отдел, который занимался разработкой БМК[БМК - базовый матричный кристалл] серии 1592XMx. Сослуживцы оказались потрясающими специалистами! Небольшой коллектив разработал и довел до серии чип БМК 1592XM1, содержащий 400 тысяч транзисторов (100 тысяч эквивалентных вентилей). К сожалению, пришлось столкнуться и с технологической отсталостью. То оборудование, на котором производились наши изделия, давно устарело. Разумеется, делались попытки, и даже небезуспешные, в ключевых местах техпроцесса поставить более или менее новую технику.

Разработка и производство микросхем связаны с большой ответственностью…

- Да, цена ошибки здесь очень высока. Ошибившись, ты теряешь не только неприличную сумму денег, но и время, которое зачастую важнее, чем деньги. К счастью, у меня была возможность учиться, делать ошибки и исправлять их. Например, по моей вине однажды пришлось перезапускать партию микросхем, пусть и небольшую. Я принимал участие во всех этапах проектирования чипа - от схемотехники до разработки библиотеки стандартных ячеек, изучения своего же чипа под микроскопом, тестирования на пластине и прогонки корпусированной микросхемы на тестах, написанных самостоятельно. Все эти работы осуществлялись коллективом в девять человек, включая меня. Плюс заводские технологи, которые "вели" наш проект.

За возможность "набить шишки" и получить бесценный опыт вкупе с особым, четким стилем работы хочу поблагодарить начальника отдела Бориса Львовича Симонова. Начинающему инженеру необходима такая школа. Особую ценность такой опыт приобретает, когда проект получается. Когда специалист видит результат своего труда, и этот результат успешен. Не менее важны и необходимы (именно необходимы!) ошибки и поражения. Только прочувствовав все неприятности на собственной шкуре, вчерашний студент может превратиться в инженера, способного добиваться желаемого результата.

Что же такое завод "Ангстрем" образца 1999 года? И сегодня?..

- "Ангстрем". Краснознаменный "Ангстрем"… В 1998 году на заводе можно было разрабатывать и выпускать чипы по технологии 1,2 мкм, получив при этом достаточный процент выхода годных. В 2001 году была предпринята попытка запустить чип серии 1592XMx по технологии 0,8 мкм, но успешной ее назвать нельзя. Технология оказалась не отлажена, а оборудование - не пригодным для производства чипов по этим проектным нормам.

Вдобавок - и это основная причина, по которой "Ангстрем" не показывал удовлетворительных финансовых результатов, - мешали устаревшие принципы управления. Эта проблема завода, который в своем выступлении по зеленоградскому телевидению в 1999 году генеральный директор В. Л. Дшхунян назвал "градообразующим и социальным предприятием", естественным образом переросла в проблему города.

Что мы имеем на текущий момент? Большинство отделов, занимавшихся разработками, вышли из состава "Ангстрема" и трудятся кто на зарубежного, кто на местного заказчика. Подчиняясь законам рынка, "Ангстрем" превращается в чистое foundry (только фабрика, без собственных подразделений разработки чипов). Летом 2004 года контроль над заводом получил[Информацию о смене владельца см. на www.ione.ru/scripts/events.asp?id=16325] бывший совладелец и управляющий Межпромбанка Сергей Веремеенко. Можно надеяться, что основным направлением его усилий на новом поприще станет бизнес, а не пресловутые "социальные задачи". Думается, года через три смогу подержать в руках нашу микросхему, изготовленную по нормам 0,18 мкм. Но про возможность построения фабрики в Зеленограде - разговор особый.

Вы ушли из "Ангстрема", но остались работать в Зеленограде?

- Да. Я перешел на "Элвис" в 2001 году. Здесь нашел команду, занятую серьезным делом - разработкой собственного направления в общей концепции "система-на-кристалле" (System On Chip, SOC)[Про технологию SOC "Мультикор" можно прочесть в интервью с директором "Элвиса" Я. Я. Петричковичем (elvees.ru/news/elvis.pdf)]. Разительным отличием от "Ангстрема" была сосредоточенность руководства на достижении поставленных целей, которые были очень амбициозны.

На этой фирме пришлось наблюдать общую для всей микроэлектронной отрасли проблему - отсутствие разработчиков возрастом от тридцати до сорока лет. Почти все представители этого поколения либо уехали за рубеж, либо ушли из отрасли.

А ведь именно на этот возраст приходится пик реализации инженерного потенциала и приобретенного ранее опыта. Однако ушли не все, и во многом благодаря тем, кто остался, у нас что-то получилось.

Сегодня число работников выросло в пять раз по сравнению с 2001 годом. Пошла молодежь, приходят студенты. И в целом отрасль демонстрирует явные признаки оживления. Года через два-три (как раз к возможному появлению современной "кремниевой фабрики" в Зеленограде) можно будет говорить о формировании критической массы инженеров, способных поднять индустрию разработки заказных схем и обеспечивать заказами эту самую фабрику. Сейчас большинство зеленоградских команд "запускается" в Юго-Восточной Азии либо на европейских фабриках.

Поделитесь воспоминаниями о первых разработках на новой фирме.

- О чипах "Мультикор"? Главная трудность здесь - новизна. Приступая к разработке чипа, необходимо свести к минимуму риск получить негодный кристалл. Любое новшество - будь то архитектурное, схемотехническое или технологическое - может привести к ошибке и, как следствие, к неудавшемуся запуску. Новый тип памяти, другие принципы схемотехники или синхронизации чипа, другая библиотека стандартных ячеек - все это привносит долю риска и снижает вероятность успеха. Говоря проще, когда вы приступаете к разработке нового прибора, вероятность успеха близка к нулю. Набрав опытных инженеров, имеющих за плечами успешные проекты, вы значительно повышаете шансы на благоприятный исход. И лишь современные средства проектирования, изготовление чипа на зарекомендовавшей себя фабрике, использование только стандартных компонентов, предоставляемых фабрикой, наличие опытной команды тестировщиков-программистов позволит приблизиться к заветной цифре 99,9% вероятности получения годного чипа.

Еще одна технология, без которой не может быть запуска ASIC-проекта[ASIC (Application Specific Integrated Circuit) - микросхема специального назначения. Иными словами, заказная микросхема] (и которую мы использовали при разработке "Мультикора"), это FPGA-прототипирование[FPGA (Field Programmable Gate Array). По-русски ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема. Прототип, он и есть прототип. Вся логика чипа зашивается в перепрограммируемый чип, таким образом проверяется правильность написания Verilog-кода до имплементации (применения) его в "боевой" схеме]. Любая схема должна быть проверена в "железе" до того, как уйти на фабрику. Имплементация любого по сложности решения в FPGA-чип не занимает много времени, но позволяет дать однозначный ответ - заработает ли в реальном чипе ваше схемотехническое решение или нет. Ежели вы все-таки осмелились запустить кристаллы в производство, получили первые образцы и убедились в корректности всех звеньев цепи проектирования, то все последующие чипы (при условии, что вы не вносите в них элементов новизны) с высокой степенью вероятности будут успешны.

В 2002 году мы запустили наш первый чип на "Ангстреме". Технология 0,56 мкм. Чип имел (для неотлаженной технологии!) гигантские размеры - 10х10 мм. К тому же он был спроектирован на новой библиотеке ячеек, которую для "Ангстрема" делали здесь, в России. И в довершение всего он имел встроенную память, разработанную той же командой, которая делала библиотеку стандартных ячеек. Итак, мы запустили первый проект на неопробованной технологии, не обкатав ни библиотеку стандартных ячеек, ни встроенные банки памяти. А надо заметить, что разработкой и верификацией этих ключевых компонентов для фабрик занимаются отдельные специализированные фирмы, например Artisan. Что в результате получилось?

Измерения показали повышенные токи потребления в статическом режиме, что свидетельствовало о технологических дефектах в кристалле. Однако часть чипов "текла" меньше, и мы запустили их на функциональное тестирование. Накристальный отладчик на этих чипах работал, даже проходили несколько команд RISC-ядра. Но большинство блоков памяти имели дефекты, и ни о каком нормальном функционировании чипа речь, конечно, не шла.

В общем, был приобретен некий опыт… Как он повлиял на дальнейшую работу с зеленоградскими смежниками?

- Основная причина неработоспособности кристалла - это, конечно, плохой техпроцесс. Но кроме того (чего мы не сделали), нужно было полностью исключить из чипа все банки памяти и сначала заказывать кристалл размером 5х5 мм, тем самым снизив сложность задачи для технологов в четыре раза. Для этого достаточно было запустить не весь "Мультикор" со всеми ядрами, а лишь одно-единственное RISC-ядро.

Странно, что такой совет нам не был дан технологами "Ангстрема", ведь и колебания параметров техпроцесса на площади 25 кв. мм меньше, чем на площади 100 кв. мм. Чей здесь просчет - руководства завода, пошедшего на поводу у заказчика, требовавшего "всего и сразу" (полнофункциональный чип, со всеми ядрами "на борту"), или технологов, не пожелавших задуматься - что же мы в итоге получим, запустив по необкатанной технологии такую "громадину", - сейчас уже не важно. Нам стало ясно, что с "Ангстремом" и его технологической линейкой образца 2002 года "каши не сваришь". В общем, мы пошли дальше…

Дальше - это куда?

- Последующие запуски "Элвис" делал на зарубежных, проверенных фабриках.

Какие приборы по вашему заказу делают за рубежом?

- Сейчас мы выпустили две серии чипов[Описание архитектуры и детальную информацию см. на www.elvees.ru]: "Мультикор-12" и "Мультикор-24". Они содержат 17,5 млн. транзисторов, работают на тактовой частоте 100 МГц. Объем памяти на кристалле 256 Кбайт. Три ядра RISC (полностью MIPS-совместимые) и одно (два в "Мультикоре-24") DSP-ядро. Чип имеет DMA-контроллер и периферийные элементы: последовательный порт, контроллер памяти (пропускная способность 800 Мбайт/с), LINK-порт, таймер. Производятся чипы по технологии 0,25 мкм на фабрике в Юго-Восточной Азии. Уже изготовлено достаточное количество микросхем, чтобы удовлетворить потребности заказчиков.

В России вы больше ни с кем не кооперируетесь?

- За два года (2003–04) несколькими командами специалистов на "Элвисе" спроектировано восемь чипов. Топологию мы не стали делать сами, доверив разработку профессионалам -проектировщикам-топологам, вышедшим из "Ангстрема". С делом они справились блестяще! Площадь кристалла возросла до 144 кв. мм. Мы достигли частоты 120 МГц и заполнения - 26 млн. транзисторов. Технология по-прежнему 0,25 мкм. Запущен и пробный чип по технологии 0,18 мкм.

Отдельная команда разработала блок ФАПЧ[ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты] (PLL) для схемы синхронизации чипа, а сейчас разрабатывает аналоговые блоки. В их числе - преобразователи АЦП и ЦАП.

Какова производительность ваших устройств?

- В последних чипах она составила 1,4 млрд. 32-разрядных операций с плавающей запятой в секунду. Что нам даст переход на 0,18 мкм, а в дальнейшем и на 0,13 мкм? Каждый такой шаг "вниз" по технологии в среднем в 1,5 раза снижает занимаемую ядром площадь и в 1,6 раза повышает быстродействие.

В пробном чипе по нормам 0,18 мкм мы получили следующие цифры: все ядро функционирует на частоте 200 МГц, DSP-ядро мы разогнали, конвейеризировав исполняемую стадию, до 400 МГц. Итог по производительности - 200 MIPS в RISC-ядре и 1,2 млрд. операций в одной DSP-секции. А одно DSP-ядро может содержать две секции, обрабатывая сразу два набора данных.

При технологии 0,18 мкм в "Мультикоре" может быть одно RISC-ядро и четыре DSP-секции (два DSP-ядра). Итоговая производительность DSP составит 4,8 млрд. операций в секунду. Такого чипа пока нет, но разработать его мы можем. Вопрос в другом: нужен ли он и в каких количествах мы сможем его продавать. Это ведь очень высокопроизводительное решение, которое требуется лишь в очень узком круге задач.

У Texas Instruments в последнем чипе, изготовленном по нормам 0,13 мкм и работающем на частоте 600 МГц, производительность DSP составляет 3,2 млрд. операций. Перевод нашего чипа на эту же технологию обеспечит частоту DSP 640 МГц (RISC будет функционировать на частоте 300 МГц и даст 300 MIPS) и производительность чуть больше 7 млрд. операций в секунду. Сокращение площади позволит поставить дополнительное DSP-ядро, что даст еще 3,8 млрд. операций. В итоге будет достигнута производительность 10 млрд. операций в секунду.

Это же будет печка! Электронагревательный прибор!..

- Вы про рассеиваемую мощность?.. Думаете, придется ставить мощные кулеры? Нет - потребление "Мультикора-24" составляет всего 1,5 Вт в пиковом режиме. Корпус HSBGA позволяет рассеивать до 6 Вт, так что даже радиатор не нужен. Ну а оценки потребления чипа с 10-миллиардной производительностью показывают, что потреблять он будет 6–8 Вт. Там уже придется применять пассивное охлаждение (клеить радиатор).

Вернемся в Зеленоград. Вы собирались сказать пару слов о перспективах создания в городе современного полупроводникового завода.

- Когда утверждают, что для постройки "кремниевой фабрики" необходимо 2–3 млрд. долларов, не лукавят. Новая фабрика на технологические нормы 0,25/0,18 мкм - это очень большой производственный комплекс, требующий стабильности в кадрах, заказах и государственной поддержки.

По моему мнению, "Ангстрем" является хорошим базисом для создания такой фабрики. Корпус для производства по технологическим нормам до 0,18 мкм уже построен. Имеются коллективы, занимающиеся поддержанием существующих технологий. Есть в Зеленограде команды, и не одна, разрабатывающие топологию микросхем. Есть несколько фирм, разрабатывающие чипы и системы.

Но потребуется много вспомогательных организаций - фирм-"сателлитов", которые будут "окружать" фабрику, предоставляя множественные услуги по разработке идей, схем, топологий, процессов корпусировки и тестирования, по проектированию готовых систем. То есть эти деньги пойдут не только "на фабрику", но и на обучение людей и создание околофабричной инфрастуктуры.

Вопрос - нужна ли России фабрика? Ответ только "да". Фабрика - это обычное средство получения прибыли. Причем выпускающая продукт с высокой добавочной стоимостью. А развивающийся рынок России "съест" всю продукцию, построенную на чипах этой фабрики, и попросит еще. Кроме того, по планам, на фабрике будет изготавливаться продукция от фирмы IBM - условия лизингового соглашения подразумевают такую схему сотрудничества[Подробнее об этом см. на www.comnews.ru/index.cfm?id=11823 и www.bashnews.ru/modules.php?op=modload&name=News&file=article&sid=516]. Еще пример: на фабрике можно будет выпускать чипы для сотовых телефонов, разработанные не в России. По прогнозам, в этом году количество абонентов сотовой связи в нашей стране увеличится на 30 млн. человек. А ведь у нас еще не все "охвачены" цифровым телевидением, DVD-проигрывателями. Ну а со временем подтянутся местные заказчики - российские fabless-фирмы, которые смогут здесь реализовать в кремнии свои идеи.

С какими трудностями сталкивается "Элвис" сегодня?

- С нехваткой тех самых тридцати-сорокалетних инженеров. Высококвалифицированных специалистов, имеющих опыт реальных проектов. Оцениваю как инженер.

И как же вы ищете квалифицированные кадры?

- Нам нужны специалисты-схемотехники и программисты-системщики. Но их очень мало, причем большинство из них уже сидит на "теплых местах". А переманить специалиста такого класса не просто. Поэтому "взращиваем" квалифицированные кадры прямо на рабочих местах.

Каковы ваши личные впечатления о Зеленограде? Нет ли желания работать в другом месте?

- Зеленоград много лучше Москвы - нет многих проблем большого мегаполиса. Воздух чище, нет автомобильных пробок… Цены пониже (отчасти)…

Вы оптимист?

- Я уже рассказывал, как мы в Свердловске читали "Компьютерру" и мечтали о том, что и сами можем что-то такое сделать. Тем, кто начинает свой путь, хочу пожелать не просто мечтать, а добиваться реализации своих замыслов. В свое время, столкнувшись с таким ярким явлением, как ПК "Спектрум" и его процессор Z-80, я был потрясен, у меня возникло непреодолимое желание понять - как его сделали, что у него внутри. И если представится возможность - сделать самому. Что теперь стало с этим желанием? Чип Z-80 содержал около 40 тысяч транзисторов. В нашем последнем чипе их 17 миллионов. А на разработку кристалла, аналогичного по уровню топологии Z-80, потребуется меньше двух недель. Мечта движет нами!

---

Fabless - термин, который можно грубо перевести как "лишенный собственного производства". Так называются фирмы, которые поручают изготовление своих чипов сторонним фабрикам.