На примере скоростных АЦП в статье рассмотрена структура международной кооперации в области производства микросхем и [[положение российских разработчиков]] на этом секторе рынка.
За последние годы структура разработки и производства микросхем сильно изменилась. Многократно возросли производственные мощности, а сложность микросхем измеряется десятками и сотнями миллионов элементов. При этом производительность проектных работ во всем мире отстает от роста объемов производства. Привлечение новых кадров в структуры разработки микросхем и микроэлектронной аппаратуры идет за счет глобального расширения сети дизайн-центров.
Россия не осталась в стороне от этого процесса. Типичным примером такого подхода может служить группа дизайнцентров, организованных в Зеленограде малайской инвестиционной компанией Kedah Wafer Emas. Эта компания основала и поддерживает более 15 предприятий, пять из которых работают в России: дизайн-центр в Новосибирске, а также зеленоградские «Юник Ай Сиз», «Юникор Микросистемы», «Кедах Электроникс Инжиниринг», НПК «Оптолинк». Первые три компании специализируются на разработках микросхем, четвертая и пятая — на разработке микроэлектронной аппаратуры. Эти дизайн-центры — российские компании, а не совместные предприятия. Англоязычные названия выбраны для облегчения работы в системе международного контрактного производства.
Компания «Юник Ай Сиз» (Unique-ICs) была образована в 2000 г. и сейчас является крупнейшим в России дизайнцентром. В штате компании более 400 сотрудников. Разработки микросхем ведутся для КМОП-технологии малайских фабрик X-FAB Sarawak (пластины 200 мм, проектные нормы 0,18…0,25 мкм с поддержкой технологии цветных фотоприемных матриц) и SilTerra (200 мм/0,13…0,18 чмкм с высоковольтными и ВЧ-опциями). На их основе разрабатываются микросхемы широкой номенклатуры: различные цветные фотоприемные матрицы, элементы цифрового телевидения, скоростные интерфейсы, АЦП. Также разрабатывается САПР для проектирования микросхем.
ПЕРСПЕКТИВЫ КОНТРАКТНОГО ПРОИЗВОДСТВА В РОССИИ
Сейчас в Зеленограде ведется строительство двух производственных участков, которые смогут обеспечить выпуск КМОП-микросхем с проектными нормами 0,18 мкм. Очевидно, что владельцы этих участков — заводы «Микрон» и «Ангстрем» — будут не в силах самостоятельно обеспечить их загрузку изделиями, востребованными на внутреннем российском рынке. Требуемая российскими приборостроителями номенклатура микросхем очень широка. Успешная конкуренция на внешнем рынке с полупроводниковыми фабриками Юго-Восточной Азии весьма проблематична. Кроме того, в производстве микросхем часто требуются специальные технологические опции: высоковольтные, радиочастотные, оптоэлектронные и другие, которые в совокупности обеспечивают выпуск половины от всех изделий электронной техники. Таким образом, для загрузки российских производственных участков и расширения номенклатуры отечественных изделий потребуется создание сети дизайн-центров и системы контрактного производства. Этот процесс потребует нескольких лет, и российским предприятиям целесообразно осваивать принципы контрактного производства, не дожидаясь запуска отечественных производственных участков.
В системе мирового контрактного производства микросхем вокруг каждого полупроводникового производственного участка организуется группа небольших компаний, которые обеспечивают дизайн-центрам типовой набор услуг: поставку моделей аналоговых и цифровых элементов, описаний и документации на сложные функциональные блоки (СФ-блоки), настроенных пакетов САПР, сборку, тестирование и доставку изделий заказчикам, а также обучение персонала.
Самые дорогие услуги — это продажа интеллектуальной собственности в форме СФ-блоков. Диапазон цен на них — от десятков до сотен тыс. долл. Поставщики СФ-блоков зачастую не разрабатывают их сами, а оказывают посреднические услуги другим участникам контрактного производства. Возможны варианты обмена СФ-блоков или выдачу заказа на их разработку. Компания «Юник Ай Сиз» уже выполняла заказы других российских компаний на поиск, приобретение или оригинальную разработку СФ-блоков. Современная методология проектирования сложных интегрированных систем предполагает первоочередную разработку системной модели верхнего уровня и последующую декомпозицию проекта до уровня специализированных СФ-блоков. Далее выполняется приобретение прав, обмен или заказ на разработку всех требуемых СФ-блоков. Самостоятельная разработка в одном дизайн-центре всех СФ-блоков нецелесообразна, так как требует много времени и соответствующего опыта. Полный проект сложной микросхемы собирается из подготовленных ранее СФ-блоков и проверяется только на системном уровне. Такой подход позволяет реализовать сложный проект в сжатые сроки, имея не очень большой коллектив разработчиков.
ЦАП И АЦП КАК ОБЪЕКТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
В системе контрактного производства СФ-блоки ЦАП и АЦП — один из самых востребованных интеллектуальных продуктов. Во-первых, номенклатура необходимых АЦП и ЦАП не очень велика, и можно легко найти подходящий вариант. Во-вторых, в отличие от цифровых блоков, разработка ЦАП и АЦП требует детального изучения возможностей конкретной технологии, включая статистику распределения параметров элементов. Время для проведения таких исследований есть не у всех. В-третьих, многократное использование удачных СФ-блоков окупается за счет увеличения объемов продаж. Стоимость СФ-блоков АЦП и ЦАП обычно лежит в пределах 50…200 тыс. долл. Широко применяются скидки и рассрочка платежей при подписании лицензионного соглашения с выплатой ренты в случае реализации микросхем.
Аналоговые СФ-блоки, АЦП и ЦАП в частности, обычно могут быть использованы только на одном конкретном производственном участке и не допускают переноса на другое производство без глубокой переделки и новой аттестации СФ-блока вследствие изменения аналоговых параметров элементов. Поэтому продажа аналоговых СФ-блоков и обмен ими осуществляются среди заказчиков одного производственного участка.
Полупроводниковая фабрика Sil-Terra является самым крупным в Малайзии производителем микросхем. Она занимает одно из первых мест по качеству продукции. Объем производства может достигать 40 тыс. 200-мм кремниевых пластин в месяц. Сборочные услуги и помощь в тестировании компания не оказывает. В кооперации с фабрикой работает большая сеть производителей, которые собирают микросхемы, тестируют их, изготавливают аппаратуру и оказывают разнообразные услуги заказчикам.
Зеленоградская компания «Юник Ай Сиз» заинтересована в расширении связей с российскими производителями изделий электронной техники и микроэлектронной аппаратуры. Она предлагает свои услуги по организации контрактного производства изделий электронной техники в Малайзии, включая приобретение прав на СФ-блоки.
Опыт компании «Юник Ай Сиз» позволяет осуществить полный производственный цикл разработки и производства микросхем. Имеется база данных по аналоговым СФ-блокам, реализованным на фабрике SilTerra и предлагаемым к продаже. В рамках подобной международной кооперации любой российский заказчик может получить доступ к огромной базе разработок СФ-блоков различных производителей, значительно сократив время разработки заказных интегральных микросхем на их основе.
Субмикронные технологии и развитая система проектирования обеспечивают создание микросхем на современном мировом уровне. Примером может служить микросхема 8-разрядного АЦП с частотой преобразования 400 МГц. Рассмотрим эту микросхему боле подробно.
Быстродействующий 8-разрядный АЦП
Микросхема преобразователя разработана на основе КМОП-технологии с проектными нормами 0,18 мкм. Опытная партия была изготовлена на фабрике SilTerra. Быстродействующие АЦП соответствуют лучшим мировым показателям для этого уровня технологии. Структурная схема преобразователя показана на рисунке 1. В его состав входят два АЦП параллельного типа с частотой преобразования 200 МГц каждый. Оба блока работают параллельно-поочередно. Схема синхронизации обеспечивает равные временные интервалы между опросами АЦП, а результирующая частота опроса вдвое больше частоты отдельных блоков АЦП.
Вследствие технологического разброса параметров невозможно достичь полной идентичности блоков. В результате статические параметры всей микросхемы могли бы оказаться значительно хуже параметров входящих в нее блоков. Элементом ноу-хау стал алгоритм цифровой обработки сигналов двух и более преобразователей, который выполняет нормирование и интерполяцию сигналов, выделение перепадов входного сигнала и коррекцию ошибок, возникающих под воздействием импульсных помех. Приоритетное выделение перепадов входного сигнала расширяет полосу преобразуемого входного сигнала до 400 МГц. Это свойство дает возможность оцифровать радиосигнал с одновременным переносом его частоты в низкочастотный диапазон.
Серьезной проблемой применения АЦП параллельного типа является их большая входная емкость (20ѕ40 пФ), которая возникает при подключении к входной цепи 255 компараторов. Входная емкость ухудшает параметры источника сигнала и влечет увеличение энергопотребления. Однако в новом быстродействующем преобразователе удалось снизить входную емкость до 5 пФ. Это достигнуто за счет применения субмикронных транзисторов, предварительных усилителей и схемы аналоговой интерполяции. Число усилителей значительно меньше числа компараторов, что сокращает входную емкость в несколько раз.
Поток выходных данных со скоростью 400 Мбайт/с выводится через скоростные порты с уровнями LVDS. Технологический процесс изготовления АЦП характеризуется возможностью использования КМОП-транзисторов с напряжением питания 3,3 В (0,35 мкм) и 1,8 В (0,18 мкм). В структуре микросхемы реализуется:
– полная изоляция от подложки как n-канальных, так и p-канальных МОП-транзисторов;
– система металлизированных соединений с 6 уровнями проводников;
– конденсаторы большой емкости со структурой МДП;
– поликремневые резисторы с различным слоевым сопротивлением.
Размер кристалла АЦП — 3,2 x 2,0 мм, потребляемая мощность — 450 мВт, питание — от одного источника 3,3 В. Кристалл устанавливается в 48-контактный безвыводный корпус на металлокерамическом носителе типа CLCC-48.
Помимо этой микросхемы, в «Юник Ай Сиз» разработан ряд блоков АЦП, которые используются в других проектах компании. Среди них:
– 10-разрядный АЦП, 40 Мвыб./с, 150 мВт;
– 16-разрядный АЦП, 200 Квыб./с, 30 мВт;
– 8-разрядный АЦП, 100 Квыб./с, 3 мВт.
В настоящее время компания ведет разработку специализированной микросхемы 10-канального АЦП по заказу российского предприятия.
