Альтернатива

Сегодня микроэлектроника и микропроцессорная техника охватывают все сферы человеческой жизни. Они служат основой не только сложнейших систем управления государством, экономикой, промышленностью, транспортом, но и присутствуют в каждом мобильном телефоне, компьютере, бытовом приборе, автомобиле и телевизоре.

Процесс цифровизации всего и вся привел к необходимости внедрения все более совершенных и надежных устройств, гарантирующих устойчивую работу любой техники вокруг нас. Разработка, производство и внедрение микроэлектронных устройств по праву считаются сферой национальной безопасности любого государства, а точнее, вопросом его национального выживания.

Сегодня мы видим в России только зарубежные образцы таких устройств, и создается впечатление, что отечественной микроэлектроники вообще не существует, что Запад всегда лидировал, мы отстали от него навсегда и от этой зависимости уже не избавиться. Посмотрим насколько это так.

Советская микроэлектроника

Оглянувшись назад, мы увидим, что в советские времена в момент зарождения микроэлектроники Советский Союз был на уровне мировых лидеров и даже в отдельных областях опережал их. Уровень развития советской микроэлектроники обеспечивал возможность создания не только лучших в мире ракет, самолетов, подводных лодок, но и бытовых приборов. Например, в 1964 году на съезде радиоинженеров США был продемонстрирован и произвел много шума выполненный по тонкопленочной технологии первый серийный радиоприемник «Микро», и все заговорили, что СССР обогнал США.

В 1981 году была разработана ЭВМ «Электроника НЦ-8010», первый в СССР прототип персонального компьютера, причём построенный полностью на отечественных микросхемах с отечественной архитектурой, а разработка в 70-е многопроцессорных суперкомпьютеров «Эльбрус-1» и в 80-е «Эльбрус-2» стала прорывом в создании вычислительной техники.

Толчком к бурному развитию микроэлектроники в Советском Союзе послужило решение руководства государства в 1962 году по созданию Центра микроэлектроники в построенном в сосновом лесу городе ― спутнике Москвы Зеленограде. В постановлении предусматривалась комплексная программа организации полного цикла разработки, исследований, опытного и серийного производства микроэлектроники, а также разработка технологий, материалов и оборудования для их производства и центра подготовки соответствующих кадров.

Научный центр сыграл ведущую роль в становлении отечественной микроэлектроники. В начале 70-х в него входили девять научно-исследовательских организаций, пять опытных заводов и специализированный вуз, в которых трудилось около 30 тысяч специалистов.

Были заложены два направления развития микроэлектроники. НИИ точных технологий с заводом «Ангстрем» ориентировались на гибридную технологию, а НИИ молекулярной электроники с заводом «Микрон» ― на полупроводники.

В организациях Центра с учетом опыта ленинградских специалистов были произведены оригинальные разработки, как правило, не имеющие прямых зарубежных аналогов, и по своему техническому уровню они в основном не уступали зарубежным образцам или превосходили их. Список созданных изделий микроэлектроники был весьма внушителен. В 1964 году «Ангстрем» серийно выпускал микроприемник «Микро» и микросхемы «Тропа», в 1974-м появился первый советский микропроцессор, в 1979-м ― микроЭВМ, в 1985 году ― первый в мире персональный компьютер «Электроника-85».

Следует отметить, что в 1965–1966 годах в мире было только три страны, изготавливающие для микроэлектроники прецизионное фотолитографическое оборудование: США, Япония и Советский Союз. Сегодня в Зеленограде еще сохранились компании, разрабатывающие и производящие такое оборудование мирового уровня.

При перечисленных серьезных успехах в конце 70-х началось серьезное отставание. Почему?

Развитие микроэлектроники способствовало бурному росту производства радиоэлектронной аппаратуры, производители которой вместо разработки своих образцов в основном копировали зарубежные аналоги и требовали такого же копирования от разработчиков микроэлектроники, на основе которой аппаратура строилась. Сложившаяся к тому времени политика и практика воспроизводства зарубежных образцов заведомо программировала отставание.

Научный центр под давлением потребителей на два десятка лет оказался завален работой по копированию аналогов, а оригинальные разработки постепенно были вытеснены и замещены зарубежными сходными моделями. В результате «копировальной работы» многие (но не все) коллективы Центра, способные на самостоятельную архитектурную, структурную и схемотехническую разработку оригинальных образцов мирового уровня, постепенно деградировали и оказались неспособны продвигать и реализовывать свои разработки.

К тому же у них были трудности с финансированием работ и заказами на новое оборудование, а западные конкуренты организовали изоляцию от международной кооперации. Такая практика привела к реальному отставанию отечественной элементной базы и аппаратуры от мирового уровня на два-восемь лет, но, несмотря на это, в Центре все-таки были созданы суперкомпьютеры «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2», ставшие базой уже российских компьютеров.

Мировое развитие микроэлектроники

В 90-е советская микроэлектроника окончательно пришла в упадок и к многократному отставанию от Запада, Китая, Японии. Например, компания Intel сделала огромный скачок в повышении частоты на порядок и усовершенствовании технологии изготовления микросхем. К тому же произошел серьезный отток специалистов в США и другие страны, приведший к остановке многих разработок.

За это время сформировался глобальный рынок микроэлектроники и микропроцессоров с оборотом в сотни миллиардов долларов, куда войти было не так-то просто. Монстрами рынка микроэлектроники стали Intel, Toshiba, Samsung, Infineon, Micron, их заводы были построены в Тайване, Японии, Сингапуре, Малайзии, Китае, Корее и других странах. В целом Тайвань, Корея и Япония дают больше половины мирового производства, а если к ним добавить Китай, Сингапур и Малайзию, то Юго-Восточная Азия займет три четверти мирового производства. В Европе только четыре завода: в Германии (в том числе AMD, продавший в связи с перепрофилированием свое оборудование российскому «Ангстрему-Т»), Франции и Ирландии.

Для понимания сложившейся ситуации немного о технологии разработки и производства процессоров. Технология шагнула далеко вперед, для уменьшения объема аппаратуры, потребляемого питания и удешевления производства вместо дискретных элементов их стали размещать на кристаллах ― микрочипах, из которых по заданной архитектуре собирается процессор.

Его разработка и изготовление четко отработаны: головной разработчик определяет архитектуру процессора, структуру и топологию микрочипа, готовит фотошаблоны и отдает их на изготовление специализированным фабрикам, которые изготавливают на кристалле подложку с множеством чипов. В конце процесса подложка разрезается на чипы, которые помещают в корпус, и на плате из них собирается процессор.

По этой технологии произошло разделение: головной разработчик (мозги) процессора ― изготовитель подложки с микрочипами ― изготовитель микрочипа ― изготовитель процессора ― изготовитель оборудования. В отдельную когорту выделились заводы по изготовлению пластин чипов, обладающих уникальной технологией и специализированным оборудованием. Крупнейшим производителем пластин чипов является тайваньская фирма TSMC, ориентированная на удовлетворение заказов разработчиков микроэлектроники и микропроцессоров со всего мира.

Выпуск очень дорогого фотолитографического оборудования для производства чипов монополизировала нидерландская фирма ASML, контролирующая 80 процентов рынка.

Сегодня чипы производятся по нормам 250, 180, 90, 65, 28, 16 и 7 нанометров, и все они находят применение в различной аппаратуре и процессорах. Только половина производства чипов ведется по нормам 28 нм и выше.

С каждым шагом по ужесточению проектных норм изготовления чипов идет стремительное удорожание производства и оборудования, измеряемое миллиардами долларов. Используемая сегодня технология подходит к своему физическому пределу, поэтому следующий этап может лежать в использовании графена, способного существенно повысить производительность процессора.

Российская микроэлектроника

Российской микроэлектронной отрасли для сокращения отставания необходимо было решить следующие проблемы:

― создать фирмы, способные разрабатывать собственную архитектуру процессоров, топологию изготовления чипов и собственное программное обеспечение, совместимое с западными аналогами;

― построить заводы по производству пластин чипов;

― построить заводы по производству корпусных чипов;

― построить заводы по производству процессоров.

Задача чрезвычайно сложная, и, самое главное, надо было иметь своих разработчиков процессоров. В этой части не все советское было потеряно, сохранился коллектив, разработавший в Институте точной механики и вычислительной техники советские суперкомпьютеры «Эльбрус». На базе этой группы в 1992 году была создана компания «Московский центр SPARC-технологий» (МЦСТ), являющаяся базовой организацией кафедры информатики и вычислительной техники Московского физико-технического института и специализирующаяся на разработке универсальных микропроцессоров, управляющих вычислительных комплексов, операционных систем и программного обеспечения. Компания продолжила разработку следующего компьютера этой серии «Эльбрус-3», ставшего основой современных российских компьютеров семейства «МЦСТ» и «Эльбрус».

Архитектура «Эльбруса» оказалась очень удачной и отличалась высокой удельной производительностью в расчете на один транзистор и эффективной бинарной совместимостью с архитектурой Intel/AMD, позволяющей через компилятор использовать уже наработанный массив программного обеспечения платформы Intel и упрощающей работу пользователя при переходе на семейство компьютеров «Эльбрус».

Учитывая, что разработка микропроцессора довольно длительный процесс и занимает порядка пяти лет, такой успех российских разработчиков не прошел мимо внимания западных монстров микроэлектроники. Компания Intel попыталась перекупить МЦСТ, но закончилось это переездом в США только части группы специалистов во главе с научным руководителем Бабаяном, который впоследствии занял очень высокий пост в Intel.

Компания «МЦСТ» продолжила успешную работу, разработала и внедрила в серийное производство семейство многоядерных микропроцессоров «МЦСТ» и «Эльбрус» по нормам 90 и 65 нм с тактовой частотой до 1,0 ГГц, в 2016 году были разработаны и подготовлены к производству микропроцессоры семейства «Эльбрус-8» по нормам 28 нм и тактовой частотой 1,5 ГГц. МЦСТ освоила технологию по нормам 16 нм и готова в 2022 году запустить в производство микропроцессор по этой технологии с тактовой частотой 2 ГГц. Компания собирается к 2025 году разработать процессор на технологии 6 нм, и это позволит ей достигнуть паритета с западными лидерами.

Еще одним лидером разработки российских процессоров является компания Baikal Electronics, специализирующаяся на разработке процессоров в основном мобильного назначения и соответствующего программного обеспечения. Компания внедрила в серийное производство процессор Baikal-T1 по нормам 28 нм и тактовой частотой 1,2 ГГц, планирует переходить на нормы 12 и 7 нм и намерена нарастить в ближайшие годы выпуск процессоров до 600 тысяч штук в год.

При этом обе фирмы производство пластин с чипами по норме 28 нм и выше по своим фотошаблонам заказывают в Тайване у фирмы TSMC и затем в России производят корпусирование чипов и изготовление процессоров. Производство пластин по нормам 90 и 65 нм организовано на заводах «Микрон» и «Ангстрем» в Зеленограде.

Помимо этих двух компаний, в России (в Санкт-Петербурге, Воронеже и других городах) есть ряд мелких компаний и предприятий, разрабатывающих и производящих отдельные блоки и узлы процессоров различной степени совершенства.

Сохранились остатки советского наследия и в Зеленограде. На заводе «Микрон» с 2012 года начали производство микросхем по нормам 180 нм, а с 2014-го перешли на нормы 90 и 65 нм, запустили в производство микропроцессор «Эльбрус-2СМ», планируют переход на нормы 28 нм. Для этого необходимо новое оборудование и инвестиции в размере 1,5 млрд долларов, и без участия государства эту проблему вряд ли удастся решить.

На площадях завода «Ангстрем» в 2005 году была создана компания «Ангстрем-Т» с целью организации производства микросхем по нормам 130–90 нм с перспективой развития на нормы 65 нм. Под реализацию этой задачи компания получила кредит ВЭБ в размере 815 млн евро, на который она закупила сотни единиц оборудования американских и японских фирм, а также приобрела у немецкой фирмы AMD линию по производству пластин чипов.

В связи с введением в 2016 году санкций США сроки ввода оборудования в эксплуатацию были сорваны, и только в 2018 году производство с трудом было запущено, и начался выпуск чипов. Из-за невозможности вернуть кредит компания через процедуру банкротства перешла в собственность ВЭБ, под контроль государства.

Сегодня «Ангстрем-Т» может выпускать до 15 тысяч пластин в месяц по норме 90 нм с перспективой выхода на нормы 65 нм, и его продукция востребована, в том числе и на международном рынке.

Одним из перспективных прорывных направлений может стать использование графена для изготовления чипов. В России ведутся серьезные работы по графену и графеновым нанотрубкам. В новосибирском Академгородке и Институте графена в Москве имеются уже промышленные установки по его производству, и исследуется возможность применения в чипах.

Благодаря сохранению советского задела по созданию процессоров и дальнейшему его развитию на современном этапе Россия вместе с США, Китаем, Японией и Израилем вошла в пятерку стран, разрабатывающих свои архитектуры процессоров, и в состоянии организовать собственное производство микропроцессорной техники мирового уровня.

Все это говорит о возможности создания в России мощной базы микроэлектроники, и для этого имеется самое главное ― отечественные разработчики с полным циклом разработки от чипов до конкретного изделия в системе управления, способные самостоятельно создавать оригинальную архитектуру процессоров, операционную систему и программное обеспечение. Они уже на практике доказали возможность их реализации и доведения до уровня мировых лидеров. Между двумя основными разработчиками «МЦСТ» и Baikal Electronics наметилось разделение сфер: первый ориентирован на стационарные серверы по заказам государства, а второй ― на мобильные устройства.

Сейчас в России пока что не реализована технология производства чипов по нормам выше 28 нм и блоков памяти, в связи с чем приходится пользоваться услугами тайваньской фирмы TSMC. Российские разработчики считают, что они в течение двух лет в состоянии это реализовать при финансовой поддержке государства и приобретении недостающего оборудования. Решение проблемы облегчается и тем, что в России есть фирмы, работающие с нидерландской ASML по созданию фотолитографического оборудования, необходимого для организации полного цикла производства.

Основное оборудование на заводах в Зеленограде уже позволяет вести серийное производство микроэлектроники и частично удовлетворять потребности российского рынка. К сожалению, он на 70 процентов зависит от импорта, в том числе и по оборонному заказу. Например, Роскосмос до 2014 года это, как ни странно, устраивало. Такой подход просто поражает: в советском ВПК не только импортную электронику, даже элементарного транзистора или болта нельзя было использовать. С введением в 2014 году санкций жизнь заставила переходить на чипы завода «Микрон» и архитектуру процессоров «Эльбрус».

Перспективы российской микроэлектроники

В России спрос на микроэлектронику превышает предложение. Бурное развитие и совершенствование информационных систем, всех видов транспорта и бытовой техники требует создания мощной производственной базы микроэлектроники, позволяющей производить ее по замкнутому циклу с отказом от импорта. Необходимо также создавать инфраструктуру по обслуживанию внедряемых процессоров и систем. На внутреннем рынке сейчас нет отечественных компьютеров и мобильных телефонов. Они есть только в опытных образцах и небольших сериях, поэтому необходимы серьезные усилия по организации их серийного производства, а для этого требуются время и деньги. Эту задачу может решить только государство с его финансовыми возможностями, но пока что нет органа, определяющего стратегию развития отечественной микроэлектроники.

Сейчас это направление курируют чиновники Минпромторга и Минцифры, которые в силу своей оторванности от реально происходящих процессов никак не могут обеспечить необходимые темпы реализации нацпроекта «Цифровая экономика». По мнению специалистов, необходим координирующий орган на уровне компетентного госкомитета с соответствующими полномочиями. Смешно возлагать такие надежды на так называемые институты развития по стимулированию инновационных процессов, производящих в основном «чубайсятину», на содержание которых ежегодно уходит до 1 трлн рублей. Кладезь финансовых средств!

Необходимость разработки микропроцессорных устройств в первую очередь связана с государственной и информационной безопасностью, а применение импортной техники никак не гарантирует этого. В последние годы был принят ряд постановлений правительства, обязывающих государственные структуры использовать только отечественные процессоры, и начался постепенный переход на процессоры архитектуры «Эльбрус» и «Байкал». Информационные системы баз хранения данных, имеющих стратегическое значение, переходят на серверы российского производства. В таких структурах, как МВД, РЖД, ПФР, идет внедрение российских процессоров и компьютеров, а электронные паспорта и банковские карты изготавливаются только с использованием процессоров «Эльбрус». С 2022 года в госструктурах предусмотрено внедрение не менее 50 процентов компьютеров на основе российских процессоров. Насколько оно будет выполнимо, пока непонятно.

По имеющемуся научному и конструкторскому заделу и освоенным технологиям Россия в состоянии к 2025 году войти в число мировых лидеров по производству микроэлектроники, насытить государственные структуры и выйти на международные рынки. Сегодня по примеру плана ГОЭЛРО необходим такой же грандиозный план цифровизации и информатизации на базе отечественной микроэлектроники ― предпосылки и база для этого есть. Государству предстоит сосредоточить серьезные усилия и средства на этом жизненно важном направлении, которое обеспечит национальную безопасность и научно-технический прорыв во многих аспектах управления государственными структурами, обороной, экономикой, промышленностью и транспортом.

Юрий Апухтин,

специально для alternatio.org