Рассмотрены и проанализированы проблемы современной подготовки высшей школой специалистов в области проектирования й технологии электронно-вычислительных средств.

Общеизвестно, что все успехи в области вычислительной техники и информатики, автоматики и приборостроения, освоения космоса, связи, бытовой электроники стали возможны исключительно благодаря успехам в области физики и технологии микроэлектроники, микроэлектронных устройств, интегральных микросхем — ИМС.

На эту тему и сказано, и написано довольно много. Однако есть одна сторона вопроса, которой обычно уделяется явно недостаточное внимание.

Самое главное заключается в том, что по мере повышения степени интеграции утрачивается универсальность ИМС, ИМС становится все более и более специализированной.

Максимальной степенью универсальности обладал транзистор.

Но интегральная схема для часов - это только схема для часов и, более того, только для данных часов, способная выполнять только те функции, которые были заложены в нее на стадии ее проектирования. Именно на стадии проектирования интегральной микросхемы решается вопрос, какие величины будут выводиться на индикатор, какие функции вообще должно выполнять это устройство, называемое часами. Будильника? Секундомера? Таймера?

Короче говоря, идя по пути повышения степени интеграции, мы подошли, практически, к тому случаю, когда интегральная схема уже перестала быть безликим "строительным материалом", а превратилась, образно говоря, в мозг соответствующего электронного устройства.

Правда, далеко не всегда по техническим соображениям все же удаётся уместить весь "комплект" функций в один кристалл. В этом случае приходится прибегать к разделению функций системы в целом между двумя, тремя и более кристаллами, образующими комплект для данной конкретной системы. В качестве примера можно привести одну из зарубежных публикаций, в котором сообщалось о модернизации инфракрасной станции переднего обзора. Первоначальный вариант состоял из 800 типовых ИМС относительно низкого уровня интеграции. Проектирование комплекта так называемых сверхбольших интегральных схем (СБИС) специально под данную систему в зависимости от выдвигаемых тактико-технических требований позволяло обойтись 13 или даже 7 СБИС.

На этом примере хорошо видно, как появляется разделение на схемы общего применения (первый вариант, эти 800 схем, естественно, представляли собой доста точно широко употребляемые ИМС относительно низкого уровня интеграции с ограниченным кругом функций) и схемы частного применения, разработанные специально под данную систему. С каждым годом схемы частного применения приобретают все больший и больший удельный вес. Системы все больше ориентируются на проектируемые специально для них ИМС.

По американской статистике, в 1977 г. сумма затрат на проектирование ИМС для той или иной системы составляла всего 10 % полных затрат на проектирование системы. Всего за 5 лет, к 1982 г., этот процент вырос до 50 %, а в настоящее время превышает 70-80 %.

Быстрое развитие в этом направлении привело к весьма серьезным изменениям в структуре и организации промышленности за рубежом. В первую очередь здесь начинает проявляться такая серьезная проблема, как проблема авторства. Кто должен считаться автором того или иного электронного устройства? Тот, кто создал -ИМС (или комплект ИМС), функционально завершенный, обестечивающий выполнение всех требований заказчика устройства? Или тот, кто разместил эти ИМС на плате и объединил в один комплект с элементами ввода и вывода информации (дисплей, кнопочная система...) ?

При проектировании ИМС, как и при всяком проектировании, есть вероятность появления патентопригодных идей не в области технологии, а в области схемотехники и системотехники. Есть вероятность и присвоения чужих идей. Так что с этой точки зрения уступать кому-либо авторское право в той же степени невыгодно, как невыгодно решать сложную задачу, заранее зная, что автором будет считаться другой.

Если к этому добавить также, что гораздо выгоднее выпускать конечную продукцию, а не полупродукт (это закон мы, как кажется, начинаем хотя и с трудом, но усваивать), становится ясно, что на современном уровне такое разделение труда, когда один проектирует и; изготавливает ИС, а второй — аппаратуру с ними, приводит фактически к тому, что один работает, а второй — "стрижет купоны". Немаловажное значение имеет и тот факт, что при этом есть кому переадресовать рекламации потребителей: "Мне доходы, тебе — претензии потребителей". Однако такая позиция имела смысл только в условиях государственной монополии, а не в условиях рынка.

За рубежом эта ситуация была понята и оценена без малого двадцать лет тому назад. Уже в 1975 г. в зарубежной технической литературе широко использовался термин "вертикальная интеграция". Под этим понималось объединение в одном комплекте разработки и изготовления специализированных ИМС и аппаратуры с ними. "Аппаратные" предприятия стали заводить у себя полуптюводниковые производства, а предприятия, проектировавшие и выпускавшие ИМС "общего назначения", стали проектировать и производить специализированные ИМС, их еще называют "устройствами специального применения" (УСП) или ИМС "частного применения", причем не для продажи, а для реализации в собственных электронных изделиях. В первую очередь это были электронные часы и микрокалькуляторы.

Таким образом, вертикальная интеграция представляет собой такую организационную форму в промышленности, при которой объединяются усилия специалистов по созданию электронных систем и специалистов по производству ИМС для этих систем. И областью соприкосновения, областью совместных действий* является область проектирования ИМС.

Попытаемся рассмотреть, что же представляет собой проектирование ИМС и какова роль тех и других специалистов в этом процессе.

Проектирование БИС или СБИС (например, микропроцессора) может быть разбито на четыре иерархических уровня: системный, логический, схемный и топологический.

На системном уровне в качестве элементов рассматриваются подсистемы, такие как процессоры, запоминающие устройства с произвольной выборкой (ЗУПВ), постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) и т. п. На логическом уровне решается задача соединения в подсистему вентилей. На схемном уровне из схемных элементов: транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов формируются эти самые вентили с необходимыми характеристиками. И, наконец, на топологическом уровне мы получаем данные, необходимые для изготовления фотошаблонов. Фотошаблоны представляют собой своеобразный инструмент фотолитографических топологических процессов, в ходе которых формируются токоведущие дорожки (ТВД) межсоединений как внутри ячеек (вентилей), так и между ними. На этом этапе решаются вопросы технологической реализации результатов проектирования, полученных на трех предшествовавших иерархических уровнях. Результаты топологического проектирования закладываются в ЭВМ, управляющую фотонаборной машиной или же установкой электронно-лучевой литографии. Однако этим процесс проектирования не заканчивается. С одной стороны, результаты проектирования на системном, логическом и схемном уровнях требуют верификации. Для этого проводится имитация (моделирование в отличие от макетирования при проектировании системы на унифицированных элементах) опытного образца для оценки его работоспособности и соответствия его заданной цели.

Особенно важным моментом является проверка совместной работы подсистем, особенно, если они выполнены на отдельных кристаллах, т. е. в виде самостоятельных ИМС. В ютечественной литературе можно встретить термин "бездефектность проектирования". В этом случае речь идет не просто о случайных ошибках в ходе проектирования, а о возможности совместной работы всех ИМС, образующих в комплексе схемотехническую часть устройства. Существует точка зрения (и, надо полагать, достаточно обоснованная), что бездефектность проектирования может быть обеспечена только при "сквозном" проектировании всего комплекта ИМС.

С другой стороны, перед проектировщиками стоит еще довольно сложная задача проектирования системы текстов, которая однозначно подтверждала бы работоспособность системы в целом, выполнение всех предписанных ей функций. Такая система тестов необходима для организации финишного контроля в производственном цикле выпуска ИМС.

Проверка всех результатов проектирования, включая и топологический иерархический уровень, может быть осуществлена путем изготовления опытной партии. Однако в ряде случаев изготовление опытной партии может оказаться слишком дорогим. Гораздо дешевле может оказаться имитация изготовления опытной партии с помощью ЭВМ, что требует, однако, достаточно точных моделей технологических процессов.

Таков ориентировочный состав процесса проектирования ИМС (или комплекта ИМС) для той или иной электронной системы. Каков же "удельный вес" тех или иных этапов в общем объеме работ по проектированию ИМС? Какой специалист должен быть здесь ведущим?

Процитируем статью "Полупроводники: ключ к вычислительному изобилию" из американского журнала "ТИИЭР", 1982. Т. 70. № 12. (Вспомним темпы развития микроэлектроники и обратим внимание на то, что это статья восьмилетней давности, что даже при замедленных темпах степень интеграции за это время должна была вырасти более чем в 10 раз. А это означает рост степени специализации интегральных микросхем...)

Итак, что же писал названный журнал на с. 25?

Этап верификации включает в себя подтверждение того, что полученная модель удовлетворяет тем целям, которые были поставлены при проектировании, того, что топология соответствует технологическим нормам и электрической схеме, а также подтверждение того, что спроектированная часть системы выполняет заданные функции. Последняя задача известна как задача генерирования тестов для выявления неисправностей; на автоматизацию решения этой задачи направлены значительные усилия, поскольку она требует громадного объема вычислений. Так, проектирование микропроцессора, содержащего несколько тысяч логических вентилей, может потребовать имитации десятков тысяч вариантов неисправностей".

В качестве иллюстрации приведем динамику развития микропроцессоров фирмы "Интел": 1971 г. - 2300 транзисторов, 1978 г. - 29000 транзисторов, 1983 г. -146 000 транзисторов и 1985 г. - 275 000 транзисторов. А последние сведения сообщают о том, что микропроцессор "Интел 486" содержит в нерегулярном кристалле 1Д млн. транзисторов. Он позволил создать настольную ЭВМ, сравнимую по своим возможностям с мощными универсальными ЭВМ фирмы ИБМ серий 360 и 370.

Ожидается, что в ближайшие годы будет разработана настольная ЭВМ, эквивалентная по возможностям суперЭВМ "Крей-1" фирмы "Крей ресерч". И несколько слов об объемах их производства: в 1976 г. на 1980 г. прогнозировался выпуск в США примерно 10 млн. микропроцессоров. Выпущено же было 150 млн. четырехразрядных и 48 млн. восьмиразрядных микропроцессоров. Первый однокристальный микрокомпьютер был выпущен в 1977 г.

Высокая стоимость и значительные сроки проектирования привели к появлению матричных принципов. Бели в общем случае проектирование велось в. расчете на оптимальный вариант транзистора и на оптимальное размещение вентилей по площади кристалла с целью повысить плотность упаковки и снизить длину межсоединений, то при матричных принципах в основу проектирования кладется кристалл с регулярной матрицей базовых ячеек по основной центральной площади кристалла. По периферии такого кристалла размещены ячейки элементов ввода и вывода информации. В состав базовой ячейки входит то или иное число транзисторов, позволяющих комбинировать из них определенное число вариантов логических элементов. Предприятия полупроводниковой промышленности ("кремниевые мастерские", как их называют в США) имеют отработанную технологию изготовления кремниевых пластин с различными вариантами кристаллов на них. Кристаллы эти называются базовыми матричными кристаллами (БМК).

Разработчик аппаратуры заказывает в "кремниевой мастерской" те варианты БМК, которые по числу и возможностям транзисторов, входящих в базовую ячейку, позволяют создать необходимую схему. Процесс проектирования такой БИС или СБИС, называемой матричной (МаБИС, МаСБИС), проходит по той же самой описанной выше схеме. Следует отметить, что в плотности упаковки при этом мы теряем приблизительно в 2,5 раза. Несколько возрастает длина межсоединений, что в определенной степени снижает быстродействие (паразитные параметры) и надежность (эффект электромиграции). Реализует процессы металлизации (разводки) разработчик МаБИС на основе БМК, т.е. разработчик аппаратуры.

Первый вариант получил название полностью заказного варианта создания БИС и СБИС, второй вариант — полузаказного. (Правда, справедливости ради надо сказать, что здесь нет ясности, кто, кому и что заказывает). Полузаказные или матричные БИС и СБИС характеризуются по сравнению с заказными более низким уровнем интеграции, что является следствием неоптимального использования площади кристалла при проектировании на основе БМК. Однако мы идем на эти потери с учетом того, что при равном числе вентилей сроки проектирования полузаказных БИС могут быть снижены в 3—4 раза по сравнению с полностью заказными.

В 1986 г. журнал "Электронике" (США) в № 25 на с. 34 сообщал, что ведущие американские фирмы затрачивают на создание систем автоматизированного проектирования полузаказных СБИС на основе вентильных матриц и стандартных ячеек (т. е. БМК) от 50 до 90 % средств, выделяемых на разработку новых изделий. Это объясняется необходимостью сокращения сроков разработки этих схем, достигающих при применении современных методов 50-100 чел.-лет (для схем с 25 тыс. — 50 тыс. вентилей или 100 тыс. транзисторов), а с увеличением сложности схем -1 тыс. чел.-лет.

Следует отметить, что тенденция к постоянному росту степени интеграции в последние годы снижается. Считается, что к 1995 г. арсенал технических средств микроэлектроники будет в основном исчерпан. Для дальнейшего повышения степени функциональной интеграции к этому времени желательно иметь решение, носящее альтернативный характер по отношению к классическому схемотехническому пути, при котором повышение функциональных возможностей достигается за счет увеличения числа схемотехнических ячеек, логических или памяти.

Это альтернативное несхемотехническое направление получило название функциональной электроники. Содержание проблем, подводящих нас к необходимости развития такого направления, основные пути и проблемы развития функциональной электроники подробно изложены в журнале "Электронная промышленность", 1990 г. № 11 в статье Я. А. Федотова и А. А. Щуки "Паллиативы или альтернатива? (О перспективах развития микроэлектроники) ". Однако не это является нашей основной задачей.

Пришло время поставить основные вопросы, являющиеся целью данного материала:

1. Может ли быть современная БИС или СБИС спроектирована без участия специалистов системо- и схемотехников?

2. Кому должна отводиться основная, ведущая роль в этой работе? Системо-и схемотехникам? Или физикам и технологам полупроводникового производства?

Трудно себе представить, чем можно было бы аргументировать положение, при котором системотехники не имели бы никакого отношения к проектированию БИС и СБИС, а тем более, У БИС — ультрабольших интегральных схем, не только с сотнями тысяч, но и с миллионами транзисторов на одном кристалле. И такие схемы в мировой практике проектируются.

Однако, к сожалению, термины "элементная база" и "комплектующие изделия" прочно вошли в наш лексикон и "давят на психику" системотехников. В результате и существует тенденция рассматривать БИС и СБИС как универсальное изделие, которое можно выписать по каталогу через отдел снабжения, которое и остается только создателю аппаратуры запаять на плату и вставить в кожух. В свете изложенного такая ситуация представляется просто абсурдной.

Несколько ближе к реальности будет такая позиция: "Есть же полностью заказные ИМС? (Смотри выше ...). Вот мы для нашей аппаратуры и будем заказывать такие схемы ... И, кстати сказать, если даже их исполнитель изготовит по матричному принципу, мы тоже возражать не будем ..." Логично? Да, но только на первый взгляд. Ведь мы уже установили, что без системотехника современную БИС или СБИС не создашь. В данной ситуации возникает потребность в системо- и схемотехниках двух квалификаций. Одни умеют заказывать (например, ИМС для однокристального компьютера) и ставить их на плату с разводкой толстыми пленками. Так как требования к аппаратуре, к тому же однокристальному компьютеру, напри мер, им выданы их заказчиком, их квалификации должно хватать хотя бы на то, чтобы понять, что хочет иметь заказчик, и не переврать, ретранслируя это своему субподрядчику. И, естественно, нужен другой системотехник, способный разработать эту ИМС. Мы оставим без внимания вопрос, работают ли они в одном ведомстве или в разных. В наших условиях скорее всего в разных...

(Возможно, читатель отметит, что инженерный стиль изложения перешел в своего рода "беллетристический"... Это не удивительно. Автор не раз выступал на разных уровнях, аргументируя необходимость подготовки инженеров-электронщиков в области микроэлектроники. Ни один из выдвигаемых аргументов никем не опровергался, а в качестве контрдоводов выдвигаются самые странные соображения, за которыми ясно просматривается боязнь нового и нежелание выпустить из рук часы педагогической нагрузки. Это и переводит полемику на "неинженерный" уровень).

Итак, и здесь мы вынуждены обсуждать довольно глупую ситуацию. В рамках одной специальности два уровня квалификации: один для работы в одной фирме, способной только ставить задачи, далеко не всегда ей сформулированные, а второй — для работы в другой фирме, способный к проектированию всех этих БИС, СБИС и УБИС ... А если в силу тех или иных условий ему придется перейти на работу с предприятия одной фирмы на предприятие другой фирмы? Заявить: "Да, я — радист ... Но проектировать радиотехнические устройства в микроэлектронном исполнении не умею... Дайте мне в помощь специалиста той же специальности, но из другого вуза. Я им буду руководить, а он будет проектировать..."

Теперь пришло время поставить и третий принципиальный вопрос:

Вопрос этот на первый взгляд также представляется весьма примитивным. Ведь абсолютно очевидно, что если ты собираешься проектировать то или иное изделие, предназначенное для производства, ты обязательно должен знать основы технологии этого производства.

Можно ли представить себе машиностроителя, не имеющего представления об основах технологии обработки металлов? И вот теперь четвертый вопрос :

1. Есть у нас две специальности в номенклатуре Госкомнаробраза: 22.01. "ЭВМ. Комплексы, системы и сети". 23.01. "Радиотехника". Кто это? Пользователи или создатели? Кто ответит на этот вопрос?

Те, кто утверждает, что эти специалисты не должны знать, что там внутри коробочки, называемой интегральной схемой, и тем более не должны знать, как все это делается, утверждает тем самым, что это пользователи. Вспомним тогда, что 3/4 расходов на разработку современного оборудования уходит на разработку ИМС. Если при этом считать, что 1/4 (остальная) уходит на конструктивную проработку (платы, разъемы, кнопки, стойки, компоновка, кожух, теплообмен и т. п.), что же остается на долю специалистов специальностей 22.01 и 23.01? Оставить задачи? Принимать разработки? Критиковать чужие решения? А чьи? Кто все же будет создателем аппаратуры? Конструкторы? Но они не имеют достаточной системо- и схемотехнической подготовки. Их дело — конструктивно-технологическая проработка уже разработанной аппаратуры, возможно, на уровне испытанного макетного образца. Но если есть макет, это значит, что и ИМС разработана. Но ИМС "на коленке" не сделаешь ... И с паяльником в нее не залезешь ... И кто же ее создал? Технолог полупроводникового производства, который должен знать для этого радиотехнику лучше, чем специалист специальности 23.01 и вычислительную технику лучше, чем специалист специальности 22.01? Нереально.

Но неоднократно приходилось слышать: "Ну, что Вы пристаете со своей (?!?) микроэлектроникой? Есть для этого специальность 20.03. Она так и называется: "Микроэлектронные и полупроводниковые приборы". Это же ясно, как божий день, что они-то и должны проектировать ИМС ..."

И опять здесь вылезает неприкрытое непонимание современной ситуации. ИМС сегодня - это и ИС однокристального компьютера, и память на 4 мегабита, и приемно-передающий модуль фазированной антенной решетки (ФАР) миллиметрового диапазона ... Организовать производство — это одно. Здесь имеется определенная общность технологических вопросов. Но вести проектирование фактически систем, как вычислительной техники, автоматики и приборостроения, так и радиотехнических ... Это, вероятно, все же сфера действия соответствующих специалистов.

Итак, круг замкнулся...

а) Для микроэлектроники есть своя специальность ... (Этот тезис мы уже рассмотрели).

б) В разных регионах есть потребность в специалистах разной квалификации.
Если в том или ином регионе есть необходимость в специалистах по ЭВМ со знанием
основ микроэлектроники, эту дополнительную подготовку можно дать в рамках
специализации, в рамках "дисциплин, установленных советами вузов" (ДУС) ...

Интересно, а все остальные специалисты по ЭВМ должны на ламповые ЭВМ ориентироваться? Например, на ЭВМ "Стрела", которая была выпущена серийно ... Серией в шесть штук ...

И кто установит, в каких вузах ввели в учебный план микроэлектронику, а в каких нет? И что может являться критерием вводить в учебный план микроэлектронику или не вводить — степень подготовленности профессорско-преподавательского состава? Оснащенность лабораторий?

в) Высказывалась и такая точка зрения: "Радиотехнические кафедры не оснаще-
ны оборудованием, необходимым для преподавания микроэлектроники ..." То, что
в этом же вузе есть кафедра микроэлектроники или полупроводниковой электро-
ники, которая могла бы и должна была бы взять на себя эту дисциплину, игнорирует-
ся полностью. И это можно легко понять: борьба за нагрузку. "У вас есть своя спе-
циальность, микроэлектронная ... Вот вы их этой самой микроэлектронике и учите.
А у нас специальность радиотехническая, кафедра радиотехническая и микроэлек-
троника нам ни к чему ..." Это уже местничество ...

г) "Микроэлектроника у нас преподается, но в составе других курсов". При этом не уточняется, в составе каких именно ...

Трудно предположить, в каких курсах учебных планов специальностей "Радиотехника", например, или "ЭВМ, комплексы, системы и сети" могут найти свое место разделы курса основ микроэлектроники. Неясно также, кто их будет читать. Прямого ответа на этот вопрос получить не удалось. Единственно, что удалось установить, что в этом случае под микроэлектроникой понимается всего лишь техника гибридных интегральных схем (ГИС). Что это такое? В общем-то это уменьшенный вариант печатного монтажа. Вот и объединяют на этом принципе конструирование и технологию интегральной электроники с конструированием и технологией электронной аппаратуры, при этом закрывают глаза на монолитную технологию ( «это не наше дело…») и ограничиваются технологией гибридной…

Когда-то, больше 20 лет тому назад, разработки ГИС в Советском Союзе были удостоены Государственной премии. Однако не мешает вспомнить, когда это было и какими темпами развивается микроэлектроника. Сегодня в мировой практике ГИС занимают всего около 4 % объемов выпуска, при этом речь уже абсолютно не идет о цифровых интегральных схемах. Все цифровые интегральные схемы выпускаются сегодня в монолитном (или, как это еще полагается называть, в полупроводниковом) варианте.

Областью применения ГИС пока еще остаются СВЧ устройства. Однако в последнее время и в этой области произошли существенные изменения. Современные СВЧ устройства сантиметрового и миллиметрового диапазона выполняются уже в монолитном исполнении. Это объясняется рядом факторов. Во-первых, массогабаритные показатели монолитных ИМС СВЧ в десятки раз меньше, чем у соответствующих аналогичных ГИС. Во-вторых, целый ряд устройств, особенно в коротковолновой части сантиметрового диапазона и в миллиметровом диапазоне, просто невозможно исполнить в гибридном варианте. Итак, начиная с частот 3000 ГГц и выше будущее за монолитными ИМС. А это требует знания возможностей технологических процессов, значительно более сложных, чем технологические процессы пленарной технологии на кремнии.

Но мы же взяли курс на отрицание необходимости знания основ технологии микроэлектроники радистами! .

Более того, и на этот вопрос находится ответ: "Предприятия, на которые распределяются наши выпускники, используют только гибридную технологию. Когда перед ними встанет задача применения "полупроводниковой" технологии, вот тогда мы и будем их учить!"

Очень оригинальная точка зрения: Вот когда наша промышленность выйдет на мировой уровень, тогда и кадры соответствующие будем готовить ...

Мы установили ранее, что интегральные схемы высокого уровня интеграции (а это, как правило, цифровые интегральные схемы) проектировать некому. Теперь мы можем смело сказать, что некому проектировать и современные ИМС сантиметрового и миллиметрового диапазона...

Да ... Если бы всю энергию, которая затрачивается на то, чтобы отбиться от микроэлектроники, использовать "в мирных целях", т. е. на ее освоение ... Тогда и говорить и писать было бы не о чем. Увы ...

Закончить же хотелось бы следующим заключением: "Микроэлектроника должна быть обязательным, самостоятельным и неотъемлемым курсом во всех учебных планах "электронных" специальностей. Можно ли рассчитывать выйти в области электроники на мировой уровень, не обеспечив подготовку соответствующих кадров? Особенно если учитывать тот размах и темпы развития, которые приобрела электроника именно на базе микроэлектроники?

Вертикальная интеграция должна стать реальностью не только в сфере организации производства, но и в сфере подготовки кадров.

________________________________________________

Я. А. Федотов - д-р техн. наук, действительный член Технологической академии РСФСР