Микропроцессоры и проблема взаимоотношений между потребителями и создателями изделий электронной техники

Разработка комплексных целевых программ как основы вертикальной, межотраслевой кооперации при создании унифицированных БИС и других ИЭТ является одним из решений проблемы взаимоотношений между потребителями и создателями ИЭТ.

Появление микропроцессорных и других интегральных схем с высокой степенью интеграции (БИС) явилось революционным этапом в развитии средств вычислительной техники и радио - электронной аппаратуры.

Это объясняется прежде всего двумя факторами: качественным улучшением характеристик средств ВТ и РЭА в результате применения БИС при их построении (уменьшением) габаритов, массы, энергопотребления, возможностью встраивания средства управления практически в любую аппаратуру) и расширением области применения ВТ и РЭА, т.е. возможностью использования средств ВТ и РЭА в областях, в которых ранее они не применялись.

Яркой иллюстрацией стремительного развития вычислительной техники являются ЭВМ. Основные характеристики современных ЭВМ, построенных, например, на интегральных схемах серии типа К-587, улучшились по сравнению с характеристиками первых ламповых ЭВМ на несколько порядков.

В настоящее время ЭВМ - это легкий, надежно работающий, относительно недорогой блок, который может быть встроен непосредственно в аппаратуру любого объекта и эксплуатироваться в любых условиях практически без участия человека.

Однако успехи микроэлектроники привели не только к резкому улучшению характеристик средств ВТ и РЭА, но и к коренному изменению взаимоотношений между создателями и потребителями микропроцессоров и других БИС, т.е. между предприятиями электронной и аппаратуростроительных отраслей промышленности.

Рассмотрим для иллюстрации процесс создания гипотетической малой ЭВМ на разных этапах развития изделий электронной техники (см. таблицу). Штриховкой выделены конструктивные уровни ЭВМ, выполняемые на предприятиях электронной промышленности, не заштрихованная область - продукция предприятий аппаратуростроения.

С ростом степени интеграции ИЭТ возрастает функциональное со - держание каждого конструктивного уровня. Так, если на этапе применения дискретных ИЭТ на ячейке размещались только один или несколько логических элементов, то на этапе применения БИС - уже вся ЭВМ.

Следовательно, при сохранении установившихся взаимоотношений между потребителями и создателями ИЭТ вклад аппаратуростроительных предприятий в непосредственное создание ЭВМ неуклонно снижается и в недалеком будущем, с появлением сверхбольших интегральных схем (СБИС), когда станет возможным построение ЭВМ в одном кристалле, снизится до минимума, т.е. складывается ситуация, когда ЭВМ начинают делать специалисты по микроэлектронике.

Для обеспечения разработки, производства и испытаний БИС предприятия электронной промышленности вынуждены решать новые, не свойственные им проблемы, ранее решавшиеся предприятиями аппаратуростроения.

Так, например, разработка БИС в связи с ее высокой сложностью, стала возможной только с применением средств автоматизации проектирования, поскольку этап настройки аппаратуры, имевший место при ее построении на основе дискретных ИЭТ и микросхем с малой степенью интеграции и обеспечивавший возможность выявления и исправления всех ошибок разработчика и конструктора, потерял смысл при разработке БИС — изменить что-либо в кристалле невозможно.

Следовательно, появилась необходимость в создании мощных систем машинного проектирования с развитой периферией, обладающих производительностью несколько сотен тысяч операций в секунду и большой памятью.

Не меньше проблем возникает и при создании технологического оборудования. Современная технология изготовления ИС вплотную подошла к созданию БИС, содержащих до 4 • 10⁷ координатных точек на кристалле площадью 40-50 мм². Для реализации таких схем необходимо обеспечить получение ширины линии 0,5-0,7 мкм, что невозможно при использовании традиционных методов и оборудования. Следовательно, необходимо создание нового сложного оборудования (например, электронно-лучевого).

Рис. Реализация конструктивной иерархии различных поколений мини-ЭВМ

Ни одна другая отрасль промышленности не требует такой высокой чистоты исходных материалов, как микроэлектроника. Так, для полупроводниковых пластин допускается дефектность не хуже 1 дефекта на 1 см², причем дефекты рассматриваются на молекулярном и атомарном уровне.

Большое количество проблем связано с созданием контрольно-измерительной аппаратуры. Сложность БИС достигла такого уровня, когда полный параметрический или функциональный контроль становится невозможным из-за большого его объема. Например, для полного функционального контроля микропроцессорной БИС требуется 2^аb тестов, где a-разрядность, b —количество микрокоманд микропроцессора.

Так, для проверки схемы К587ИК2 требуется 2652 тестов. Выходом из сложившейся ситуации является частичный функциональный контроль. Его практическая реализация требует сложных систем для разработки приемлемых по объему и качеству проверки БИС тестов, для непосредственного выполнения тестового контроля. По объему аппаратуры и математического обеспечения такую систему можно сравнить с ЭВМ ЕС 1030, но с более высоким быстродействием.

Итак, с ростом степени интеграции в микроэлектронике предприятия электронной промышленности, занимающиеся проектированием и производством изделий ВТ и РЭА, вынуждены наращивать темпы разработки и производства сложной прецизионной технологической и контрольно-из - мерительной аппаратуры, адекватной целым системам, что отвлекает очень крупные силы, сдерживает темпы развития микроэлектроники и приводит к еще большему нарушению специализации разработчиков изделий электронной техники и РЭА.

Время и события требуют диалектического изменения исторически сложившихся отношений меж - ду предприятиями электронной и аппаратуростроительных отраслей промышленности.

Одно из решений этой проблемы - широкая горизонтальная и вертикальная кооперация заинтересованных предприятий заказчиков и исполнителей, осуществляемая на основе двухуровневого комплексно-целевого планирования.

При таком подходе сохраняется специализация предприятий и отраслей промышленности, оптимизируется номенклатура ИЭТ на основе их унификации, создаются предпосылки для унификации аппаратуры ВТ и РЭА, оптимизируется распределение ресурсов предприятий и отраслей промышленности, сокращаются сроки разработки и освоения в производстве ИЭТ и изделий ВТ и РЭА и т. д.

Прежде чем перейти к рассмотрению сущности двухуровневой кооперации и принципов построения комплексно-целевых программ ( КЦП), необходимо провести некоторую классификацию ИЭТ по степени их применения в различных изделиях ВТ и РЭА. Подавляющая часть ИЭТ может быть использована для построения широкого круга изделий ВТ и РЭА. Такие ИЭТ называют унифицированными.

Другие могут быть использованы для построения только определенного класса изделий. Назовем их ориентированными. При проектировании некоторых изделий ВТ и РЭА может возникнуть необходимость создания ИЭТ, применимого только в данном изделии или в нескольких однотипных изделиях. Такие ИЭТ назовем заказными.

Для разработки номенклатуры унифицированных ИЭТ головные предприятия электронной промышленности на основе изучения заявок аппаратуростроителей и областей применения определяют номенклатуру унифицированных ИЭТ в виде перечней развиваемых ИЭТ.

Для оптимизации распределения ресурсов предприятий электронной промышленности и координации разработок с целью обеспечения полноты номенклатуры разрабатываемых ИЭТ, с одной стороны, и исключения возможности неоправданных параллельных разработок, с другой стороны, служит горизонтальная кооперация, основанная на отраслевых комплексно-целевых программах (ОКЦП).

ОКЦП формируются по классам ИЭТ на длительный срок (3-5 лет и более) и включают в себя все работы по созданию перспективных ИЭТ определенного класса, например по микропроцессорам, схемам памяти, логическим схемам и т. д.

Соответствующие разделы перечней развиваемых ИЭТ являются основой ОКЦП. Планирование разработок на основе ОКЦП обеспечивает возможность оптимального распределения работ между предприятиями отрасли с учетом их специализации, наличия ресурсов и специалистов и тем самым позволяет гарантировать выполнение работ на высоком уровне и в кратчайшие сроки. Таким образом осуществляется горизонтальная, внутриотраслевая кооперация.

Появление микропроцессоров и других БИС остро поставило вопрос о вертикальной, межотраслевой кооперации, т. е. об участии потребителей в создании унифицированных БИС и других ИЭТ, так как сложность БИС возрастает, их разработка требует все более сложного оборудования и аппаратуры, т.е. решения таких проблем, которые не под силу предприятиям электронной промышленности.

Форма и доля этого участия могут быть определены при согласовании ОКЦП со всеми заинтересованными сторонами, в том числе с потребителями. Например, при создании БИС потребитель может принять участие в разработке и поставке технологического, оптического, электронно-лучевого и другого оборудования, контрольно-измерительной и тестовой аппаратуры, материалов, разработке программного обеспечения, систем машинного проектирования и технических средств для них, особенно периферийных устройств и т. д.

Однако основой вертикальной кооперации должны явиться аппаратурно-ориентированные комплексные целевые программы (АКЦП). Они формируются организациями аппаратуростроительных отраслей совместно с организациями электронной промышленности и содержат весь комплекс работ, необходимых для построения определенного класса изделий ВТ и РЭА, в том числе и работы по созданию ИЭТ.

АКЦП также согласовываются со всеми заинтересованными сторонами и определяют форму и долю участия заказчика в создании унифицированных БИС (порядок создания ориентированных и заказных БИС будет рассмотрен ниже).

Таким образом, благодаря широкому участию большого количества предприятий различных отраслей в едином комплексе работ, скоординированном на основе взаимосогласованных ОКЦП и АКЦП, обеспечивается возможность создания унифицированных БИС в кратчайшие сроки и на высоком уровне.

Следует особо остановиться на проблеме создания ориентированных и заказных БИС. В этом случае заказчику, т.е. аппаратуростроительной организации, отводится еще большая роль. Ориентированные, а тем более заказные БИС отражают специфику конкретного потребителя. По существу они являются частью аппаратуры узкого назначения, реализованной в виде БИС.

В связи с этим взаимоотношения заказчика е исполнителем могут строиться по схеме, принятой в большинстве аппаратуростроительных организаций для регламентации совместных работ разработчиков (схемотехников) и конструкторов. Построенная по этому принципу схема взаимоотношений заказчика и исполнителя приведена на рисунке.

Разработка и согласование технических требований (ТТ) на заказную БИС (для краткости и ориентированные, и заказные БИС будем называть заказными, так как порядок их разработки одинаков) выполняется совместно заказчиком и исполнителем, но основную работу при этом выполняет заказчик. Исполнитель помогает заказчику выбрать соответствующую технологию и определяет возможность реализации требований заказчика в вице БИС.

Так как технический уровень изделия прежде всего определяется архитектурными и схемотехническими решениями аппаратуры, разработка карты технического уровня (КУ), необходимой для определения целесообразности разработки изделия и перспектив его применения, является задачей заказчика. Всю необходимую для этого информацию со стороны исполнителя заказчик получит при разработке ТТ.

Разработка архитектурных и структурных решений в построении изделия должна выполняться также заказчиком. Исполнитель принципиально не может выполнить этих работ, так как он не знаком с конкретной аппаратурой, частью которой должна являться БИС, к тому же у него нет для этого соответствующих специалистов и опыта в разработке специализированной аппаратуры.

Перед исполнителем же стоят задачи, свойственные его специализации, которые кроме него никто не сможет выполнить. Одной из главных задач является разработка базовой технологии, которая существенно изменяется с изменением степени интеграции микросхем и многих других факторов. На этапе разработки базовой технологии исполнитель изготавливает тестовые структуры, на которых отрабатываются как технологический процесс, так и базовые ячейки и другие параметры, необходимые для разработки топологии БИС.

Рис. Схема взаимоотношений между заказчиком и исполнителем ИС высокой функциональной сложности

Одновременно заказчик осуществляет логическое моделирование (на ЭВМ) как БИС, так и изделия на ее основе, после чего разрабатывает схемотехническую документацию.

Одним из основных этапов в создании ИС с высоким уровнем интеграции является разработка топологии, к которой приступают после отработки базовой технологии и отладки при помощи средств машинного проектирования функциональных (Сх. Ф) и электрических схем (Сх. Э). Следует отметить, что из-за высокой сложности БИС разработка схемотехнической документации и топологии ручным способом практически невозможна.

Однако, если средствами машинного проектирования схемотехнической документации заказчик на настоящем этапе развития техники не может не располагать, то аналогичных средств для разработки топологии" у него, как правило, нет. Учитывая большое количество потенциальных заказчиков и незначительное количество заказных БИС, разрабатываемых каждым из них, снабжать их такими средствами нецелесообразно.

Эффективнее обеспечить мощными средствами машинного проектирования топологии предприятия электронной промышленности, которые будут их использовать при разработке как заказных, так и унифицированных БИС. Однако разработка топологии без участия разработчика схемы изделия практически невозможна. Следовательно, необходимо участие в этой работе обеих сторон, что и отражено на рисунке.

Указанное распределение работ по разработке топологии не распространяется на случай, когда разрабатывающее предприятие предлагает собственную идеологию комплектов микросхем, или когда характер разрабатываемых ими средств ВТ и РЭА требует большого количества заказных БИС.

Такие предприятия должны разрабатывать топологию самостоятельно. Обязанность исполнителя - снабжать его всей необходимой информацией, определяемой принятой базовой технологией.

Результатом проектирования топологии является перфолента (ПЛ) для изготовления фотошаблонов (ФШ). Изготовление фотошаблонов - один из важнейших этапов в создании БИС, требующий прецизионного оборудования и высокого качества исходных материалов.

Заказчик должен обеспечить возможность измерений параметров и тестовой проверки работоспособности БИС. Это может быть достигнуто двумя способами. Либо при разработке БИС заказчик обеспечивает возможность ее проверки на стандартной измерительной и тестовой аппаратуре, имеющейся у исполнителя, либо, если ему это не удастся, то он, учитывая специализацию предприятий заказчика и исполнителя, должен решить проблему разработки, изготовления и обеспечения исполнителя тестовой и метрической аппаратурой в количестве, необходимом для серийного производства микросхем.

Базовая технология определяет общие характеристики процесса изготовления БИС. Для изготовления конкретной БИС требуется его уточнение, т.е. разработка конкретного процесса, осуществляемая исполнителем.

Учитывая специальный характер заказных БИС, следует предусмотреть, что в некоторых случаях исполнитель должен сам разрабатывать и осваивать производство соответствующих корпусов для них.

Изготовление БИС, их контроль, испытания и освоение в серийном производстве осуществляются исполнителем.

Поскольку основным разработчиком БИС, ее архитектуры, структуры и схемотехники, является заказчик, наверное, более целесообразно возложить на него разработку всех эксплуатационных документов и материалов по применению микросхем. Однако ряд требований и рекомендаций, например требования к условиям эксплуатации , заказчик не может сформулировать без участия исполнителя. Поэтому разработка материалов по применению (см. рисунок) является совместной работой, хотя основным ее исполнителем является заказчик.

В некоторых случаях разработке микросхемы сопутствует разработка математического обеспечения (МО). Так как в МО реализуются некоторые черты архитектурных принципов построения изделия, разработку МО желательно возложить полностью на заказчика.

Рассмотренная схема носит очень обобщенный характер, в каждом конкретном случае она должна уточняться. Например, может оказаться целесообразным участие исполнителя в разработке эксплуатационных документов, а заказчика - в измерениях и испытаниях. Однако основные принципы распределения обязанностей должны сохраниться.

В заключение следует остановиться на особенностях подачи заявок на разработку БИС. Заявки принимаются головной в электронной промышленности организацией. К рассмотрению принимаются только сводные заявки, отражающие общую потребность отрасли после проведения работы по внутриотраслевой унификации ИЭТ. В нее могут быть включены предложения по разработке как унифицированных, так и неунифицированных ИЭТ.

Предложения должны быть снабжены исчерпывающим технико-экономическим обоснованием целесообразности разработки унифицированных ИЭТ, а для заказных ИЭТ - невозможности применения вместо них унифицированных изделий. Кроме того, к заявке должны быть приложены основные характеристики предлагаемых к разработке изделий (функциональные, временные, электрические, конструктивные и т.п.) и потребность в изделиях по годам на определенный период времени.

Таким образом, в результате развития микроэлектроники устанавливаются принципиально но - вые взаимоотношения между разработчиками ИЭТ и средств ВТ и РЭА. Поставщик и потребитель стандартных изделий из независимых сторон превращаются в тесно сотрудничающие. Практика показывает, что такой подход полностью себя оправдывает, позволяет концентрировать силы и средства различных отраслей промышленности на решении общей задачи развития народного хозяйства.