Проблемы развития микроэлектроники в России: создание Дизайн центров полного цикла

1.

Проблемы развития
микроэлектроники в России:
создание Дизайн центров полного цикла
Март, 2022

2.

Современные технологические тренды Микроэлектроники
Замедление закона Мура - снижение размеров и рост производительности чипов замедлилось из-за
физических ограничений, а также отсутствия необходимости и неэффективности универсальных решений
по сравнению со специализированными => переход от универсальных решений к кастомизации:
–
–
–
Принципиально новые технологии (квантовые вычисления, фотоника и новые производственные материалы для
чипов) в стадии R&D
Рост кастомизации архитектур (СБИС , ПЛИС) под специфические требования различных продуктов: интернета
вещей, робототехники, беспроводной связи, искусственного интеллекта (ИИ), беспроводного транспорта и др.
Возможности оптимизации универсальных решений (CPU, GPU, TPU) за счет создания специализированные ускорителей
GPU, TPU, SmartNIC, SmartSSD и т.д. – ускорители снижают требования к производительности CPU
Глобальный драйвер развития - смена технологических укладов и реинжиниринг бизнес процессов за
счет цифровизации и автоматизации различных отраслей экономики (промышленность, энергетика,
транспорт, с/х, ЖКХ, телемедицина, онлайн образование, другие) => Потребность в большом количестве
специализированных решений ЭКБ под специфические задачи различных рынков, продуктов и
потребителей:
–
–
–
Ускоренная роботизация, внедрение технологий ИИ и Интернета Вещей, развитие новых беспроводных технологий
связи, в т.ч. спутниковой, распространением новых цифровых сервисов телемедицины, онлайн образования,
дополненной реальности, др.
Данные рыночные и продуктовые изменения требуют масштабной смены аппаратных решений в различных отраслях
экономики, разработки и внедрения широкой линейки новой специализированной микроэлектронной компонентной
базы различного применения.
Рост номенклатуры разрабатываемой ЭКБ, требований к качеству, себестоимости разрабатываемой продукции и к
скорости ее выхода на рынок привели к значительному росту спроса на услуги по разработке заказных
микроэлектронных продуктов, на услуги независимых Дизайн центров, широкому внедрению решений автоматизации
2
проектирования микроэлектроники.

3.

Изменения на рынке микроэлектроники России
Микроэлектроника в России: большие перспективы долгосрочного роста и новые
возможности
–
–
–
–
–
Не смотря на временные трудности - вследствие незначительного внутреннего спроса и
недоинвестированности в течение продолжительного времени – российская микроэлектроник в
последние годы стала успешно развиваться.
Государственный оборонный заказ и инициативы по импортозамещению постепенно оживляют
предприятия отрасли. В России уже существует десятки компаний, занимающихся разработкой
ЭКБ, хотя доля Российской ЭКБ даже на внутреннем рынке составляет пока не более 10%, а на
глобальном рынке около 1%.
Смена технологических укладов вследствие цифровизации и автоматизации различных отраслей
экономики и внедрения большого количества новых радиоэлектронных продуктов в различных
отраслях дает новые возможности для развития российской микроэлектроники
В перспективе, ЭКБ российской разработки сможет занять доминирующие позиции на внутреннем
рынке и получать значительные доходы от продаж на международных рынках. Для этого
необходимо повысить качество разработки, а также обеспечить конкурентоспособность широкой
номенклатуры ЭКБ по цене и скорости выхода разработок на рынок.
Данные улучшения и дальнейшие высокие темпы развития российской отрасли микроэлектроники
можно обеспечить только за счет внедрения новых передовых практик и технологий
проектирования микроэлектроники. Как это сделать более подробно будет рассказано ниже.
3

4.

Специфические проблемы и решения для Российской
микроэлектроники
1.
Относительно высокая стоимость разработки при относительно малых партиях, так как:
– До 80% затрат идет на лицензирование и интеграцию сторонних интерфейсных IP блоков от
западных поставщиков
– Ограниченность большинства проектов только российским внутренним рынком
2.
Слабая программная экосистема вокруг Российских микропроцессоров
– Средства разработки, драйвера, оптимизированные алгоритмы
– Примеры проектов
3.
Относительная нехватка кадров
– Критическая нехватка специалистов по топологическому проектированию (28нм и ниже) и
верификации.
4.
Приоритет краткосрочных задач над долгосрочными:
– Недостаточное системное планирование комплексных проектов развития новых технологий
радиоэлектроники (беспроводной связи, ИИ, робототехники) – от формирования системного проекта
до заказа отдельных микрочипов и планирования системы дистрибуции в т.ч. на международных
рынках
– Доминирование ОКР над НИР – так как средства ограничены и надо давать быстрые результаты под
срочные проекты критического значения
– Недостаточно затрат на разработку прорывных (но рисковых) технологий, способных составить
конкуренцию мировым лидерам
4

5.

Специфические проблемы и решения для Российской
микроэлектроники
Решение обозначенных проблем позволит создавать в России глобально
конкурентоспособную микроэлектронику, которая будет приносить стране существенный
дополнительный доход.
Среди наиболее эффективных решений
Снижение себестоимости разработок за счет создания базы IP блоков
Развитие кастомизированных решений
Инвестирование в разработку САПР системного уровня, системного ПО и средств разработки
Создание крупных Дизайн Центров микроэлектроники
Внедрение передовых практик и бизнес процессов проектирования микроэлектроники
Выстраивание крупных системных технологических проектов международного значения через
кооперацию Дизайн Центов микроэлектроники с крупными Индустриальными партнерами
5

6.

IP блоки + технологии интеграции
Создание базы интерфейсных IP блоков Под техпроцессы: 28нм, 16нм, 6нм
–
Блоки: PCIe(4/5), DDR(4/5), USB (2/3), Ethernet(1G/10G), MIPI DSI/CSI
–
Полный набор представлений: от программной модели до топологи + набор
тестов.
Разработка технологий интеграции
–
Технологии, позволяющие ускорить и упростить интеграцию блока в микросхему
на разных уровнях (программная модель, RTL, Netlist, топология)
Планируемый результат:
–
Сокращение себестоимости разработки СнК (стоимость блока = стоимость
техподдержки)
–
В перспективе: сокращение временных затрат на интеграцию (времени работы
инженеров)
6

7.

Кастомизация архитектур
Универсальные решения – процессоры общего назначения (CPU, GPU, DSP)
– рынок поделен крупными игроками, рост рынка ограничен, высокие
барьеры для входа
–
–
Создание конкурентоспособных решений требует $$млрд. инвестиций в анализ
производительности тысяч алгоритмов
Рост данного сегмента рынка достиг своего предела (физические ограничения роста
дальнейшей производительности)
Кастомизированные решения - Специализированные решение для старых
(ПК, смартфоны) и для новых рынков (IoT, Роботов, БПЛА, AI, VR/AR,
серверные ускорители )
–
–
–
–
–
Кастомизация позволяет повысить производительность целевых приложений на
несколько порядков по сравнению с CPU. Пример: TPU
Сужение списка приложений до нескольких алгоритмов => сокращение инвестиций с
миллиардов до миллионов $$
Кастомизация на базе RISC-V или ARM позволяет создавать глобально совместимые
архитектуры
• Запускается всё, но целевые приложения – на порядки быстрее.
Наличие множества специальных ускорителей девальвирует ценность
производительности CPU => Окно возможности для Российских решений
Рынок РФ: требуется широкая номенклатуры специализированных решений для
устройств нового типа (IoT, Робототехника, Беспилотные системы и т.д.)
7

8.

САПР дизайна системного уровня
Дизайн системного уровня (ДСУ) – ключевая фаза кастомизации.
–
Цель ДСУ: оптимизировать комплексное программно-аппаратное решение
–
ДСУ – стадия адаптации софта под «железо» и «железа» под софт
ДСУ носит итеративный характер:
–
Þ
Быстродействие на заданных приложениях
Энергопотребление
Размер, стоимость
Каждая итерация: изменение «железа» и системного ПО.
Долго и дорого, если не применять специальный САПР
Технологии САПР для ускорения (ДСУ):
–
–
–
–
–
–
Специальные языки описания ядер (nML, CODAL, PPDL): генерация как RTL, так и системного ПО
• Автоматическая адаптация средств разработки (компилятор, ассемблер, отладчик, профилировщик)
создаваемую архитектуру.
Средства высокоуровневого синтеза
Алгоритмы генерации драйверов в составе инструментов высокоуровневого синтеза
Генерация HAL ОС на основе библиотеки драйверов и описания высокоуровневого описания микросхемы (карты
памяти, прерывания и т.д.)
Программы настройки модулей ОС.
Генерация top-уровня программных и RTL моделей микросхемы.
8

9.

Перспективы инвестиций в САПР
Распространенные САПР – старые рынки / заняты, нет критической важности
–
Инструменты логического и физического дизайна и верификации
–
Поставщики: компании несколько десятков лет на рынке (Synopsys, Cadence, Mentor Graphics), решения разрабатываются и
эксплуатируются десятки лет
Þ
Создание аналогов нецелесообразно. Максимум: настройки над продуктами для упрощения работы инженеров
(анализаторы-визуализаторы трасс, генераторы скриптов и т.д.)
Новая реальность: Экспортные ограничения на лицензирование САПР.
Необходима интенсификация работ по замещению импортных САПР отечественными аналогами
на основе продуктов с открытым кодом и собственных разработок.
Этап разработки
Возможная база для создания САПР
Моделирование цифровых схем
Verilator, Icarus Verilog
Моделирование аналоговых схем
Ngspice, LTSpice
Логический синтез
Yosis
Разработка и верификация топологии
Klayout, Proton, Qrouter
Анализ и оптимизация производительности
Graywolf, OpenTimer
9

10.

Перспективы инвестиций в САПР
Слабо распространенные САПР – хорошие текущие возможности для развития
–
САПР системного уровня: есть у ведущих поставщиков, но активным спросом не
пользуются
Þ Есть возможность захватить рынок с новыми продуктами. Ниша по факту не занята.
Перспективные САПР – большие перспективные возможности:
–
Технологии автоматической генерации архитектур на основе бенчмарков
• Генерация расширений ISA, подсистем памяти, ускорителей
–
Драйвер развития: технологии машинного обучения.
• Генерация моделей с помощью нейросетей.
• Обучение нейросетей на результатах моделирования.
–
Состояние: стадии R&D даже у ведущих поставщиков.
=> Инвестиции в создание таких САПР целесообразны и своевременны. Такие
решения могут многократно (вплоть до порядков) повысить
производительность разработчиков ЭКБ
10

11.

Центры услуг физического дизайна
Потребности:
–
Нехватка кадров в области логического и физического дизайнов
–
Высокая стоимость средств САПР
–
Время на физ. дизайн цифровых микросхем составляет небольшой процент от общего
времени разработки
• При малом числе проектов вероятных простои ценных специалистов
Создание специализированных центров физ. дизайна даст:
–
Консолидацию кадрового потенциала, среду для обучения и взращивания новых
профессионалов
–
Эффективное использование специалистов
–
Максимальную отдачу от средств на закупку САПР и оборудования для физ. дизайна
11

12.

Дизайн Центры полного цикла – ядро цифровой экономики
Новые точки роста - постиндустриальные Дизайн-Центры
• Рост новых технологических рынков (AI, IoT, Роботы,
Космос…)
• Комплексные сквозные технологии разработки и
производства новых кастомизированных продуктов под
новые рынки/задачи
• Автоматизация и ускорение процесса разработки,
высокая скорость реализации новых технологических
задач под нужны потребителя – новая технологическая
фабрика 21 века
Программная экосистема
Текущая ситуация в России и в Мире
- В ведущих странах мира (США, Китай, Южная
Корея, Германия) идет смена технологических
укладов, цифровой реинжиниринг
промышленности и других отраслей (с/х,
энергетика, транспорт, медицина, добыча иск-х)
- Начинается новый Hardware цикл развития:
повышение технологического уровня требует
создания новой микроэлектронной и радиоэлектронной базы, новых систем проектирования
программно-аппаратных решений и новой
электро-техники
Архитектура
Производство
Автоматизированная цифровая фабрика
Полнофункциональные высоко-технологичные Дизайн Центры станут ядром для
формирования Новой мировой экономики и Мировых технологических кластеров
12

13.

Системная работа Дизайн Центров с Индустриальными партнёрами
1. Проектный офис
2. Разработка
Системных
Микроэлектроники,
решений радиоЭлектроники и
электроники и ЭКБ
Телекоммуникационного
оборудования
3. Разработка
Программного
Обеспечения
4. Разработка,
производство и
продвижение
конечных
продуктов, услуг и
приложений
• Разработка
• Автоматизация процесса • Разработка
• Разработка
архитектуры
проектирования систем на Программного
потребительского
комплексных
кристалле (СнК)
обеспечения от
дизайна продукции
технологических
операционных
• Разработка
• Организация
систем для развития
систем
до
услуг
и
специализированных
производства от
различных продуктов, систем на кристалле (СнК) приложений
комплектующих до
услуг и приложений
• Разработка
готовой продукции
• Разработка
• Моделирование
технологий и средств • Продвижение и
специализированной
технологических
системного
электроники,
продажа
решений, продуктов и электротехники и телеком проектирования
коммерческих
проектов
оборудования
продуктов, услуг и
приложений
5. Исследования и
разработки
• Фундаментальные
исследования и
разработки в области
электроники и связи
• Исследования
рынков, продуктов,
технологий и
стандартов
13

14.

Потенциал и возможности и развития различных сегментов Микроэлектроники
В настоящее время существуют разные задачи и возможности развития в различных
сегментах рынка Микроэлектроники в мире и в России
1.
Производственные мощности: ограничение роста производительности чипов, высокая
ограничения на импорт производственных технологий => инфраструктурный проект,
отдаленные результаты, большие капзатраты, высокие риски при отсутствии срочных
потребностей в новых мощностях
2.
Технологическое производственное оборудование: закрытый рынок из нескольких основных
мировых поставщиков => задача для отдельного рассмотрения
3.
Разработка микроэлектроники: за счет цифровизации экономики растет количество
специализированных задач и новых рынков радиоэлектроники и электротехники => большой
растущий рынок с множеством новых сегментов и задач, конкуренция за счет создания
уникальных кастомизированных решений, использования портфеля готовых технологий
(IP блоков), автоматизации процессов проектирования, а также узкоспециализированным
компетенциям на специализированных рынках
4.
Передовые практики, технологии и средства проектирования: автоматизации проектирования,
IP блоки, специализированные компетенции проектирования, уникальные отраслевые знания =>
ключевой фактор конкуренции на рынке микроэлектроники, определяющий качество,
сроки и стоимость разработки микроэлектроники - динамичный рынок, большие
возможности для развития
14