Микроэлектроника меняет мир

В 2060 г. исчезнут все рабочие специальности!

Первым выступил с приветственным словом и докладом Почетный президент конференции «Микроэлектроника – ЭКБ и электронные модули», руководитель Межведомственного совета главных конструкторов по электронной компонентной базе РФ, академик РАН, доктор технических наук, профессор Геннадий Красников: «Наша конференция набирает популярность, становится важным событием в электронной жизни России. Я надеюсь, что после конференции, мы подведем итог, учтем все пожелания и предложения, высказанные и на пленарном заседании, и в работе секций. Есть договоренности с Минпромторгом, с рядом фондов и инвестиционных организаций. Все предложения не останутся без внимания, будут прорабатываться». Начав свой доклад с истории возникновения микроэлектроники, Г.Я. Красников в своем докладе подробно остановился на дальнейшем развитии микроэлектроники.

Микроэлектроника развивается быстрей других отраслей. С каждым следующим поколением технологический рост производительности чипов все сильнее определяется новыми материалами, а не только масштабированием. На начальных этапах развития микроэлектроники переход на новый уровень был возможен с помощью простого масштабирования, то по мере уменьшения норм до 1 мкм и менее такие переходы стали требовать сложных решений: коренных изменений процесса и оборудования фотолитографии, новых материалов, структур и т.п. Мировой технологический уровень: «28 нм» — 2012 г.; «14 нм» — 2014 г.; «10 нм» — прогнозируется 2016 г. Основные производители: STMicroelectronics, Global Foundries, IBM.

Ни одна отрасль не изменила мир так значительно, как микроэлектроника, благодаря ее развитию возникли технологии, давшие жизнь роботам, искусственному интеллекту и интернету вещей. Микроэлектроника продолжает динамичное развитие. Правило Мура уже работает более 50 лет и будет работать еще минимум 30 лет.

Прогнозы изменения в жизни:

    2024 г. – машина делает перевод лучше любого переводчика;
    2027 г. – исчезает профессия водителя грузового автомобиля;
    2030 г. – массовое производство персональных роботов;
    2035 г. – только беспилотные автомобили;
    2050 г. – исчезает профессия хирурга;
    2060 г. – исчезают все рабочие специальности.

На смену технологии FinFET придет технология FD-SOI

Первый заместитель генерального директора АО «НИИМЭ», доктор технических наук, профессор кафедры интегральной электроники и микросистем НИУ МИЭТ Николай Шелепин выпустил с пленарным докладом «Особенности элементной базы СБИС на основе КМОП КНИ технологии с полным обеднением».

Н.А. Шелепин, в частности, отметил, что уровень 28 нм – последний для «обычных» планарных транзисторов. Переход к уровням 22 – 14 нм уже не мог быть реализован на «обычных» планарных МОП транзисторах. В связи с этим мировые лидеры (Intel, TSMC, Samsung) пошли по пути не планарных транзисторов. Речь идет о разновидности технологии так называемых трехзатворных (Tri Gate) транзисторов, получившую название FinFET.

Стоимость технологий становится неподъемной. Что делать мировым лидерам «2-го уровня»? В Европе создана программа по развитию технологии FD-SOI (Fully Depleted Silicon On Insulator ‒ полностью обедненный кремний-на-изоляторе (ПО КНИ)). Лидер – STMicroelectronics. В проекте участвует 7 стран, 19 компаний и институтов. Всего занято около 500 инженеров. В целом, кроме STM, активно развивают эту технологию IBM, GlobalFoundries, поставщики услуг по разработке, например, VeriSilicon (Шанхай) и некоторые японские компании. Анонсированные характеристики технологии FD SOI обещают получение лучшего соотношения между потребляемой мощностью и производительностью цифровых СБИС по сравнению с технологией FinFET для многих областей применения. Ожидается интересное противостояние технологий в условиях существенно больших затрат на становление FinFET технологии.

Потребление FDSOI почти на 30% ниже, чем у 28-нм и 20-нм КМОП. Стоимость FDSOI ниже на 5% по сравнению с КМОП 28 нм и на 25% – по сравнению с КМОП 20 нм, хотя технологические процессы похожи. Кстати, при переходе на FDSOI могут частично использоваться IP для КМОП. Globalfoundries освоила техпроцесс 22 нм FD-SOI и в 2016 году официально анонсировала развертывание 12-нм технологии FD-SOI, которая пришла на смену 22-нм FD-SOI. А за этим последовало официальное сообщение компании AMD об использовании этого техпроцесса в будущих фирменных продуктах. Правда, выпуск первых массовых образцов ожидается лишь в 2019 году. По оценке Globalfoundries, 12FDX обеспечит такую же производительность, как 10-нанометровая технология FinFET, но меньшее энергопотребление при стоимости, меньшей, чем стоимость 16-нанометровой FinFET. Превосходство над современной технологией FinFET по производительности составляет 15%, выигрыш в энергопотреблении — 50%.

Увеличили производительность российского процессора в 50 раз!

Директор ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН, доктор технических наук, профессор Сергей Бобков представил на Пленарном заседании III Международного форума «Микроэлектроника-2017» доклад на тему «Опыт разработки и производства микросхем промышленного назначения».

С.Г. Бобков рассказал, что ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН разработало свыше 20 различных микропроцессоров с архитектурой КОМДИВ32 и КОМДИВ64 (Мипс подобная). Первый в России 32-разрядный RISC процессор со встроенным сопроцессором плавающей арифметики разработан в 1998 г. (1890ВМ1Т). Первый в России 64-разрядный суперскалярный RISC процессор создан в 2008 г. (1890ВМ5Ф). С 2012 г. начат серийный выпуск комплекта микросхем с коммуникационной средой RapidIO с нормами 180 нм. С 2016 г. начат серийный выпуск систем на кристалле 1890ВМ8Я (универсальный процессор) и 1890ВМ9Я (DSP процессор) с технологическими нормами 65 нм. Производство микропроцессоров (систем на кристалле) космического применения с нормами КНИ 0,5-0,25 мкм.

Также С.Г. Бобков подробно остановился на технических характеристиках, в частности, обратил внимание, что за 15 лет произошел существенный рост производительности микропроцессоров КОМДИВ: уменьшение проектных норм в 8 раз, увеличение тактовой частоты в 20 раз и увеличение производительности в 50 раз!

С.Г. Бобков рассказал о планах выпуска ключевых продуктов.

2016 г. – Микропроцессор (СНК) 1890ВМ8Я, КОМДИВ, 16 Гфлопс, 2D графика, 0,8-1 ГГц, Моноблок, 2D графика, 800 МГц; Планшет, 600 МГц, 3D корпус м/п + 4-8 Гбайт ОЗУ.

2017 г. – ОО микросервера: плата VPX c 2 процессорами 1890ВМ8Я/ВМ9Я, крейт с 16 платами до 2 Тфлопс; Маршрутизатор на основе 1890ВМ108; ПЛК управление и контроль, 800 МГц.

2018 г. – СНК, 2 SMP ядра КОМДИВ, 1,3 ГГц, 50 Гфлопс двойная (С) + 250 одинарная точность (OpenCL); Граф. Процессор — 0,3 Тфлопс, 3D графика, 1,3 ГГц.

2019 г. – ОО сервера 9U, крейт 6 Тфлопс (двойная точность); ОО сервера 6U, ЭВМ «Багет» 3 поколения, до 20 Тфлопс; Моноблок — КОМДИВ+GPU, 3D графика, 0,3 Тфлопс.

2020 г. – СНК, 8-16 ядер КОМДИВ, 3D корпус, 0,4 Тфлопс (двойная точность); Маршрутизатор, 4x КОМДИВ 64, маршрутизация, межсетевое экранирование, шифрование потоков.

Особое внимание в своем докладе С.Г. Бобков уделил основным проблемам при производстве микросхем и компьютеров:

• Периодическое изменение технологических процессов западных производства микросхем, что приводило к снижению частоты в пределах 10%. То есть партия микросхем, заказанная через несколько лет после сдачи ОКР, может отличаться от первоначальной.
• Периодически западные технологические процессы закрываются и вводятся новые близкие процессы, что приводит к необходимости перепроектировать микросхемы.
• Два случая продажи западных заводов, что привело к необходимости искать другую компанию с близкими технологическими процессами.
• Регулярно используемые пластиковые корпуса микросхем снимаются с производства. Приходится создавать требуемые корпуса в других компаниях, что приводит к дополнительным затратам.
• Коммерческие САПРы не позволяют производить моделирование проектов при некоторых экстремальных условиях эксплуатации.
• В случае производства на зарубежных фабриках необходимо раскрывать конечных пользователей микросхем, что не всегда удобно с коммерческой точки зрения.
• В России отсутствует производство динамической и Flash памяти, западные микросхемы регулярно снимаются с производства, что приводит к необходимости модернизации модулей.
• Отсутствие массового спроса на микросхемы на Российском рынке приводит к высокой стоимости микросхем и не позволяет в должной мере развиваться компаниям. Выход со своими микросхемами за рубеж сопряжен с огромными проблемами.
• В России отсутствует достаточное число разработчиков, для развития института приходится вести собственную подготовку студентов.

Таким образом, С.Г. Бобков утверждает, что технические характеристики микропроцессоров КОМДИВ, коммуникационных СБИС и графических контроллеров позволяют отказаться от использования зарубежных микросхем для ряда промышленного применения. В то же время, без создания собственных средств проектирования и производства микросхем невозможно создание микросхем с предельными параметрами функционирования. Необходимо полное владение проектами, использование западных IP-блоков может привести к невозможности поддержки выпуска микросхем на протяжении длительного времени. Для обеспечения развития компании необходима организация подготовки специалистов. Необходима государственная поддержка отрасли, например, гарантированный заказ микросхем и компьютеров. Предлагается специализация компаний по проектированию разных IP-блоков с последующей их кооперацией с целью недопущения покупки западных IP-блоков.

Изделие, прошедшее радиационные испытания, существует!

С интересным докладом «Требования радиационной стойкости – экзотика для гурманов или гарантия наличия и технического уровня разработки для всех категорий потребителей электронной компонентной базы» выступил Председатель Совета директоров АО «ЭНПО СПЭЛС», доктор технических наук, профессор, лауреат премии правительства Российской Федерации в области науки и техники Александр Никифоров.

Радиационная стойкость (РС) – это свойство изделия сохранять работоспособность в процессе и после воздействия радиационных факторов с нормированными характеристиками.

А.Ю. Никифоров заявил, что есть теорема существования: «изделие, прошедшее радиационные испытания, существует». Результат радиационных испытаний – универсальный идентификатор изделия и любое изменение влияет на радиационную стойкость.

А.Ю. Никифоров подробно остановился в своем докладе на 4-х категориях радиационной стойкости изделий: гражданские, оборонного значения, бортовые и максимальный повышенный уровень радиационной стойкости.

Основные выводы, сделанные А.Ю. Никифоровым в своем докладе:

• Требования радиационной стойкости – это прежде всего гарантия наличия и технического уровня результата разработки ЭКБ для всех категорий потребителей.
• Тест на радиационную стойкость обладает максимальной информативностью и диагностической способностью, так как обеспечивает независимый от разработчика контроль работоспособности изделия в наиболее жестких режимах и условиях эксплуатации, при которых происходит провоцирование всех функциональных и паразитных связей в изделии и выявление «узких» мест конструкции и дизайн-проекта.
• Требования по радиационной стойкости должны задаваться в унифицированном виде.
• Оценка радиационной стойкости для гражданских изделий позволяет характеризовать их в системе координат ЭКБ оборонного назначения, оценить возможность расширения их области применения в том числе при разработке оборонной техники в рамках импортозамещения.

Аппаратные закладки – основной компонент информационного воздействия!

Оживленную дискуссию вызвал доклад «Космическая микроэлектроника: состояние, проблемы и тенденции развития, сделанный заместителем директора по науке и перспективному маркетингу ОАО «Интеграл», членом-корреспондентом НАН Беларуси, доктором технических наук, профессором Анатолием Белоусом.

А.И. Белоус отметил, что развитие космической техники ставит перед разработчиками аппаратуры жесткие требования – улучшение надежности габаритно-массовых характеристик, увеличение функциональных возможностей аппаратуры и повышение сроков ее активного существования.

Решение этих задач требует развития научно-технического базиса, создания новых технологий, материалов и технических решений как на уровне электронных блоков так и на уровне компонентов. Негативная тенденция – рост доли отказов обусловленных проблемами с бортовой электроникой.

Специфические факторы, оказывающие воздействие на космические аппараты:

• Воздействие космической радиации на КА.
• Наведенные электромагнитные импульсы.
• Микрометеоритное воздействие на КА.
• Проблема «космического мусора» на орбите Земли.

А.И. Белоус подчеркнул, что существуют опасности и проблемы в источниках поставок ЭКБ для космических аппаратов.

Так, согласно правилам ITAR, экспорт ЭКБ категорий military (для использования в военных системах) и space (радиационно-стойкие комплектующие) возможен только с разрешения Госдепартамента США. Предоставление информации о сфере применения в конечном изделии (сертификат конечного потребителя) – обязательное условие подачи заявки на разрешение. Возможна поставка изделия с вредоносными блоками и программами (закладками). В отношении Российской Федерации, Республики Беларусь, Китайской Народной Республики по умолчанию применяется презумпция отказа. В поставке ЭКБ категорий military и space (радиационно-стойкие комплектующие) может быть отказано без объяснения причин.

Проблемы использования ЭКБ категории INDUSTRIAL:

• Достоверные данные о надёжности для ЭКБ индустриального уровня качества отсутствуют. Статистические показатели качества и надёжности имеют большие разбросы. Часто отсутствует конкретная информация по количественным показателям надёжности, отсутствует жёсткий контроль сборки и качества партии, характерный для военной приемки.
• Для индустриальной ЭКБ используются негерметичные корпуса. Эффект газовыделения должен быть принят во внимание.
• Для ЭКБ индустриального уровня качества покупателю самому необходимо проводить радиационные испытания. Поскольку партия может быть неоднородна состоять из нескольких частей, результаты испытаний полученные для выборки могут не отражать действительные характеристики всех приборов аттестуемой партии.
• Короткий жизненный цикл. Срок до снятия с производства ЭКБ индустриального уровня качества может составлять всего 6 месяцев.

Большую часть пленарного доклада А.И. Белоус посвятил новым угрозам – аппаратные закладки в ЭКБ.

Аппаратная закладка (hardware Trojan, hardware backdoor) — вредоносная модификация схемы. Результатом работы аппаратной закладки может быть как полное выведение системы из строя, так и нарушение её нормального функционирования, например несанкционированный доступ к информации, её изменение или блокирование.

Аппаратные трояны: троян встроен в микросхему; после внедрения режим работы трояна изменить нельзя; аппаратный троян сложно выявить — микросхема очень похожа на «черный ящик».

Программные трояны: троян является частью кода в программе; поведение трояна можно менять; троян может быть внедрен через компьютерную сеть; однажды обнаруженный он может быть удален, внесен в базу данных, чтобы облегчить процесс его выявления в будущем.

А.И. Белоус утверждает, что сегодня аппаратные закладки – основной компонент информационного оружия. Информационно-техническое оружие – совокупность специально организованной информации, информационных технологий, способов и средств, позволяющих:

• целенаправленно изменять (уничтожать, искажать), копировать, блокировать информацию,
• преодолевать системы защиты, ограничивать допуск законных пользователей, осуществлять дезинформацию,
• нарушать функционирование систем обработки информации, дезорганизовывать работу технических средств, компьютерных систем и информационно-вычислительных сетей, а также другой инфраструктуры высокотехнологического обеспечения жизни общества и функционирования системы управления государством.

Информационно-техническое оружие включает технические и программные средства, обеспечивающие несанкционированный доступ к базам данных, нарушение штатного режима функционирования аппаратно-программных средств, а также вывод из строя ключевых элементов информационной инфраструктуры отдельного государства или группы государств.

Схемные трояны используют схемы запуска для того, чтобы активировать самих себя и свою полезную нагрузку. Обычно запускающими механизмами являются редкие события, например, конкретные паттерны данных или свойств окружающей среды, и активный троян легче обнаружить, чем неактивный. Использованные модули активации следующие: тепловой запуск (на основе температурно-зависимых характеристик MOSFET), синхронный счетчик, асинхронный счетчик, гибридный счетчик, ошибка четности модифицированного UART, счетчик символов, конечный автомат символов и ADC запуск.

Вредоносная полезная нагрузка модифицирует/разрушает изначальные функции аппаратуры и нацелена на препятствование или разрушение нормальной работы. Использованные модули включают в себя: модифицированный конечный автомат, UART с модифицированным сбросом, UART модифицированные посылаемые данные, модификация распределения частот, модифицированный опережающий сумматор, модифицированный сигнал разрешения доступа к памяти и модифицированное содержимое памяти.

Конфиденциальные данные, например криптографические ключи, незаметно похищаются по скрытым каналам, т.е. путями, которые для этого не предназначены. Третьи стороны, которым известны характеристики каналов, в состоянии извлечь и расшифровать украденную информацию. Использованными модулями являются: AM радиопередатчик, состояние ожидания модифицированного UART, декодирование символов модифицированного UART, побочные каналы СИД передачи данных и мощности потребления.

Главным условием для их возникновения является использование сторонних (импортных) комплектующих и аутсорсинг при разработке и изготовлении ЭКБ.

Аппаратные закладки могут быть в составе IP-блоков используемых при проектировании ЭКБ. Аппаратные закладки могут быть поставщиком фаундри-услуг на этапе изготовления. Таким образом, в группе риска находятся не только импортная ЭКБ но и отечественная, спроектированная с использованием зарубежных IP-блоков, либо изготовленная по фаундри, заключил А.И. Белоус. Для того чтобы выявить внедренные аппаратные закладки на готовом изделии потребуется восстановить с кристалла топологию и электрическую схему, полностью расшифровать функции и алгоритмы работы каждого блока и узла, выявить непредусмотренные блоки и узлы, незадокументированные режимы и операции.

Основные выводы, сделанные в докладе А.И. Белоуса:

• Источники поставок ЭКБ для космических и специальных применений должны быть пересмотрены – основным источником поставки должна стать продукция российской и белорусской микроэлектронной промышленности, осуществляемая под контролем соответствующих Представительств Заказчика;
• Разработчикам бортовой аппаратуры космических аппаратов необходимо более активно использовать отечественные корпуса с элементами защиты от радиационных и электромагнитных воздействий;
• В области корпусирования микроэлектронных устройств космического и специального назначения наиболее актуальными на текущий момент являются проблемы обеспечения так называемых бесконтактных методов передачи информации между слоями 3D структур на основе индукционных и оптических методов, а также проблемы теплоотвода;
• В связи с появлением новых угроз кибербезопасности – встроенных в микросхемы аппаратных троянов (закладок) необходимо на правительственном уровне в срочном порядке разработать и реализовать комплекс нормативных, технических и организационных мероприятий по противодействию этим угрозам, включая мероприятия по перепроверке уже полученных от зарубежных фаундри микросхем на предмет выявления подобных дефектов.

Форум организован ведущими институтами и дизайн-центрами страны: АО «НИИМА «Прогресс», АО НИИМЭ, НИУ МИЭТ. Официальную поддержку III Международному форуму «Микроэлектроника-2017» оказывают: Департамент радиоэлектронной промышленности Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, госкорпорация «Ростех», холдинговая компания «Росэлектроника», Кластер передовых производственных технологий, ядерных и космических технологий «Сколково», Союз машиностроителей России и федеральная программа «Работай в России!».

Сопредседатель Оргкомитета III Международного форума «Микроэлектроника-2017», генеральный директор АО «НИИМА «Прогресс» Василий Шпак отметил: «Впервые в России проводится столь масштабный Форум по микроэлектронике, на котором представлены самые современные инновационные разработки и достижения микроэлектронной промышленности. Уверен, что прямые контакты между первыми лицами компаний, установление личных отношений между производителями аппаратуры и разработчиками даст старт стремительному формированию отечественной ЭКБ и развитию цифровой экономики в России. Желаю всем участникам плодотворной работы и новых побед».