Спутник возвращается на родную базу
17 марта ракета «Союз-2.1», запущенная с космодрома Плесецк, вывела на расчетную орбиту навигационный спутник системы ГЛОНАСС. Аппарат взят на управление. В связи с этим событием гендиректор Роскосмоса Дмитрий Рогозин написал в «Твиттере», что за три последних года доля отечественной микроэлектроники в спутниках возросла с 53 до 80 процентов.
В части импортозамещения больше других преуспел «Глонасс-К1». Так что позади те времена, когда на спутники устанавливали «что под руку подвернется». При этом закупки полупроводниковых комплектующих осуществлялись исключительно на Востоке, поскольку США отказались их продавать задолго до санкционной войны.
Такая практика зачастую оборачивалась громадными убытками. В 2011 году Россия потеряла 1,6 миллиарда рублей – столько стоят два «Глонасс-М», электроника которых отказала вскоре после выведения их на орбиту. Еще два аппарата, уже доставленных на космодром, пришлось возвращать производителю для устранения брака.
Чипы для космоса
В результате расследования было установлено, что на спутниках стояли бракованные микросхемы, закупленные на Тайване. На земле они работали нормально, но в космосе должны были неизбежно выйти из строя. Потому что под видом чипов Space китайцы продали компании «Информационные спутниковые системы» им. академика Решетова (ИСС), разработчику и производителю «Глонассов», микросхемы Industry, предназначенные для использования в наземных цифровых и радиотехнических системах.
“ Все главные программистские силы бросили на адаптацию американской операционной системы к советским реалиям ”
И это не единственное ЧП такого рода. Похожая история произошла с межпланетной станцией «Фобос-Грунт» в ноябре 2011 года. Она так и не покинула земную орбиту, поскольку связь с ней была потеряна уже через день после запуска. Космический аппарат стоил 5 млрд. рублей, страховка покрыла лишь 1,2 млрд.
К компонентам класса Space, а также Military (для военной техники) предъявляются более жесткие требования по части надежности и стойкости к различным дестабилизирующим внешним факторам, чем к гражданским чипам, которые встраиваются в телефоны и прочую бытовую продукцию (Commercial) или в промышленное оборудование (Industrial). «Элита» микроэлектроники обязана работать в самых суровых условиях: по температуре, влажности, химической агрессивности среды, вибрациям, ударным ускорениям. Компоненты Military должны быть устойчивы к электромагнитному импульсу, возникающему вследствие ядерного взрыва. То есть на время воздействия они могут перестать работать, но затем восстанавливаются. Компоненты Space помимо этого должны противостоять бомбардировке тяжелыми частицами, обладающими сверхвысокой энергией, а также старению из-за постепенного накапливания радиации.
Бороться с тяжелыми частицами при помощи экрана, скажем, из свинца, который закрывал бы все электронные приборы, не только бессмысленно, но и вредно. В знаменитом большом адронном коллайдере в ЦЕРНе ионы свинца разгоняются до энергии в 570 тераэлектрон-вольт (ТэВ, то есть триллионов электрон-вольт). В космосе порой встречаются частицы с энергией 300 миллионов ТэВ. Это как у пули калибра 5,6 миллиметра, вылетающей из ствола. Частица с такой энергией прошивает свинцовую защиту и при этом порождает осколки, которые также поражают микросхемы. В результате может образоваться пробой полупроводников между шинами питания, возникнуть короткое замыкание, что влечет полную потерю работоспособности.
Для защиты от этой напасти есть три приема. Используют сапфировую подложку. Либо на момент «аварии» отключается питание, благодаря чему не возникают токи короткого замыкания. Либо в конструкцию чипа вводится изолирование транзисторов дополнительными p-n переходами.
Что касается накапливающейся радиации от потоков электронов и гамма-излучения, которая в конечном итоге приводит к деградации транзисторов, тут все зависит от орбиты. На высотах порядка 300–500 километров (где находится МКС) вполне могут работать и микросхемы Industrial. Потому что годовая доза не превышает 100 рад. Совсем другое дело, когда орбита превышает 10 тысяч километров (где находятся спутники «Глонасс»). Там микросхемы Industrial способны набрать 5000 рад за три-четыре месяца. При такой дозе они перестают нормально работать.
Что касается защиты от накапливающейся радиации, то она в этом веке появилась «сама собой». Выяснилось, что при уменьшении размера транзисторов и уплотнении их компоновки на подложке возрастает устойчивость микросхемы к радиации. При топологии 65 нанометров (нм) и меньше чип может оставаться работоспособным при дозе до одного миллиона рад. То есть такие микросхемы можно запускать в самый дальний космос.
«Посол» Советского Союза
В конце прошлого десятилетия наконец-то и у России появилась технология 65 нм. Следовательно, существенно упростилось производство чипов, предназначенных для работы в дальнем космосе.
Раньше мы почти все были вынуждены приобретать у Китая, Малайзии, Тайваня. Объем закупок микросхем за прошлый год в миллионах долларов распределился между этими странами следующим образом: 210,8 – 80,9 – 73,4. Далее идут Вьетнам (40,8), Южная Корея (38,8).
Между тем компании Intel, AMD, Samsung, Apple, TSMC уже владеют технологией 10 нм и даже 7 нм и подступаются к 5–6 нм. А 65 нм для них давно пройденный этап. Этого уровня они достигли в 2004-м, когда Intel блеснула процессором Pentium 4, ныне уже всеми забытым.
Фото: eusp.org
Стоит сказать, что в истории страны был период, когда отечественная микроэлектроника шла вровень с западной, ни в чем ей не уступая. Причем использовала собственные оригинальные научные и технические решения. Все началось в 1963 году, когда в Зеленограде (тогда – Крюкове) было запущено производство первых микросхем с элементарными логическими наборами серии 217 «Посол». В конце концов дело дошло до 16-разрядного микропроцессора серии 1801.
Ветеран отрасли Борис Малашевич, завершивший трудовой путь в 2012 году главным специалистом компании «Ангстрем», вспоминает: «Список отечественных изделий микроэлектроники первых лет весьма внушителен и характерен тем, что все это, как правило, оригинальные разработки, не имеющие прямых зарубежных аналогов. По техническому уровню они в основном либо не уступали зарубежным современникам, либо превосходили их, как гибридная интегральная схема «Талисман» из НИИ точной технологии с многослойным керамическим корпусом, за рубежом тогда еще неизвестным. Иными словами, в первые годы своего существования отечественная микроэлектроника соответствовала мировому уровню. Однако ее золотой век, когда микроэлектронщики могли творить самостоятельно и использовать все свои потенциальные возможности, продолжался недолго. Он закончился где-то в середине 70-х».
Именно тогда на самом верху был взят курс на копирование лучших зарубежных образцов. Неизбежной составляющей этой стратегии стало отставание отрасли, то есть постоянное запаздывание по отношению к западным технологиям. Накопившие значительный опыт советские НИИ начали работать вхолостую, поскольку их инновационная деятельность уже никого не интересовала. Это привело к деградации.
Полной катастрофой стали процессы в «большой электронике», то есть в электронном машиностроении. При таких конкурентоспособных ЭВМ, как БЭСМ, «Урал», было решено взять за образец американское семейство IBM 360. Копировали со всесоюзным размахом. Это было точное воспроизведение линейки американских машин, начиная от электронных компонентов и кончая конструкцией стоек для размещения компьютерных блоков. В республиках строились многочисленные новые заводы, все главные программистские силы бросили на адаптацию американской операционной системы к советским реалиям, на многочисленных курсах готовили специалистов для эксплуатации ЕС ЭВМ, как назвали клон IBM 360.
Когда в середине 80-х начали появляться младшие машины модельного ряда, наименее производительные, американское компьютеростроение было уже недосягаемо.
От нанометров к квантам
В связи с тем, что в 90-е годы отечественная электронная отрасль (и прежде всего разрабатывающая и производящая компоненты) была фактически разрушена, ее восстановление шло путем закупок западных технологий. Две компании – «Ангстрем» и «Микрон», расположенные в Зеленограде, в новом столетии приобретали технологии на Западе и внедряли у себя.
В 2007-м «Микрон» наладил выпуск 180-нм микросхем. Правда, не самостоятельно, а с помощью франко-итальянской компании STMicroelectronics. Вскоре то же самое получилось у «Ангстрема».
После чего обе зеленоградские компании решили самостоятельно, без иностранных заимствований создать типологию 65 нм. У «Ангстрема» ничего не вышло. Точнее, получилось не совсем то: на заводе, построенном на взятые в кредит 800 миллионов евро, лишь в 2018 году удалось запустить производство чипов по технологии 90 нм.
Но «Микрон» в 2016-м начал выпускать микросхемы с типологией 65 нм, созданной совместно с НИИ молекулярной электроники (НИИМЭ), с которым сотрудничает с момента возникновения. И это обеспечило, как было сказано, комплектование спутников чипами отечественного производства, работающих в радиационно опасных областях космоса. Именно поэтому удалось радикально снизить количество иностранных комплектующих в последней разработке ИСС им. академика Решетова – «Глонасс-К1». Можно предположить, что в «Глонассе-К2» еще меньше чужой ЭКБ.
«Микрон» и НИИМЭ за эту разработку получили CNews Awards 2014 в номинации «Российские технологии», а также независимую престижную премию «Золотой Чип». Хотя, конечно, если учитывать не только сложность проделанной работы, но и очень значительный вклад в развитие электронной отрасли, это заслуживает премии государственной.
В настоящий момент НИИМЭ и «Микрон» работают над созданием технологий 45-28 нм. Понятно, что даже когда они появятся и начнется производство, до ведущих западных компаний будет очень далеко. Однако отставание все же сократится.
Пара слов о смысле уменьшения шага компоновки чипов, то есть о миниатюризации транзисторов и других элементов, из которых они состоят. Во-первых, это позволяет увеличить тактовую частоту, то есть повысить производительность. Во-вторых, микросхема становится функциональнее. Соответственно уменьшается объем собранных из таких чипов электронных приборов, снижается стоимость.
В 1965 году был сформулирован закон Мура, согласно которому количество транзисторов в чипе удваивается через каждые 24 месяца («Квантовый прорыв»). Соответственно вследствие увеличения тактовой частоты должна расти производительность. Однако за достижением технологии 3 нм – тупик. Потому что при уплотнении транзисторов проявляется туннельный эффект. Электроны начинают непредсказуемо в соответствии с принципом неопределенности, перескакивать между проводниками, что называется, «по воздуху». Может быть, за счет громадных ухищрений, что вызовет удорожание продукции, и удастся довести шаг компоновки, скажем, до 0,5 нм.
Но на смену цифровой электронике придет квантовая. И на этом направлении российской научно-технической мысли можно было бы начать состязаться на равных. Здесь все находятся у стартовой черты.
Заголовок газетной версии – «Микроном общим не измерить».
Владимир Тучков
Газета "Военно-промышленный курьер", опубликовано в выпуске № 11 (824) за 24 марта 2020 года
