Розділ 2 ефективність проектування радіоелектронних систем

Дослідження еволюції електронних систем і пристроїв, починаючи від електрон них компонентів і закінчуючи суперскладними електронними системами, свідчить про те, що вони розвиваються згідно із загальними закономірностями розвитку систем, але значно інтенсивніше, ніж в середньому. Як видно з рис.2, збільшення функціональної складності ІС, що становлять основу елементної бази, супроводжується збільшенням технологічної складності ( зменшення топологічних розмірів при рості розміру кристала), що в свою чергу, приводить до мініатюризації, збільшення функціональної та технологічної складності електронних систем. Ринок збуту як радіоелектронних компонентів, так і електронних систем постійно зростає, причому спостерігається тенденція збільшення частки ринку, зайнятої складними пристроями. Обсяг світового продажу електронних приладів і систем за останні 30 років зріс майже у 100 разів, середньорічний приріст ринку збуту інтегральних схем становить близько 25%(103),засобів радіозвязку-20%(117,123) засобів екранування радіозавад-12%(122), а засобів управління обчислювальними мережами - 30%(115). Для ринку електронних систем характерна тенденція до зростання рівня функціональної складності при зменшенні сегмента ринку, що займають традиційні пристрої. При загально річних темпах збільшення ринку збуту засобів радіозв’язку на 20% ринок кабельного зв’язку (за рахунок використання ВОЛЗ) зростатиме щорічно на 20%, супутникового-на 15%, засобів екранування радіозавад - 12%, факсимільної апаратури-на 114%, засобів управління обчислювальними мережами на-30%,а перспективних нейронних мереж та нечіткої логіки, що дозволяють імітувати не дискретний, а людиноподібний безперервний вибір - на 67%(103,115,116,119,121,122,123). Випереджаючи темпи розвитку нових, функціонально ширших електронних систем зумовлюють зменшення періоду життя системи на ринку, висувають додаткові вимоги до скорочення тривалості і підвищення якості етапу проектування.(рис.3).

Зростання потреби в електронних системах з різноманітними функціями спричиняє збільшення обсягу виробництва електронних компонентів, що своєю чергою стимулює розвиток електронних систем. За 11 місяців 1995року за попередніми даними ринкового огляду фірми Digital Signal [38], загальний оборот напівпровідникової промисловості збільшився з 750 до 897,7 млрд. доларів при зростанні рентабельності в 1,57 рази. Очікується, що світовий ринок напівпровідникових приладів досягне до кінця століття двох трильйонів доларів [103,124], і перевищить ринки виробів автомобільної, хімічної і сталеливарної промисловості. На сьогодні це найприбутковіший і найперспективніший ринок у світі; індекс акцій напівпровідникових компаній виріс за 1995рік на 70%, галузевий індекс, який відбиває незадоволений попит, становить тепер 1,22(103). Ринок електронних компонентів і систем є надзвичайно динамічним, перерозподіл сегментів ринку досягає 39% на рік.

Інтегрально спостерігається перехід домінуючого положення від біполярних до Цифрових МОН-схем і схем з комбінацією різних типів транзисторів на одному кристалі, які забезпечують максимальний ступінь інтеграції, швидкодію, мінімізацію розсіюваної потужності та вартості. Темпи зменшення топологічних розмірів становлять приблизно 13% на рік, починаючи з 1960 року(103,116,123), при постійному збільшенні розміру кристалу (рис.4). Останні роки йде боротьба за десяті частки мікрона, що дозволило вже сьогодні отримати прилади з топологічними нормами 0,1мкм.

Результати мініатюризації приладів проявляються у зменшенні вартості схем у розрахунку на один логічний елемент і покращенні їх логічних характеристик. Так, вартість кристалів пам’яті у розрахунку на 1 біт інформації зменшується кожні 2 роки і тепер становить приблизно 0,001цент за біт при ємності 1Мбіт на кристалі. Найбільший сегмент ринку окупований нині схемами оперативної пам’яті 4Мбіт DRAM з прогнозом на перехід найближчим часом до 16Мбітних схем [38].

Ринок пристроїв пам’яті є дуже динамічним, у лідери виходять фірми і пристрої, які забезпечують насамперед розширення функціональних можливостей. Так, стрімке зростання в останні роки обсягу продажу паралельних ЗП (рис.5) пов’язане з виходом на ринок нового покоління ЗП з підвищеною густиною запису, яка дозволяє їм виконувати функції, що досі реалізувалися СППЗП та ЗПДВ [113].

До 2000 року планувалося створення Бі-КМОН ІС з топологічними нормами 0,25мкм і 4.10 7 елементів на кристалі за рахунок головним чином модернізації технології. Нові ІС створюють основу нового покоління засобів комплексної обробки даних [123].

За даними фірми In-Stat завдяки розвитку інтегральної електроніки зникне межа між побутовою, обчислювальною технікою та технікою зв’язку. Якщо 80-ті роки стали епохою персональних комп’ютерів, то 90-ті президент фірми Hewlet Packard Джон Янг назвав десятиріччям конвергенції(116), протягом якого буде створюватися нове інформаційне середовище через злиття професійної, побутової, вимірювальної техніки та техніки зв’язку.

Зменшення геометричних розмірів елементів схем приводить до скорочення часу затримки, яка за час існування мікросхем зменшилася майже на три порядки, причому збільшення швидкості розширює функціональні можливості схем. Так, серійний суперскалярний двоконвеєрний процесор Pentium фірми Intel працює з тактовою швидкістю 66Мгц і виконує 100млн. операцій на секунду (Мфлопс), що дає йому змогу обслуговувати багатоопераційні системи, розв’єязуючи задачі сучасних САПР, тривимірного моделювання, розпізнавання мови та віртуальної реальності. Процесор, реалізований за 0,8мкм Бі-КМОН- технологією, містить 3,1млн. транзисторів [114]. Поліпшення характеристик сприяє все ширшому використанню універсальних мікропроцесорів. Обсяг продажу процесорів цифрової обробки сигналу за 1994рік збільшився на 37% і досяг рівня 1 більйона

доларів. При цьому парку процесорів і схем пам’яті йде все швидше. Хоча процесор Pentium втричі більше транзисторів і має на порядок кращі характеристики, ніж його попередник Intel 486, тривалість його життя на ринку прогнозується вдвічі меншою – за деякими прогнозами, вже у 1996 році він поступиться новому процесору фірми Motorola, який становить ,,серце,, РС-6.

Удосконалення напівпровідникової технології спричинить появу найближчим часом систем з затримкою порядку 200пс і тактовою частотою 250Мгц, здатних виконувати 1млрд. операцій на секунду при розсіюваній потужності не більше 60 Вт. Такі структури вимагають топологічних нори 0,1-0,2мкм.,що близько до фізичної межі. Вихід на межу фізично можливого за рахунок прогресу технології вимагає шукати нові фізичні та схемотехнічні принципи дії приладів. Так, спеціалістами фірми Hitachi та Кавендишівської лабораторії доведена практична можливість реалізації кріоелектронних напівпровідникових структур пам’яті на GaAs, у якому для запам’ятовування використовується лише 1 електрон (112). Протягом 10років планується створення на базі таких структур схеми пам’яті на 1Тбіт на кристалі площею 2.5см².

У схемотехнічному відношенні у міру вичерпання можливостей універсальних схем відбувається перехід до спеціалізованих процесорів, що відбивається у постійному зростанні сегмента світового ринку ІС, який займають замовні та напівзамовні ІС (рис.6). Ринок цих ІС зростає щороку приблизно на 30-33%, що майже в 1,5рази перевищує середні темпи розширення ринку ІС. Власне цей ринок є дуже динамічним, в його межах йде постійна зміна лідера за критерієм функціональні можливості-економічна ефективність. Переважно попереду той тип схеми, який на даний момент часу є найкращим за цим критерієм і має найменший час впровадження. Так, сплеск споживання ІС на стандартних комірках пов’язаний з тим, що замовник у випадку цих схем сам розробляє їх конструкцію, залишаючи за виготовниками ІС лише топологію і власне виробництво ІС. (3,93).

Постійне зростання ринку програмованих логічних ІС (ПЛІС) відбувається завдяки освоєнню нових видів продукції зі збільшеною складністю (рис.7) і, відповідно, розширеними функціональними можливостями, причому більш складні пристрої витісняють з ринку простіші схеми (121).

Це ще більше підсилює вирішальну роль етапу проектування схеми, його якості та термінів у галузі електронної техніки. Якщо у традиційних галузях техніки більше 75% витрат припадає на підготовку виробництва і саме виробництво, то для електронних систем цей розподіл протилежний. Розподіл витрат за етапами інвестиційного проекту в різних галузях наведений на рис.8 (за даними фірми Computer-Aided Manufacturing International Inc.(118).Витрати в галузі проектування концентруються навколо ідеї системи розробки структури, впровадження технології, причому ці витрати зростають із ускладненням приладів. Розвиток електроніки взагалі вимагає великих інвестицій; за останні 10 років вартість заводу з виробництва напівпровідникових приладів зросла в 10 разів; якщо будівництво заводу з виробництва схем пам’яті ємністю 4Мбіт коштувало приблизно 250 млн. доларів, то для схем 16Мбіт- 1млрд.доларів, до того ж річні інвестиції у етап проектування електронних компонентів і систем у США і Японії зростають удвічі швидше за загальний обсяг капітальних вкладень у цих галузях(100,123,124).

Отже, електроніка це найприбутковішу галузь сучасної промисловості, але водночас вимагає і найбільших інвестицій для підтримання і прискорення темпів

оновлення і розширення функціональних можливостей продукції. Світовий дохід у цій галузі за 1995рік зріс на 100% при загальному збільшенні всього на 70%, а за прогнозами 85% прибутків буде спрямовано на модернізацію продукції і виробництва, зокрема до 25%-на розробку принципово нових видів електронних компонентів та систем(103). Саме фірми , які вже давно підтримуються такої політики розподілу прибутків(скажімо, Analogue Devices) спроможні надовго втримувати провідні позиції на світовому ринку. Загалом же високий темп оновлення продукції сприяє тому, що найбільшу рентабельність

у галузі електроніки мають невеликі фірми.

Очевидно, що електронна промисловість характеризується надзвичайно високими темпами технологічних змін, малими життєвими циклами окремих видів і поколінь електронних систем, швидким впровадження іновацій і зміною галузевих стандартів, що забезпечують небачені досі темпи впровадження іновацій і розширення функціональних можливостей техніки. Те, що ще вчора було настільним комп’ютером, сьогодні розміщується на одному чіпі, а вчорашній суперкомп’ютер поступається своїми можливостями компактному notebook- ові. Швидкий прогрес у функціонуванні сучасних електронних систем з одного боку розширює традиційні можливості техніки, а, з іншого, вимагає іноваційного підходу до створення таких систем, що працюють на межі фізичних можливостей як техніки так і людини - їх проектувальника. Новітня концепція проектування електронних систем вимагає створення ,,проектної,, команди зі спеціалістів різних галузей – від фізика до маркетолога, які мають узгоджено працювати протягом всього життєвого циклу проекту для оптимізації споживчих якостей продукції за умови неадекватно малого часу на всі етапи проектування і підготовки виробництва і високого ступеня невизначеності низки технічних умов. За даними [2], кількість різних класів технічних об’єктів у техніці взагалі збільшується вдвічі кожні 10 років, в електроніці – кожні два роки при подвоєнні ступеня складності електронних систем щороку і адекватному збільшенні обсягів науково-технічної інформації. Тиск ринкової конкуренції примушує постійно скорочувати строки проектування нових систем для збільшення ROI(віддачі на вкладений капітал) за умови ускладнення і мініатюризації самих систем. За даними [120], середній цикл проектування електронних систем щороку скорочується як мінімум на 40%, тоді як в традиційних галузях близько 12%. Спроба досягти таких темпів винятково за рахунок збільшення кількості інженерів-проектувальників, здійснена на початку 80-х років у США, виявилася марною-через 10 років з’явилися труднощі працевлаштування спеціалістів цієї галузі при наявності не задоволеної потреби в них. Та і взагалі неможливо забезпечити адекватні темпи зростання кількості розробників і складності вирішуваних задач(не вистачить всього населення земної кулі, хоча взагалі за останні 30 років кількість людей, що працюють у галузі проектування електронних систем, збільшилася більш ніж в 10 разів при зростанні рівня складності систем на 4-5 порядків [101, 116] ), а із збільшенням складності систем цей розрив буде зростати. Проблема тут полягає не лише у кількості, але і у якості інтелекту проектувальника, на підвищення якого повинні бути спрямовані засоби автоматизованого проектування. Адже за даними [2] продуктивність роботи проектувальника зростає в 5 разів повільніше, ніж продуктивність праці у промисловості. Водночас етап проектування найбільше впливає на розмір прибутку на інвестований капітал. Успіх на ринку визначатиметься часом проектування від моменту визначення технічних вимог до освоєння виробництва.

16