#03/2005 • Ж.з.И.

Константин БЫСТРУШКИН, Лариса СТЕПАНЕНКО

ЧУДЕСА ИНТЕГРАЦИИ

ВОТ ВЕДЬ ПАРАДОКС — ЧЕМ СЛОЖНЕЕ СТАНОВИТСЯ АППАРАТУРА, ТЕМ МЕНЬШЕ В НЕЙ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ. ИНТЕРЬЕР СОВРЕМЕННЫХ УСТРОЙСТВ В БОЛЬШИНСТВЕ СЛУЧАЕВ БУКВАЛЬНО ПОРАЖАЕТ ЛАКОНИЧНОСТЬЮ, ВЕДЬ ЛЬВИНАЯ ДОЛЯ ЭЛЕКТРОНИКИ ТЕПЕРЬ УМЕЩАЕТСЯ НА НЕСКОЛЬКИХ СВЕРХБОЛЬШИХ ЧИПАХ. ЭТО СТАЛО ВОЗМОЖНЫМ БЛАГОДАРЯ ПОЯВЛЕНИЮ МИКРОСХЕМ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ТИПА SOC (SYSTEM-ON-CHIP), ТО ЕСТЬ «СИСТЕМА НА КРИСТАЛЛЕ».

ВАЖНЕЙШИМ ФАКТОРОМ СТОЛЬ ВПЕЧАТЛЯЮщего развития технологий является глобализация мировой экономики и открытость границ, которые приводят к невиданному ранее обострению конкуренции. Особо драматично разворачивается борьба в секторе бытовой электроники, где наблюдается настоящий обвал цен из-за переноса большинства производственных мощностей в Китай. К примеру, всего за пять лет 42-дюймовые PDP среднего класса подешевели в 5 — 6 раз! Благодаря отработанным технологиям крупносерийного производства сейчас себестоимость аппаратуры более чем на 80% определяется ценой радиокомпонентов и материалов, а доля зарплаты становится все менее значимым фактором. Поэтому конкурентные преимущества изготовленной в Китае аппаратуры объясняются уже не столько относительной дешевизной рабочей силы, сколько хорошо продуманной и последовательно реализуемой правительством программой поддержки отечественных производителей. В этих условиях для остальных участников рынка один из наиболее действенных способов (если не вообще единственно возможный) противостоять китайской экспансии — использовать более совершенную элементную базу с очень высокой степенью интеграции. И в первую очередь — новейших цифровых СБИС, что позволяет резко уменьшить общее количество электронных компонентов, а значит, и себестоимость готовой аппаратуры.

Надо сказать, что наиболее прозорливые европейские и японские фирмы предвидели опасность со стороны Китая и безымянных производителей из Юго-Восточной Азии еще в 90-х годах прошлого века. Помнится, как об этом с нескрываемой тревогой говорили представители Grundig на одной из пресс-конференций «IFA-97» в Берлине. Высказывалось мнение, что противостоять натиску «новых азиатов» можно только опережающим развитием высоких технологий. Не учли только одного — китайцы, которым первоначально отводилась скромная роль низкооплачиваемых и, прямо скажем, не очень квалифицированных сборщиков аппаратуры, оказались на редкость способными. За эти годы они многому научились и сегодня с успехом бьют своих учителей их же оружием, выпуская исключительно высокотехнологичную аппаратуру с самой передовой элементной базой. Однако противостояние Поднебесной с остальным миром принесло свои плоды, дав мощнейший импульс развитию электронных технологий. Одним из наиболее ярких достижений этой гонки стала революционная идея внедрения в массовую аппаратуру SOC-микросхем, первоначально разработанных для устройств телекоммуникаций.

Производственная цепочка, по которой создаются СБИС. Работа над софтом и железом идет параллельно.

Миллион в неделю

Технология SOC была создана, чтобы поместить на один кристалл как можно больше электронных компонентов и тем самым снизить количество операций при изготовлении материнских плат. В качестве примера назовем Philips TDA93xx, весьма популярный чип «однокристального телевизора», на основе которого сегодня выпускается половина российских и белорусских ТВ-приемников. Голландским инженерам удалось разместить в одном корпусе микропроцессор управления с декодером телетекста, весь мультистандартный D/K/B/G/I/L тракт радиоканала (УПЧИ + УПЧЗ), мультисистемный канал цветности PAL/SECAM/NTSC плюс схемы синхронизации кадровой и строчной развертки. Применение этой уникальной СБИС (в оригинале она называется UOC, т.е. Ultimate One Chip conception) позволяет уменьшить число компонентов до 300, причем окончательная настройка телевизора выполняется автоматически на компьютеризированном комплексе. Неудивительно, что спрос на UOC в мире так велик — их выпуск достиг 1 млн. шт. в неделю.

Основное отличие SOC от обычных СБИС с равным числом вентилей состоит в следующем:

— SOC наряду с цифровой частью в обязательном порядке содержит аналоговые цепи (видео и звуковые АЦП и/или ЦАП, кодер PAL/NTSC, буферные усилители и т.д.);

— для современных SOC характерно сочетание жестко прошитых алгоритмов с программируемыми сигнальными процессорами. Это позволяет существенно повысить гибкость платформы, например, существенно обновить управляющий софт, не меняя самой микросхемы. Скажем, программно изменить декодер DD/DTS 5.1 до версий 6.1/7.1 или же перейти от Dolby Pro Logic к Pro Logic II.

Хотя создавалась технология SOC еще в 70-е годы прошлого века, ее массовое распространение пришлось лишь на последнее десятилетие. На первых порах микросхемы применялись в основном в сотовых телефонах и другой связной аппаратуре, так как позволяли уложить чуть ли не всю схему на один чип. Несмотря на сложность разработки и производства SOC (на одной подложке нужно разместить и аналоговые, и цифровые части схемы, к тому же изготавливаемые по разным технологиям), все эти немалые затраты уже сторицей окупаются за счет огромных тиражей.

Другой областью техники, где аналого-цифровая структура SOC подходит как нельзя лучше, является наша любимая AV-аппаратура. Например, приставки STB и IDTV для цифрового телевидения, DVD-проигрыватели и рекордеры, видеокамеры, mp3-плееры и устройства на флэш-картах. В предвкушении огромных потенциальных прибылей разработчики «систем на кристалле» оперативно перенацелились на новые, более перспективные рынки сбыта. К примеру, Matsushita Electric Industrial в конце прошлого года объявила о завершении работы над унифицированной микросхемой для обработки цифровых сигналов UniPhier, являющейся типичным представителем SOC нового поколения.

Блок-схема платформы «Мультикор» (ГУП НПЦ «ЭЛВИС»).

Отправным моментом создания нового чипа было желание унифицировать элементную базу DVD-проигрывателей, телевизоров, аудиотехники, сотовых телефонов и другой цифровой аппаратуры. Юджи Какинума из отдела СБИС-разработок объясняет: «Сейчас Matsushita во всей этой технике использует несколько различных микросхем. После появления UniPhier можно будет обойтись всего одним процессором! При этом он будет более экономичным и эффективным. Изделия с таким процессором (например, сотовые телефоны) станут потреблять на 30 — 50% меньше энергии, чем современные модели». Кроме того, в компании уверены, что унификация позволит резко сократить сроки разработки и запуска в производство новых изделий. «Matsushita каждые полгода представляет в Японии три новые модели сотовых телефонов, — говорит Сусуми Коике, директор компании по новым технологиям. — Сроки вывода на рынок этих продуктов имеют огромное значение. В настоящее время мы практически достигли наших предельных возможностей, поэтому нужно искать какие-то новые эффективные способы».

Согласно планам компании, в 2005 году на основе UniPhier должен начаться выпуск HDTV-телевизоров и сотовых телефонов, способных принимать программы цифрового ТВ (!). Во всей этой аппаратуре будут установлены одинаковые чипы SOC, но с разными прошивками. Ну а в начале 2006 года в широкую продажу должны поступить обычные телевизоры и DVD-проигрыватели Panasonic, сердцем которых будет все тот же UniPhier.

Другие ведущие электронные фирмы также не стоят на месте и имеют в своем активе как минимум по одной SOC-разработке для перспективной AV-аппаратуры. Так, Philips Semiconductors еще в середине 90-х годов объявил о начале выпуска мощного мультимедийного чипа TriMedia, на базе которого программно можно было получить декодеры MPEG2, Dolby Digital и множество других схем и функциональных узлов. В частности, на этой же СБИС был изготовлен опытный образец цифрового радиоприемника DRM Coding Technology (см. «Радио вокруг света», «CAV» №12/2004). В начале этого века на смену TriMedia пришел NexPeria, еще более мощный чип нового поколения. На его базе созданы интерактивные STB-терминалы, цифровые телевизоры и самая различная AV-техника высшего уровня сложности.

Кристаллизация идеи

Разработка SOC в чем-то сродни строительству крупноблочных домов. В том смысле, что кристалл этих чипов тоже собирается из готовых IP-блоков. IP означает Intellectual Property, т.е. интеллектуальная собственность, поскольку в этих первичных ячейках сосредоточен весь креатив конструкторов и программистов. Вот примерный перечень IP-блоков для аппаратуры цифрового телевидения:

— кодеры и декодеры помехоустойчивого кодирования по алгоритмам Витерби и Рида — Соломона;

— процессоры прямого и обратного быстрого преобразований Фурье;

— 32-х или 64-битовые контроллеры (RISC-процессоры);

— 16-разрядные сигнальные процессоры DSP;

— демодуляторы QPSK спутникового цифрового телевидения DVB-S;

— демодуляторы QAM кабельного цифрового телевидения DVB-С;

— декодеры MPEG2;

— 10-ти и 12-разрядные видео АЦП и ЦАП с частотой дискретизации 27 — 54 МГц;

— кодеры PAL/NTSC;

— 16-ти и 24-разрядные звуковые АЦП и ЦАП с частотой дискретизации 48, 96 или 192 кГц.

Сегодня эти унифицированные блоки являются библиотечными элементами многих пакетов для разработки SOC. При этом в архиве хранятся не только их математические модели на языках высокого уровня (VHDL, Verilog), но и топологическое исполнение. Если нужный модуль отсутствует, его разрабатывают с нуля или приобретают у сторонней фирмы. На заключительном этапе при помощи специального набора программ автоматически синтезируется внутренняя «разводка» СБИС, после чего фотошаблоны выдаются на принтер. Такая тактика позволяет значительно сократить сроки (до 6 — 9 месяцев) и стоимость работы над новыми типами СБИС.

Понятно, что успех любого проекта в значительной степени зависит от качества упомянутых IP-блоков, поэтому многие мировые полупроводниковые гиганты (Motorola, Texas Instruments, VLSI и др.) с 1970 по 2004 год вкладывали огромные средства в их создание. При этом особое внимание уделялось универсальности элементов, чтобы они подходили для аппаратуры самого разного назначения (например, декодера Витерби для сотового телефона и приемника цифрового телевидения). Однако даже такие крупные фирмы не всегда решаются на столь длительный и трудоемкий проект, требующий привлечения высококвалифицированных программистов. Гораздо проще приобрести недостающий библиотечный элемент у конкурентов, тем более что к сегодняшнему дню уже сложился весьма обширный рынок IP-блоков, который очень быстро растет. В частности, только в США объем купли/продаж вырос с 1998 по 2001 год более чем в 6 раз и продолжает увеличиваться в геометрической прогрессии. Приобретение готовых модулей дает огромную экономию времени — теперь для создания самой сложной CБИС требуется менее 8 месяцев, а не 18, как раньше. Это действительно важно, поскольку в наш стремительный век поколения техники меняются каждый год.

SOC-микросхема от STMicroelectronics и изделия на ее основе — цифровые тюнеры для спутникового ТВ и широкополосного Интернета.

Неудивительно, что проектирование и производство SOC за рубежом бурно развивается: по некоторым оценкам, в ближайшие 2 — 3 года их доля в общем объеме выпуска микросхем превысит 50%! В США, например, продажи таких СБИС с 1998 по 2002 г. выросли в семь раз и достигли $21 млрд.

Однако получение необходимого набора IP-блоков — лишь первый шаг к «системе на кристалле». Трудности начинаются уже на стадии совмещения в одном проекте приобретенных и собственных IP-блоков. Ведь помимо разницы в технологиях изготовления СБИС (что так или иначе учитывается в модели), существуют отличия и методы описания одних и тех же моделей у разных программистов. Чтобы свести такие нестыковки к минимуму, поставщики и потребители IP-блоков объединяются в ассоциации, в рамках которых важнейшие процедуры унифицируются. Наиболее известным альянсом считается VSIA (Virtual Socket Interface Alliance), в который входят практически все известные производители микросхем и дизайн-центры, специализирующиеся на SOC.

Другой проблемой, сильно осложняющей жизнь создателей «систем на чипе», является трудность размещения на одной подложке цифровых и аналоговых схем. Мало того, что для их изготовления используются разные технологии, так еще при этом необходимо уменьшить перекрестные помехи (как известно, особенно вредно влияет цифра на аналог).

Поэтому при всех плюсах SOC-технология отнюдь не дешева. Особенно сейчас, когда сложность схемотехники микросхем резко возросла, что требует постоянного увеличения количества элементов в кристалле. На практике это означает, что физические размеры самих элементов постоянно сокращаются, а это существенно увеличивает затраты по их производству. Так, если стоимость одного фотошаблона (а для одной SOC их нужно 10 и более) с топологическими нормами 0,35 мкм составляет $5 — 6 тыс., то при переходе на технологии 0,2 мкм она возрастает в 7 — 8 раз. А ведь сегодня уже серийно выпускаются чипы с нормами 0,18 и даже 0,12 и завершается тестирование 0,09 и даже 0,065 микрон. Представляете, во сколько обойдутся такие фотошаблоны?

Кроме того, большинство современных аналого-цифровых СБИС имеют интегрированную память (например, ОЗУ), для изготовления которой требуются дополнительные фотошаблоны, что еще более увеличивает стоимость разработки микросхем «система на кристалле».

Поэтому выпуск SOC экономически целесообразен только при миллионных тиражах, а такими аппетитами могут похвастаться лишь производители бытовой аппаратуры — сотовых телефонов или DVD-проигрывателей, например. Применение в них СБИС значительно снижает себестоимость, что в свою очередь стимулирует продажи. Достаточно сказать, что в 2004 году только в России при общей численности населения в 148 млн. человек было продано свыше 35 млн. сотовых телефонов!

Жесткие или гибкие?

Наблюдаемое в последние годы развитие передовых технологий, в частности, цифрового телевидения, требует от производителей SOC нестандартных подходов к их конструированию. Вспомните: на заре DVB существовал всего один алгоритм компрессии MPEG2 и три типа модуляции эфирного сигнала: QPSK (DVB-S), QAM (DVB-C) и COFDM (DVB-T). Первые пять лет здесь почти ничего не менялось, и производители соответствующих микросхем могли жить спокойно. Эволюция базовых чипсетов шла в сторону уменьшения топологических норм от 0,35 мкм (1998 г) к 0,18 мкм (2004 г). При этом каждый новый уровень достигался, главным образом, масштабированием проверенных схемотехнических решений. Первые СБИС строились по т.н. принципу жесткой логики, поскольку при постоянных стандартах DVB менять алгоритмы обработки сигналов в СБИС смысла не было. Кроме того, программируемые структуры при прочих равных условиях требуют в 5 — 10 раз больше транзисторов, чем «жесткие». На чипе COFDM-демодулятора, к примеру, их и без того около 10 млн., так что изготовить «гибкую» версию по нормам 0,25 мкм было нереально. Мало того, что площадь кристалла получалась чрезмерно большой, так еще и тепловыделение от такого количества транзисторов было бы просто чудовищным.

Однако времена меняются, и цифровое телевидение вступило в новую фазу развития: появились новые алгоритмы компрессии MPEG4 и WM9, наступил переход к телевидению высокой четкости. Постоянно расширяются мультимедийные возможности бытовой аппаратуры, а сама она начинает объединяться в домашние проводные и беспроводные сети. А это значит, что СБИС нового поколения должны предусматривать перепрограммирование, как, например, уже упомянутый мультимедийный DSP Matsushita UniPhier.

Топологические нормы 0,18, 0,12 и особенно 0,09 мкм коренным образом меняют дело. Разместить в стандартном чипе 20 — 30 млн. транзисторов — уже вполне разрешимая задача, причем без существенного удорожания готового изделия. Тепловыделение транзисторов тоже не проблема — с уменьшением их размеров снижается и напряжение питания СБИС.

Понятно, что магистральным путем развития SOC становится переход к программируемым структурам. Наиболее перспективной считается архитектура с двумя и более микропроцессорными ядрами, объединенными общей высокоскоростной шиной и общим массивом встроенной памяти. В базовой конфигурации SOC имеет управляющий RISC-процессор и DSP для обработки сигналов. Они называются Digital Signal Controller, и среди современных чипов зарубежного производства их большинство, включая Philips TriMedia и NexPeria.

А это — отечественная разработка. СБИС «Мультикор» и отладочный комплект с программным обеспечением.

«Мультикор» бросает вызов

Рассказывая о SOC, нельзя обойти вниманием российскую компанию ГУП НПЦ «ЭЛВИС» из Зеленограда, которая разработала и начала серийный выпуск целого семейства «систем на кристалле» типа «Мультикор» самого различного применения. В том числе для перспективной отечественной бытовой электроники, включая приемники цифрового телевидения DVB. Топология с технологическими нормами 0,18 — 0,25 мкм проектируется в России, а сами чипы изготавливаются за рубежом на заводах, обладающих самыми современными технологиями. Такой комбинированный подход позволил «ЭЛВИС» создавать микросхемы с 5 — 25 млн. транзисторов, ни в чем не уступающие, как некогда говорили у нас, «лучшим мировым образцам».

Но предоставим слово специалисту, директору предприятия Ярославу Петричковичу: «Мировой рынок IP-блоков уже измеряется миллиардами долларов, причем более 80% его составляют т.н. ядра (микропроцессоры, микроконтроллеры, процессоры обработки сигналов) и связанные с ними технологии программирования и отладки. Они и являются центром современного проектирования СБИС.

ГУП НПЦ «ЭЛВИС» разработал новую отечественную IP — ядерную платформу «Мультикор» для цифровых теле- и радиоприемников. У нас собственная IP-библиотека, включающая RISC и DSP-ядра с плавающей и фиксированной точкой, реконфигурируемые ядра акселераторов, периферийных устройств и т.д. На их основе проектируется специальная серия аналого-цифровых кристаллов «МультикомЄ (MCom-xx)». Основные их достоинства — полная программируемость, мультирежимность и мультистандартность». На базе этого комплекта предполагается выпуск самой разнообразной бытовой аппаратуры: DVB-телевизоров и приставок STB, цифровых приемников DRM, DVD-проигрывателей и HD-рекордеров и многое другое.

Сейчас «ЭЛВИС» серийно выпускает «Мультикор» двух семейств, в т.ч. цифровой сигнальный микроконтроллер, изготовленный по технологии 0,25 мкм. Он работает на частоте 100 МГц и имеет пиковую производительность 1600 MIPS при выполнении операций в 16-разрядном формате с фиксированной точкой.

Кроме самих СБИС SOC, ГУП НПЦ «ЭЛВИС» поставляет отладочный комплект для их программирования. В его состав входит инструментальное ПО «MC Studio» и документация на CD-ROM, а также отладочный модуль. На базе этого комплекта пользователи микросхем могут самостоятельно написать и отладить ПО МС-12 или МС-24 для решения стоящих перед ними мультимедийных задач.

Так что не исключено, что года через два, когда «ЭЛВИС» завершит разработку новой серии SOC, мы наконец-то увидим на прилавках приставки STB и цифровые IDTV-телевизоры, изготовленные на российских чипах «система в кристалле». К тому времени, глядишь, у нас как раз и массовое телевещание в DVB начнется. Возможно, это только мечты, но не стоит забывать, что в СССР выпускалось 11 млн. телевизоров в год (!), причем целиком на отечественных компонентах. Поэтому в рейтинге «телевизионных держав» мы уверенно занимали третье место в мире. Хочется верить, что еще не все потеряно... n