Внутренности SDR чипа AD9361 — когда микроэлектроника выгоднее наркоторговли

    Когда в 2013 году Analog Devices выпустила SDR трансивер AD9361 — случилась настоящая революция в цифровой радиосвязи. SDR были и раньше, но теперь в одном чипе можно было получить все: 2 канала на прием и 2 на передачу (с набортными 12-бит ЦАП и АЦП) с шириной канала до 56МГц, локальные генераторы и радиотракт — для работы в диапазоне от 70 (на передачу от 47) до 6000Мгц. На AD9361 «из коробки» можно реализовать почти любой цифровой приемопередатчик, за исключением наверное только UWB и начинающего набирать популярность диапазона 60ГГц (но там без аппаратной многоэлементной ФАР все равно делать почти нечего). Остается лишь добавить источник/приемник данных (пока это обычно FPGA), внешние фильтры и LNA/PA, если задача того требует.

    Мне наконец удалось посмотреть, что у него внутри, и — попробовать взглянуть на финансовую сторону производства действительно инновационной микроэлектроники с высокой добавленной стоимостью.


    Время достать кислоту


    После вскрытия — видим чип размером 4336x4730 µm, забегая вперед — нормы производства 65нм. В глаза бросаются только катушки от PLL (справа сверху и слева по середине) и — то что маски были выпущены в 2011 году, а в продажу чип вышел — только в конце 2013. По клику — полное разрешение (72Мб):



    После стравливания почти всех слоев металлических соединений — видно, что подавляющую часть микросхемы занимают аналоговые блоки:



    Справа внизу — цифровой фарш. В максимальном увеличении — видим ряды стандартных ячеек. Ячейки стоят, как и почти у всех, — «спина к спине», [PFET NFET] [NFET PFET] и таким образом используют общие вертикальные линии VCC и GND (питание конечно подается от верхних уровней металла, которые тут уже не видно). PFET транзисторы чуть шире (как и всегда в кремниевых CMOS процессах). Ширина ячеек — 1,83мкм, что примерно похоже на правду для 65нм микросхемы. Масштаб после клика на полном разрешении на этой фотографии и далее — 24.5нм на пиксель.



    По всей площади кристалла разбросаны блочки, которые вероятно используются для проверки разброса характеристик транзисторов по площади кристалла, на начальном этапе разбраковки или даже отработки техпроцесса. Однако доступа к ним после завершения производства всех уровней металлизации финального чипа нет — на верхних металлах подключаться некуда, а сложной цифровой схемы аля JTAG рядом также не видно:



    Массивы конденсаторов — ключевой элемент реализации ЦАП/АЦП, критически важной является идентичность конденсаторов в массиве, тут по краям — похоже дополнительные элементы-пустышки, чтобы краевые эффекты фотолитографии не оказывали влияния на размеры/емкость.



    Ни одного массива SRAM на чипе не нашел. Единственная регулярная цифровая структура — на этом кадре слева, но по топологии на SRAM не похоже. Вообще ни на что не похоже. Тут без электронного микроскопа не разобраться.



    Весь аналоговый фарш — преимущественно на полевых транзисторах:



    Еще немного цифрового фарша






    Ну и заглавная фотография — все что осталось от индуктивности PLL (с не до конца дотравленным металлом и стеклом — что дает такие цвета). PLL тут самая ответственная часть. Если шумы или недостаточную линейность аналогового тракта еще можно обходить внешним обвесом и цифровой обработкой, то фазовые шумы PLL — задают абсолютный и непреодолимый предел качества радиосвязи:



    А теперь за калькулятор


    На примере этого чипа можно примерно посчитать, как с высоты птичьего полета и в первом приближении выглядят выглядит финансовая сторона действительно высокотехнологичного продукта, к счастью ежегодная финансовая отчетность Analog Devices публична, а себестоимость мы теперь оценить сможем. К точности таких грубых оценок всегда есть где придраться, но тут главное — общий принцип (в детали углубляться можно бесконечно, начиная с корпусировки и тестирования...):

    Площадь микросхемы ~ 21,12мм², полезная площадь кремниевой пластины диаметром 300мм (а на 65нм только такие) — примерно 65'000 мм². Таким образом, с одной пластины получаем 3077 микросхем, при выходе годных 50% — остается 1538 штук. При цене пластины 1600$ (технология-то уже старая) — себестоимость каждого годного кристалла — 1.04$.

    NRE (Non recurring engineering) — маски (2 комплекта по 400тыс$) и оснастка — допустим 1млн$ суммарно. Если оценить общий объем производства в 1000 пластин (а в реальности может быть и больше) — NRE на каждый чип добавит 0.64$.

    Розничная цена на AD9361 у дистрибьюторов — 275$, оптом у производителя — 175$.

    У Analog Devices на 1,68$ себестоимости — получается 173,32$ добавленной стоимости! Даже вертикально-интегрированные наркокартели не могут похвастаться такими показателями! Intel например также не может похвастаться такой добавленной стоимостью — себестоимость там на 1.5 порядка выше получается.

    Но тут конечно есть очевидная проблема — нельзя просто так взять и сделать интегрированый SDR трансивер: нужны патенты, позволяющие вести работу и наработанные годами (обобщенно — интеллектуальная собственность) — и собственно саму микросхему нужно разработать. Поэтому часть выручки — мы направляем на дальнейшие исследования и разработки, чтобы в будущем выпустить новые, более совершенные, продукты.

    Из отчета Analog Devices за 2017 год видим, что при выручке 5,1млрд$ — расходы на R&D составили 968млн$, и прибыль до налогов — 3.061 млрд$. В такой пропорции выручку и разделим. Безусловно, в разных продуктах все по разному, но в среднем получится где-то так:



    Выводы:


    1. Все эти разговоры о том есть в России 65 / 28 / 14нм микроэлектронные заводы или нет — это кусок пирога, который на диаграмме по данному конкретному продукту почти не видно. Разработка — требует на 1.5 порядка больше ресурсов, чем непосредственно серийное производство. Поэтому говорить о производстве, не вкладывая на 1.5 порядка больше в разработку — это просто самообман. Основные деньги делаются не на производстве.
    2. Этот тоненький производственный кусочек пирога — это даже не прибыль производства, а выручка. Там такое же внутреннее деление: по старым технологиям, на рыночных условиях — 90% себестоимость (преимущественно импорт) и обслуживание кредитов, 10% прибыль. Т.е. непосредственно микроэлектронный завод тут хорошо если получит 0.25$ прибыли на производстве этого чипа. Только на самых свежих технологиях (доступных единицам в мире), где конкуренция ограничена — прибыль может быть существенно выше.
    3. Любой высокотехнологичный продукт — требует максимального увеличения объема продаж (в штуках). Не отмахивайтесь, как от очевидной вещи. Это означает, что продавать только в одну страну нельзя — продукция должна уходить на весь мир, иначе она не будет конкурентоспособной. При такой низкой себестоимости производства — связь конечной цены изделия и объемов продаж — линейная. Если продаем только в Россию (которая, предположим, в электронике составляет 2% мировой) — значит вынуждены продавать в первом приближении в 50 раз дороже.
    4. Продажи обеспечиваются не только низкой ценой (которая достигается размазыванием стоимости разработки на большой объем), но и «другими расходами», которые сравнимы собственно с разработкой, куда включены все эти непонятные русской душе бесплатные семплы для бедных студентов (которые прямо сейчас ничего не купят), конференциии, выставки и конкурсы, реклама, и многое другое.
    5. Если нет уникальных IP/разработок, или все это куплено/лицензировано уже готовое (как это старается делать Роснано по концепции чистого капитализма) — то довольствоваться придется крошечными долями пирога и скромными нормами прибыли (или самообманом). «Рутинные» микроэлектронные продукты например продаются по цене «всего» 5-10x себестоимости.

    Таким образом — мало построить условный 14нм завод за 10 млрд $. Нужно в ~15 раз больше потратить на разработку продукции для него. А затем — еще столько же на продвижение и поддержку, чтобы продукт продавался по всему миру. А значит работы впереди еще много.

    Посмотреть больше фотографий микросхем — можно на zeptobars.com (RSS). А если вы хотите больше вскрытых микросхем — можно даже поддержать проект на Patreon.

    Zeptobars

    66,10

    Компания

    Поделиться публикацией
    Комментарии 37
      +3
      Стоимости объявляемых государством ОКР на разработку компонентной базы в нашей стране смехотворны. С такими бюджетами ни о каком серьезном R&D и говорить не приходится. Да и устанавливаемые сроки таковы, что можно только накидать IP блоков, промоделировать, развести и в производство отправить. По опыту изготовление чипа у нас от стадии передачи информации для шаблонов до получения чипа в корпусе около полугода. А еще испытания, переделка и т.п. А частных компаний готовых вкладывать огромные деньги в такие области просто нет, вот мы и тащимся в хвосте индустрии. Даже Китай с Индией нас уже давно обогнали на пару шагов.
        +2
        Суммарные стоимости объявляемых государством в год ОКР вполне сопоставимы с расходами ADI на RnD, как минимум по порядку величины. А если учесть, что у ADI модельный ряд пошире, чем у России, а сроки а открытом рынке горят гораздо быстрее, чем у государственных ОКР, то еще не известно, у кого лучше исходные условия.
          +3
          Тут дело в том, что AD успешная компания которая зарабатывает деньги, у нее есть прибыль. У большинства отечественных предприятий основная статья дохода это именно НИОКР, прибыли от продаж почти нет. Да и продукцию у них в основном покупают для производства аппаратуры по госконтрактам, иными словами отрасль полностью дотационная. Инициативные работы, за свои средства, почти никто не проводит, в основном только по заказам Минпромторга или МО. Есть некоторые исключения, но их, к сожалению, очень мало. А так я полностью согласен с автором, выходить на рынок можно только с чем-то инновационным, чего не у кого нет. Но наша промышленность ничем таким пока не располагает.
        +2
        Массивы конденсаторов — ключевой элемент реализации ЦАП/АЦП, критически важной является идентичность конденсаторов в массиве, тут по краям — похоже дополнительные элементы-пустышки, чтобы краевые эффекты фотолитографии не оказывали влияния на размеры/емкость.

        Это точно они. Dummy-элементы (не только конденсаторы, но и транзисторы и резисторы) — это обязательная стандартная практика при проектировании любых массивов и согласованных элементов, например токовых зеркал и дифференциальных пар.
          +1
          Только эти dummy не для литографии, а для химико-механической планаризации (chemical-mechanical planarization — CMP).
          +5
          И шестой вывод: революционный продукт сделан на 65 нм. Это нормы ненамногим лучше доступных в России (и прекрасно доступные для зарубежного производства российским разработчикам).
            0
            Не знаю как сейчас, но (как бы не соврать) году в 2012 препод был в Сколково на каком-то мероприятии, и откуда привез нам чудную инфу что основные имеющиеся (на тот момент) производственные мощности в России способны производить по 96нм техпроцессу. Исключение только Зеленоград.

            Надеюсь за последние годы что-то поменялось.
              0
              Сейчас 90 нм есть только в Зеленограде. Вне Зеленограда нет ничего лучше 250 нм. С 2012 года ситуация если и поменялась, то только в худшую сторону.
                0
                Ок. Пусть 250нм.
                Чип будет в 16 раз больше.
                Кроме нерационального расхода пластин это еще чем грозит, если мы говорим об относительно простых устройствах типа того что рассматривается в статье.
                Есть ли смысл от 65?
                  +11
                  А с каких пор устройство в статье стало простым? Там аналогового и СВЧ-фарша мама не горюй. Поди еще найди разработчиков, которые такое умеют.
                  Чип в 16 раз больше — это чип в 16 раз дороже, в более дорогом большом корпусе.
                  На самом деле он, конечно, будет не в 16 раз больше, цифровая часть-то небольшая, но вот не заработать на нужные частоты с нужным энергопотреблением вполне может.
                  Analog Devices хорошо умеют считать деньги, и если они сделали проект на 65 нм — значит оно им было для чего-то нужно. Когда не нужно, они и 600 и 800 не брезгуют.
                  Но вполне вероятно, что что-то похожее можно было сделать на имеющихся на «Микроне» 180 нм с СВЧ-опциями.
                    +1
                    Спасибо за развернутый ответ!
                      0
                      Чип в 16 раз больше — это чип в 16 раз дороже, в более дорогом большом корпусе.
                      На самом деле он, конечно, будет не в 16 раз больше, цифровая часть-то небольшая

                      1. Поправьте меня, если я ошибаюсь, но разве выход годных на более «старых» технологиях не существенно выше, при прочих равных? В статье вы взяли 50%, почему бы при 250 нм ему бы не быть 95%? Почему бы не взять 200 мм пластины, что гораздо дешевле сами по себе, как и технология изготовления ИС на них тоже?
                      2. Разве это не причина и одновременно лайвхак по выживанию для отечественных предприятий: гонишься за нанометрами, вложил N$ в фабрику — будь добр, вложи >>N$ в разработку, а не можешь — штампуй на технологиях подешевле ИС с высоким %Вг и низкой добавочной стоимостью, из которых потом делают товары на Aliexpress
                        0
                        1. Нет, обычно новые техпроцессы — на более совершенном оборудовании, которое и обеспечивает хороший выход годных. А старые технологии — могут быть вообще полуавтоматическими, где от действий и настроения операторов многое зависит.
                        2. У отечественных предприятий своих денег особо нет, так что им выбирать не приходится.
                          +1
                          1. Выход годных на любой серийной технологии может и должен быть выше 90%. Это справедливо и для 1000 нм и для 10 нм. Вопрос в качестве работы технологов и времени на отладку.
                          2. Нельзя выбрать размер пластин под нужные проектные нормы, вы просто не найдете оборудования. 90 нм на 200 мм, 65 нм и ниже на 300 мм. Ну или делать оборудование самостоятельно)
                          3. Отечественные предприятия и штампуют ИС для товаров на Алиэкспрессе в огромных количествах, и всегда это делали.
                            0
                            Выход годных на любой серийной технологии может и должен быть выше 90%. Это справедливо и для 1000 нм и для 10 нм.

                            Не согласен на счет «может». Уже как лет 10 «выход годных» превратился из обычного статистического параметра в маркетинговый инструмент, и как следствие, такая информация стала коммерческой тайной, а также предметом информационных спекуляций. У меня есть только косвенные доводы, но может доказательства есть у вашей позиции?
                            1. Количество научных публикаций, прямо затрагивающих тему %Вг, или аналогичных сообщений в СМИ постоянно падает, а локальные минимумы на временной шкале чудесным образом совпадают с переходом на очередную новую технологию;
                            2. Думаю, что Intel отказался от своей давней стратегии «тик-так», и перешел фактически на «тик-так-так» не из заботы о потребителях, а вынуждено;
                            3. Я не спроста сделал оговорку «при прочих равных» ранее. Если мы не меняем критерии годности и масштабируем изделие в лоб, не трансформируя его в совершенно новое по функционалу, не накручиваем новые «фичи», то из личного опыта возникает много НО, в т.ч. по %В, какое бы время на отладку техпроцесса ты не тратил. Яркий пример с флеш памятью, когда неудачное масштабирование было подано потребителям как переход на революционную структуру MLC вместо SLC: достигнуты модные нанометры, увеличен объём памяти, снижена цена в короткой перспективе, а про потерю надежности — ни слова. Не удивительно, что реальные цифры %В и критерии отбраковки — коммерческая тайна.
                            4. Ну и наконец очевидное. Производство ИС от отверточной сборки тракторов отличается тем, что во втором случае не важно как сильно ты ты крутишь отверткой — на выходе все равно трактор. А в микроэлектронике, чем меньше проектные нормы, тем сильнее влияние точечных дефектов, тем сильнее ты зависишь от качества материалов, тем меньше гарантии, что при одинаковом режиме, например отжига, на двух партиях пластин получится одинаковая глубина и боковой уход стока и истока, что получится одинаковая концентрация активированной примеси, что будущий транзистор вообще будет работать как задумывалось проектировщиком. Я конечно еще тот Джон Сноу, в глубокие нанометры не залезал, теоретизирую и кидаю гавний в вентилятор, но пока даже совершенная автоматизация и танцы с бубном вокруг электронно-вакуумной гигиены не смогли решить фундаментальные проблемы раньше физиков
                              0
                              Фабрики прекрасно рассказывают про проблемы с выходом годных, хоть и не называя цифр… Более того, Intel открыто говорят, что сейчас выход 10 нм в серию затягиваетсч именно из-за проблем с достаточно большим выходом годных. А TSMC каждый раз предлагает клиентам период risk production с низким выходом годных, иногда довольно долгий. Но по прошествии этого времени о низком выходе годных уже не говорят.
                              И не случайно первый продукт, который Intel на днях объявили по 10 нм — маленький двухядерный процессор — на маленьком чипе добиться хорошего выхода годных проще. Но потом будут и большие.
                              И никто, разумеется, не станет запускать изделие с низким выходом годных а крупную серию, потому что это просто будет слишком дорого, то есть неконкурентоспособно.
                        +1
                        Вы ошибаетесь, в 16 раз больше не будет. Это касается только если чип полностью цифровой, но даже тогда цифры будут отличаться. Для такого чипа(70-80% аналога), площадь конечно вырастет, однако ни как не в 16 раз. по моему опыту и в теории раза в 2. Отдельный вопрос — возможно ли сделать в норме 250нм -? полностью функциональный аналог нет, очень маловероятно, частичный аналог — да.
                        почему так? Да потому как большая часть аналоговых блоков строится на IO элементах. а самые маленькие компоненты — именно с нормами 65нм это цифра. а её там мало. Кроме нескольких фильтров/дециматоров и интерполяторов там ничего. И эту цифру конечно можно сделать в 250нм, пусть и будет она больше.
                        А вот с аналоговыми блоками — проблема.
                        Есть блоки, которые только в малых нормах и возможно сделать приемлемыми параметрами. Например ячейки VCO, делители частоты 2-10ГГц, они делаются в низких нормах. И вот там и нужны нормы 65 и ниже. там это сделать на порядок проще.
                        второй вопрос к АЦП/ЦАП: в грубых нормах их возможно сделать, но точность падает из за точности компонент (ёмкости и транзисторы). Поэтому чтоб достичь точности требуется делать их приличного размера — следовательно максимальные рабочие частоты падают, потребление растёт, площадь увеличивается.
                        Малые нормы, дают точность повторяемости компонент, что в свою очередь позволяет снизить размеры/потребление/площадь и повысить частоты. При этом компоненты на которых блоки собраны не имеют минимальных размеров. Вот из этого и следует что технология должна быть малых норм.
                        Следующий фактор — повторяемость:
                        дело в том что Российские предприятия работающие в нормах 250нм не могут обеспечить повторяемость результатов.
                        Мне доводилась работать как с Интегралом, так и с Микроном, (Ангстрем думаю аналогичный) — везде печаль. Есть много заводов работающих с теми же нормами(TSMC, TJ, AMS,iHP, Infeneon), но только у наших возможно в одной партии выйти за пределы(которые и так имеют очень большой разброс) покрытия моделей. По этому они и не пользуются популярностью даже у собственных(отечественных) разработчиков.
                        Следующая проблема — нет поддержки, foundry.
                        Так уж получилось что мне приходилось сталкиваться с многими заводами и фабриками. Но такого я ещё никогда не видел: за 10-12 лет на технологию не поменялась, не обновлялась документация, не уточнялась(говорю конкретно про технологию Микрон 180 еепром).
                        Вот поэтому тяжело будет сделать аналг на отечественных технологиях.
                        0
                        В Крокусе 65 нм, но у них только back end.
                          0
                          Только backend не считается, они же не могут делать транзисторы)
                          И никто в России не может делать им транзисторы.
                  0
                  Вообще рассуждения уровня человека вообще не знакомого с экономикой даже на уровне технического вуза.

                  Особенно порадовали рассуждения в роде «берем себестоимость сырья и е-мое продукт в 200 раз дороже, как же так?! Давайте поможем Даше найти где нас обманывают!». Неужели для кого-то открытие что что на себестоимость перекладываются капиатльны ерасходы (амортизация) на средства производства, патенты, отчисления, затраты на RND, зарплаты, взятки, всякие прочие расходы?
                    +5
                    насчёт автора и технологии производства именно этого чипа я не знаю, но считаю что примерно прикинуть и угадать хотябы с порядком можно.
                    Когда я эмигрировал в Японию и разработал алгоритм для своего видео чипа распознавания изображений для 4к видеопотока, то рассчитал раскладку по ресурсам и примерную себестоимость видеокамеры на его базе.
                    глянуть можно тут youtu.be/d4Rrn4SnTM0
                    В последствии когда реализовал в верилоге а потом вся остальная команда железе, то погрешность моих прикидок по железу вышла: 10% по логике (LUT) и 20% по памяти (mem bits), а вот себестоимость камеры угадал с ошибкой в 45% (ну не мех.технолог я — кто бы знал что они фигурные подставки для плат фрезеруют из цельной болванки и используют ещё как радиатор).
                    При этом я новичок и даже не на постоянке, пока изучаю язык и мне доступа к подробной документации не давали и даже не давали синтезировать всё видео ядро целиком (базовые интерфейсы с матрицы и на каоксиал я не делал — они были уже сделаны).
                      +1
                      Сам принцип конечно не новость — со времен мурзилки. Но вот с конкретными оценками очень мало примеров по высокотехнологичной продукции, это вообще обычно тайна за семью печатями, которую только реверс-инженирингом и компиляцией из кучи источников можно получить. Ну и сама диспропорция НЕ в сторону собственно производства — меня лично удивила.
                        +2
                        Хм, это вообще-то общее место. Графики и статьи легко гуглятся.
                        image
                        image
                        Как видно, дизайн стоит дороже производства, и в дизайне все большую роль начинают играть встроенное ПО, IP и верификация. Себестоимость производства на этом фоне — копейки.
                      –1
                      ---оптом у производителя — 175$.

                      Что за девайс с чипом по такой атомной цене?

                      Но сотовые ни вокитоки в этот список не попадают. На чем прибыль?
                        +4
                        Так это не атомная цена, это еще по-божески… Вон, очень жирные ПЛИСы или быстрые точные ADC бывают и по $10000 за чип, и это не предел. Ну а что делать, если расходов много, но покупать миллиардами это некому?
                          +4

                          Бывают микросхемы, у которых нет даже оптовой цены.
                          И на запрос "купить" с сайта через пять минут перезвонит менеджер и досконально начнет переспрашивать "а зачем вам эта микросхема понадобилась"


                          Мир на телефонах не заканчивается, есть очень много других областей

                            +3
                            Например — базовая станция сотовой связи, отдельно стоящие SDR-приемники и проч…
                            По сравнению с ценой Ettus N210 (~3000$) это довольно дешево )
                            0

                            Ещё выгоднее наркоторговли оправы для очков. Цена за кусок пластика себестоимостью центов пять может доходить до $500.

                              0
                              Розничная цена на AD9361 у дистрибьюторов — 275$, оптом у производителя — 175$.

                              Китайцы закупают миллионными тиражами по цене в районе 30$ (возможно, это упрощенные версии типа AD9363, точной информацией не владею). Говорят уже даже в коптеры ставят.
                                +1
                                И не в покер, а в преферанс, и не выиграл, а проиграл.
                                  0

                                  Зачем она в коптере?

                                    0
                                    По прямому назначению — цифровой трансивер. Вниз — гоним цифровое видео на десяток мегабит, вверх — команды управления. Можно и без SDR, но гораздо менее гибко.
                                  +1
                                  А еще выгоднее продавать софт.
                                  Даже на тиражирование не надо ничего тратить. Один раз сделал и собирай мзду c миллионов пользователей. потом исправил собственный ляп и как новую разработку снова всем продаешь. И так вечно. Тут даже прибыль от наркотиков рядом в микроскоп не увидишь
                                    0
                                    Только вот софт элементарно скопировать у соседа Васи, а с чипом такое не прокатит.
                                      0
                                      это не так, чипы воруют ещё как. Сам же автор публикации выкладывал фото ворованных/переделанных чипов.
                                      Я так же сталкивался с воровством — тупо копированием(видел переделанные схемы). Ещё 12 лет назад была шумиха по поводу того что китайцы скопировали 1-в-1 чип трёхфазного(или однофазного, точно не помню) интегрального счётчика электроэнергии у TI. Тем же самым занимались и некоторые отечественные заводы. Стех пор таким занимаются многие(пусть и в меньшей степени), копируют не все целиком, но частично и отдельные решения — точно.
                                        0
                                        В моем комменте написано «элементарно». Так вот, в случае с чипами это совсем НЕ элементарно.

                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                  Самое читаемое