Что нам стоит чип построить? Об экономике создания микропроцессоров

В вопросе развития отечественной микроэлектронной индустрии один из ключевых вопросов – экономический. Ведь разработка микропроцессоров – удовольствие  не из дешевых. В данной статье я попытаюсь на базовом уровне разобрать, сколько стоит разработка современного general-purpose CPU и какие партии необходимы отечественным дизайн-центрам, чтобы выйти на окупаемость.

Себестоимость микропроцессора, который в итоге дойдёт до вашего компьютера/ноутбука/сервера, можно грубо разделить на 3 составные части:

1. Стоимость разработки вплоть до получения готовых масок для серийного производства микропроцессора. Данный пункт не зависит от масштаба партии произведённых потом процессоров.

2. Цена производства на фабрике. Данный пункт практически линейно (с оговорками, конечно) зависит от количества произведённых CPU.

3. Затраты на маркетинг, рекламу и пр. Зависит от многих факторов.

Третий пункт можно сразу выбросить из рассмотрения – он зависит от множества плохо прогнозируемых факторов и не является принципиальным для понимания экономики производства процессоров. Тем более что в нашем случае основной спрос создаётся законодательными инициативами со стороны государства, и затраты на продвижение своей продукции со стороны отечественных дизайн-центров составляют малую часть бюджета разработки микропроцессора.

Разберём первые два пункта на примере 2-х отечественных дизайн центров: МЦСТ и Байкал Электроникс. Их продукция достаточно хорошо известна, и в публичной плоскости  есть необходимый объём информации для проведения анализа.

Стоимость разработки. Россия

В общем случае точно оценить стоимость разработки того или иного микропроцессора крайне затруднительно. Во-первых, для этого нужны внутренние финансовые документы компаний, которые недоступны широкому кругу читателей. Во-вторых, даже чисто технически есть множество нюансов в процессе создания конечного продукта, которые могут существенно повлиять на стоимость разработки. Но в случае России у нас есть большое подспорье для такого рода анализа – официальная процедура госзакупок и субсидий.

Не секрет, что разработки МЦСТ практически на 100% дотируются государством (через ОКР и субсидии). Это позволяет нам пройтись по сайту госзакупок/Минпромторга и оценить объём финансирования по проектам.

Для Байкал Электроникс ситуация несколько сложнее. С одной стороны, компания также получает существенные субсидии со стороны государства. С другой, у неё присутствует собственное финансирование, которое является внутренней и непубличной кухней компании. Тем не менее, доступная информация в сети позволяет с приемлемой точностью установить ориентировочные цифры затрат на разработку.

Я аккумулировал в одну таблицу информацию о всех процессорах компаний МЦСТ и Байкал Электроникс, разработка которых началась после 2011 года. Для МЦСТ сумма разработки процессора равна той, какой она была указана в документах ОКР. Для Байкал Электроникс я указал примерную оценку, основанную на информации из открытых источников.

Здесь необходимо сделать несколько ремарок:

1. Основные затраты в разработке всех указанных в табличке микропроцессоров относятся к стадии «Бэкенд» ( третий сверху синий прямоугольник в схеме разработки из данной статьи). Плюс, естественно, затраты на лицензии, создание масок, производство пробных партий и отладку. Т.е. логика процессорных ядер к моменту старта всех проектов по-большей части была готова, т.к. Байкал Электроникс использует лицензируемые ядра от Arm Ltd., а МЦСТ использует уже написанные и оттестированные на предыдущих поколениях процессоров Эльбруса ядра (изменения есть, но они не столь значительные). Поэтому в части оценки общего процесса разработки и его сложности процессоры в табличке хорошо сравнимы (конечно же, при условии схожести других параметров).

2. В определённый момент Минпромторг вместо использования процедуры ОКР стал применять субсидии, распределение которых по проектам отследить сложнее. Поэтому оценить стоимость разработки некоторых процессоров МЦСТ с приемлемой достоверностью стало сложно, и я для этих случаев поставил в таблице знаки «?».

3. Есть все основания полагать, что стоимость разработки процессоров, начатых до 2014-го года, получилась выше указанных в ОКР цифр. Причина очевидна – курсовой скачок в 2014-ом году. Если стоимость разработки Эльбрус-8С на момент старта проекта составляла ~$27млн, то к моменту окончания в 2016-ом году она могла опуститься почти до $10млн. Поэтому часть субсидий после 2014-го года, очевидно, пошла на покрытие этой разницы.

Итак, давайте попробуем сделать некоторые выводы на основании приведённый таблички.

Цена разработки самых передовых решений (для России сейчас это 16нм), которых отечественный рынок ожидает в 2022-ом году в виде Эльбрус-16С и Байкал-S, составляет около 2 млрд рублей. Если привести к ценам в USD и сделать небольшое округление в бОльшую сторону, то приблизительно можно говорить о сумме порядка $30 млн.

К сожалению, процессоры Эльбрус-16С и Байкал-S ещё только готовятся выйти в свет, и не вся необходимая информация для оценки окупаемости доступна на данный момент. Поэтому для такой оценки мы возьмём основные процессоры в линейках от МЦСТ и Байкал Электроникс – Эльбрус-8СВ и Байкал-М.

Приблизительная оценка стоимости разработки Байкал-М, звучавшая в прессе, составляет 2 млрд рублей. Хотя лично мне данная цифра кажется немного завышенной, но с учётом проблем с набором компетенций и пертурбаций в компании она вполне может оказаться близкой к реальности.

Что касается стоимости разработки Эльбрус-8СВ, то тут необходимо некоторое уточнение. Хотя формально там стоит цифра в 623 млн рублей, это значение выглядит сильно заниженным. В общем-то беглый взгляд на табличку и анализ характеристик процессоров показывает, что Эльбрус-8СВ является по большому счёту итерацией Эльбрус-8С с некоторыми доработками. Видимо, получив в середине цикла разработки курсовой шок (снизивший дотацию от государства в долларовом эквиваленте с $27млн до $10млн в моменте), компании МЦСТ пришлось тянуть  Эльбрус-8С «на минималках» и уже в рамках отдельного ОКР доводить процессор «до ума» в виде Эльбрус-8СВ.  Т.е. более правильным будет включить в разработку Эльбрус-8СВ стоимость разработки Эльбрус-8С. Это будет составлять 1 млрд 459 млн рублей, что уже выглядит более адекватным значением. Также в стоимость разработки Эльбрус-8СВ, по-хорошему, нужно частично включать создание КПИ-2, т.к. данная функциональность на современных процессорах обычно располагается на чипе (в Эльбрус-16С так и сделано).

В итоге, если усреднить и округлить цифры, в качестве базовой оценки стоимость разработки процессора класса Байкал-М и Эльбрус-8СВ можно взять $25 млн. Примерно столько стоила разработка для отечественных дизайн-центров, и именно от такой цифры мы будем отталкиваться в дальнейших расчётах.

Для дальнейших рассуждений также важно иметь общую картину о масштабах компаний и их экономической деятельности. Типичный процессорный дизайн-центр – это порядка 100-200 сотрудников. Большее количество имеют уже достаточно крупные центры, занимающиеся широким спектром разработок. Меньшее количество вполне возможно на первых этапах работы компании, пока идёт её становление. Байкал Электроникс - это дизайн-центр размером примерно в 100 человек, МЦСТ - ближе к 200.

В части экономики, за последние 10 лет общая сумма дотаций от государства компании МЦСТ на разработку процессоров составили примерно 9 млрд рублей или (с учётом курсовых колебаний) ~$200 млн. Компания Байкал Электроникс с момента своего появления в 2012-ом году получила из различных источников порядка 5 млрд рублей или ~$70 млн.

Также отметим, что средний срок разработки отечественных процессоров занимает порядка 5 лет до выхода в серию.

Стоимость разработки. Мировой опыт

Вышеприведённые оценки было бы интересно сравнить с мировым опытом. К сожалению, получить точную информацию от компаний уровня Intel или AMD крайне сложно. Тем не менее, из доступных мне источников вырисовывается примерно следующая картина.

Стадия Бэкенда в разработке чипа средней сложности (по меркам гигантов индустрии, конечно же) вроде Intel Core i9-9900K занимает порядка 12 месяцев и осуществляется командой инженеров в 50-100 человек. Затраты на зарплату в таком случае будут составлять порядка $10-$20млн. Но это меньшая часть всего цикла разработки процессора. Лицензии на софт для разработчиков, IP-блоки, стоимость набора масок суммарно может сильно превышать указанную цифру, причём для передовых техпроцессов в разы. Здесь действует общее для индустрии правило – разработка процессора на наиболее современном техпроцессе требует высокой премии. Например, цена набора масок для 7nm техпроцесса на TSMC на данный момент составляет порядка $10 млн, а для 5нм находится где-то на уровне $15-$20 млн. Поэтому суммарная стоимость разработки чипа уровня Intel Core i9-9900K на самом передовом техпроцессе в момент выхода чипа будет составлять порядка $100 млн.

В частных разговорах в Кремниевой Долине с представителями других компаний звучали оценки в диапазоне $50-$100 млн для создания пусть не самого лучшего, но конкурентного на мировом уровне микропроцессора. Данные цифры в целом совпадают с озвученными выше затратами для лидеров индустрии Intel/AMD.

Ещё одним хорошим способом понять масштабы затрат на разработку современных чипов является анализ данных о полученных инвестициях, которые доступны для различного рода стартапов, активно разрабатывающих новое железо.

Здесь очень показательным было бы сравнение с разработками от компании Ampere Computing, потому что они разрабатывают именно general-purpose CPU, причём достаточно близкий по целевой нише к Байкал-S и Эльбрус-16С, только с более продвинутыми характеристиками и техпроцессом. Но, к сожалению, в открытых источниках фигурирует сумма в $40 млн, которая явно не соответствует действительности. Поэтому нам придётся довольствоваться более косвенными сравнениями, но тем не менее, они хорошо дополнят картину:

1. Nuvia

   Данный стартап был основан в 2019-ом году выходцами из компании Apple, стоявшие у руля разработки той линейки процессоров, результатом которой стал выдающийся по своим характеристикам Apple M1. Основатели Nuvia обещали создать процессор «такой же как у Apple, только лучше». Понятно, что с таким «бэкграундом» они легко собрали $293 млн инвестиций, на которые планировалось и создать самый передовой в мире general-purpose CPU. В начале 2021-го года Nuvia была куплена компанией Qualcomm за $1.4 млрд. Наверное, самый быстрый и впечатляющий выход hardware стартапа на моей памяти. Видимо, компании Qualcomm было чем впечатлиться.

2. SiFive

   Компания, основанная в 2015-ом году и являющаяся флагманом экосистемы RISC-V. Разработала целую пачку RISC-V ядер различной степени сложности, от простых до достаточно производительных. Самостоятельно реализовала часть процессоров в кремнии, разработала приличную часть программного стэка экосистемы RISC-V. Сумма инвестиций составляет $190 млн.

3. Esperanto Technologies

   Компания, разрабатывающая сложный чип для ML на 7nm процессе, содержащий внутри 1000+ простых RISC-V ядер (Minion) и несколько продвинутых RISC-V ядер (Maxion). Разработка данного процессора началась в 2017-ом (сама компания была основана несколько раньше). За 2 раунда инвестиций было получено $63 млн, на которые к 2021-ому году был сделан первый чип ET-SOC-1 на 7нм. В 2021-ом был получен ещё $61 млн на дальнейшее развитие. В список работ входит не только само создание чипа, но и разработка специализированного стэка программного обеспечения для ML, адаптированного под создаваемый процессор.

Для вышеперечисленных компаний из Кремниевой Долины средняя стоимость сотрудника будет составлять порядка $200 000 в год, т.е. затраты только на заработную плату будут колебаться в диапазоне $20-40$ млн в год. Эту цифру можно снижать за счёт опционных программ, но сильно ниже она не упадёт, т.к. Долина – недешёвое место для жизни. Для российских дизайн-центров среднюю стоимость одного сотрудника можно смело делить минимум на 4 от калифорнийской, что даёт существенную экономию.

В итоге, можно с определённой долей осторожности сделать вывод, что вопреки сложившимся стереотипам, финансирование отечественных дизайн-центров находится на вполне адекватном уровне, позволяющим разрабатывать если не самые передовые, то близкие к этому микропроцессоры. При этом в глаза бросается заметно более долгий цикл разработки, который существенно превышает типичные для индустрии показатели.

Цена производства

Когда цикл разработки закончен, инженерные образцы отлажены и маски готовы, наступает момент серийного производства созданного процессора. Себестоимость непосредственно производства в общем виде состоит из 2-х частей:

1. Печать чипов на фабрике (в нашем случае это TSMC).

2. Корпусирование и тестирование напечатанных чипов.

Давайте попробуем разобраться с экономикой данных этапов. Начнём с конца, как с более простого. Корпусирование и тестирование суммарно добавляют к финальной стоимости процессора что-то порядка 20$. Примерно такие показатели типичны для индустрии, и такие цифры были мне озвучены при запросе на сайте Anysilicon. Правда, эксперты, занимающиеся корпусированием непосредственно в российских дизайн-центрах, озвучили сумму ближе к 30-35$ в текущих реалиях.

Т.к. наши расчёты всё равно оценочные, я буду добавлять на корпусирование и тестирование ~30$ для отечественных процессоров и ~20$ для зарубежных, округляя до красивых значений. 

Печать чипов на фабрике

Если опустить все сложности современных литографических процессов, то производство чипов на фабрике осуществляется путём создания на поверхности кремниевых пластин (или по-английски Wafer) структур, которые и представляют из себя в конечном счёте Ваш процессор. Каждый чип является прямоугольником размером N на M, который должен быть размещен на пластине. Пластина представляет из себя круг диаметром 300мм (в нашем случае). Фабрика продаёт производство пластины, поэтому, чем больше процессоров Вы разместите на пластине, тем дешевле будет в итоге конечный продукт. Иными словами, чем меньше размер вашего чипа, тем он дешевле. Понятное дело, чем продвинутее техпроцесс, тем дороже стоимость одной пластины. Цены для фабрики TSMC выглядят примерно так (взято отсюда):

Помимо количества размещённых на одной пластине чипов, на конечное количество рабочих изделий влияет так называемый «выход годных». Простыми словами, при производстве так или иначе случается брак, и в зависимости от отлаженности техпроцесса общее число работоспособных процессоров, полученных с одной пластины, будет ниже, чем Вы сможете максимально там разместить. Для оценки количества годных процессоров мы воспользуемся удобным сайтом Caly Technologies. Например, для процессора Байкал-М картина будет выглядеть примерно так:

Теперь давайте соберём в одну таблицу интересующие нас процессоры (по которым есть необходимая информация). Также для полноты картины я добавил пару зарубежных чипов, чтобы было с чем сравнить:

Вся информация о характеристиках процессоров собрана из официальных источников. Для процессора Байкал-М известны точные размеры чипа (спасибо Locuza), для остальных я из размера чипа вывел примерный размер высоты и ширины (форма прямоугольника сильно не влияет на конечный результат). В целях упрощения, для процессора Эльбрус-8СВ я не стал включать стоимость КПИ-2, хотя без данной микросхемы полноценное решение на базе Эльбруса не получится. В Эльбрус-16С данный контроллер уже встроен в сам процессор, поэтому будем считать текущую ситуацию неким реликтом.

Итак, что же получилось в итоге? Непосредственно себестоимость производства одного процессора уровня Байкал-М или Эльбрус-8СВ будет составлять порядка ~50$. В дальнейших расчётах будем опираться на данную цифру.

Здесь надо сделать одну ремарку. При текущих масштабах производства процессоров отечественными дизайн-центрами им приходится работать с фабрикой TSMC не напрямую, а через специальных посредников. Это добавляет издержек, но, во-первых, сильно наши оценки не изменит, а во-вторых, будем рассчитывать на то, что при росте объёмов этот пункт расходов уйдёт.

Экономика продаж

Итак, мы получили два базовых числа для оценки экономики создания процессора уровня Байкал-М и Эльбрус-8СВ  – 25$ млн на разработку и 50$ себестоимость производства одного процессора. И хотя стоимость разработки полностью (для Эльбрус-8СВ) или существенно (для Байкал-М) была субсидирована государством, давайте попробуем оценить, по какой цене необходимо продавать данные процессоры, чтобы выйти на окупаемость. Ведь мы хотим, чтобы отечественные дизайн-центры стали экономически успешными предприятиями, а значит, они должны быть способны своими продажами окупить затраты на разработку.

Из заявлений представителей МЦСТ можно сделать вывод, что на данный момент они заказали  партию в 10 тысяч процессоров Эльбрус-8СВ. Компания Байкал Электроникс ангажирует производство ~200 тысяч процессоров Байкал-М.

Получается, что минимальная цена Эльбрус-8СВ, при которой создание процессора окупается при такой партии, составляет (25 000 000 / 10 000) + 50 = 2550$.

Для Байкал-М (25 000 000 / 200 000) + 50 = 175$.

Отсюда можно сделать вывод, что при продажах в сотни тысяч штук, себестоимость отечественных процессоров выходит на вполне разумные показатели. И главная проблема на данный момент скорее в том, что по своим характеристикам вышеупомянутые процессоры существенно уступают импортным аналогам.

Да, на разработку более совершенных продуктов потребуется увеличение затрат. Скорее всего эта сумма будет расти в диапазон $50-$100 млн.  И чтобы говорить о хорошей экономике, речь надо вести уже скорее о миллионных партиях. Давайте посмотрим, каков приблизительный объём российского рынка.

На текущий момент в России ежегодно продаётся примерно 7-8 млн десктопов+ноутбуков и 150 тысяч серверов (учитывая, что сервера часто содержат не по одному процессору, речь может идти о сотнях тысяч серверных CPU).

Обновление процессорной линейки занимает не один год. Если взять 3 года за ориентир, то можно говорить о рынке порядка 20 млн десктопных и 1 млн серверных процессоров (и это не считая рынка различных мобильных и промышленных устройств). Таким образом, если российские разработчики смогут занять хотя бы 20%  отечественного рынка, объём продаж составит порядка 4 млн десктопных и 200 тысяч серверных процессоров. Такие цифры уже вполне позволяют говорить об экономической окупаемости разработки современных процессоров.

Да, для того, чтобы перейти в «элиту» и создавать самые топовые решения, только отечественного рынка будет скорее всего уже недостаточно. Но для создания базиса, как мне кажется, все условия у нас есть.