Советские микропроцессоры. Заводы «Интеграл», «Микрон» и «Ангстрем». Что они могут сейчас?

Советский процессор 580ВМ80, аналог Intel 8080А

В апреле 2022 года правительство РФ подготовило предварительную концепцию нового нацпроекта в области радиоэлектроники. Согласно концепции, в ближайшее время планируется начать «реинжиниринг зарубежных решений и перенос их производства в РФ и Китай». Кроме того, уже в этом году РФ запустит производство техпроцесса 90 нм, а освоение 28 нм запланировано на 2030 год.

Всё это многократно обсуждалось на Хабре. Эксперты сошлись во мнении, что создать экосистему производства микроэлектроники внутри РФ — весьма нетривиальная задача, если это вообще возможно. В качестве примера разработки «с опорой на собственные силы» иногда вспоминают электронную промышленность СССР.

Производство компьютеров в СССР

ПК «Пионер» с цветным телевизором-монитором из «Истории отечественной вычислительной техники»

Не секрет, что в СССР была довольно продвинутая отрасль микроэлектроники, которая к концу 60-х годов занимало одно из первых мест в Европе и практически на равных состязалась с США. Тогда создавались собственные микропроцессорные архитектуры, выпускались компьютеры серии БЭСМ и разрабатывалось передовое системное ПО, в том числе языки программирования и операционные системы.

В 60-е годы в СССР было разработано несколько передовых продуктов даже в мировом масштабе, в том числе первая в мире гибридная интегральная схема (1962 г.), первый в мире компьютер с производительностью более 1 млн оп/с и другие.

В 1974 вышла линейка оригинальных зеленоградских микропроцессоров, мини- и микро-ЭВМ с архитектурой «Электроника НЦ», было создано пять микропроцессорных комплектов.

В мае 1981 г. в НИИ ТТ на основе К1801ВЕ1 выпустила ЭВМ индивидуального пользования «Электроника НЦ-8010», первый персональный компьютер, построенный полностью на отечественных микросхемах с отечественной архитектурой. НЦ-8010 — двухпроцессорная (2 К1801ВЕ1 — центральный процессор и процессор ввода-вывода) система с двумя программируемыми портами (64 линии связи). В качестве видеомонитора и внешнего ЗУ использовались бытовой телевизор и кассетный магнитофон.

Однако оригинальная архитектура «Электроника НЦ» не получила большого распространения. Впоследствии советская промышленность сделала ставку на единую серию ЕС ЭВМ. За основу взяли стандартную архитектуру IBM System/360.

«Под эту грандиозную программу были переориентированы многие НИИ и заводы, многим специалистам пришлось переучиваться и переквалифицироваться, в студенческие программы ВУЗов стали в основном включать вопросы структуры и архитектуры ЭВМ и ПО ЕС ЭВМ. Была создана новая технологическая база для производства интегральных схем (ИС), полупроводниковой электроники и других средств ВТ.

Как и предсказывалось, другие направления развития отечественной вычислительной техники постепенно стали сокращаться (недостаток средств, заказчиков, молодых кадров)», — из статьи «История отечественной вычислительной техники и академик А.А. Дородницын», журнал «Информационные технологии и вычислительные системы» № 1, 2001, С. 3–12

Наверное, переход на западные стандарты был неизбежен. Мировая электронная промышленность вышла на такой уровень развития, что ни одна страна в мире уже не имела возможности создавать всё самостоятельно с нуля в полной изоляции.

К концу 80-х советская микроэлектроника почти полностью отказалась от собственных микроархитектур и начала в промышленном масштабе копировать процессоры Intel.

Плата компьютера «ЕС–1841»

Советские процессоры

На заре микроэлектроники реверс-инжиниринг микроконтроллеров и других сложных технических изделий был в порядке вещей, в том числе между западными компаниями. В 70-80-е годы клонированием процессоров Intel занимался не только СССР, а вообще весь мир. Вот список компаний, которые провели реверс-инжиниринг 8080A и выпустили собственные клоны: AMD, Mitsubishi, National Semiconductor, NEC, NTE, Siemens, Signetics, Texas Instruments, Tesla (Чехословакия), а также завод в Польше.

Копирование процессоров Intel предусматривало следующие этапы:

1. Послойное сканирование процессора.
2. Изучение оригинальной документации на западное изделие, реверс-инжиниринг программного обеспечения, доработка модели.
3. Дублирование технологического процесса.

Нужно подчеркнуть: чтобы успешно воспроизвести процессоры Intel, потребовалось несколько десятилетий массивных вложений в образование, подготовку инженерных кадров, разработку оборудования и развитие инфраструктуры. То есть это была очень непростая задача, с которой всё-таки удалось успешно справиться.

КР580ВМ80А

Советским клоном Intel 8080А стал 8-битный процессор К580ИК80, который с 1986 года назывался КР580ВМ80А в соответствии с новым ГОСТ. Советское изделие отличалось от оригинала внутренней разводкой и расположением контактных площадок, то есть это не на 100% точная послойная копия Intel 8080А.

В СССР смогли изучить Intel 8080А (1974 г.) и наладить производство КР580ВМ80А всего за три года после выпуска оригинала — с 1977 года, что можно назвать феноменальным достижением по сегодняшним меркам.

Intel 8080А:

КР580ВМ80А:

Советский аналог выпускался с тактовой частотой 2–2,5 МГц по технологии производства 6 мкм (размер самых малых элементов). Процессор содержит 4758 транзисторов, реверс-инжиниринг КР580ВМ80А публиковался на Хабре в 2015 году.

оригинал 6384×5696

КР580ВМ80А разработан Киевским НИИ микроприборов под руководством А.В. Кобылинского. Вместе с ним выпускали другие аналоги, включая чипсет Intel 82xx, в том числе КР580ВГ75 (контроллер дисплея), КР580ВИ53 (таймер-счётчик + музыкальный «сопроцессор»).

КР580ВМ80А — один из самых массовых процессоров СССР.

Что характерно, отечественная промышленность занималась выпуском КР580ВМ80А аж до середины 1990-х годов. Он выпускался на НПО «Кристалл» (г. Киев, Украина) и на заводах «Днепр» (г. Херсон, Украина), «Квантор» (Тернопольская обл., Украина), «Родон» (г. Ивано-Франковск, Украина), «Квазар» (г. Киев, Украина), «Электронприбор» (г. Фрязино, Россия). На этом CPU работали многочисленные советские ПК, в том числе:

• Микро-80
• Микроша

  

• Вектор-06Ц
• Корвет ПК8010/ПК8020
• Львов ПК-01
• Партнёр 01.01
• и многие другие.

К1801ВМ1

В 1979 г. на «Ангстреме» был разработан 16-разрядный микроконтроллер (ОЭВМ) К1801ВЕ1, который на тот момент превосходил лучшие зарубежные аналоги, в том числе TMS 9940 от Texas Instruments. В 80-е годы на основе 1801ВМ1А разработано семейство домашних и учебных ЭВМ БК-0010/11М, совместимых по системе команд и частично по архитектуре с СМ ЭВМ, PDP-11 и ДВК.

К1801ВМ1 называют «совершенно оригинальной советской разработкой, не имеющей каких-то явных зарубежных прототипов» (хотя там используется система команд DEC PDP-11). На самом деле в советской микроэлектронике полностью оригинальных разработок было не так уж много: примерно по одной в Зеленограде, Минске и две на «Светлане».

Процессор К1801ВМ1 работал на частоте 3 МГц, хотя мог разгоняться и до 6 МГц, но сильно тормозился контроллером памяти и дисплея.

Флагманы советской микроэлектроники — заводы «Интеграл» (г. Минск), «Ангстрем» и «Микрон» (г. Зеленоград) — выпускали самые продвинутые ИС. Сюда направлялись по распределению талантливые выпускники ведущих инженерных вузов, в том числе лучшие программисты с факультетов прикладной математики. Эти три завода были основными производителями самых современных интегральных схем в СССР. К сожалению, самые передовые микросхемы СССР выпускались по военным заказам, а не для массового рынка.

В последующие годы промышленность СССР освоила и другие процессоры.

На этом процесс, по сути, закончился. Возможно, 80386 (образца 1988 г.) ещё смогли бы разобрать, но вот с 80486 наверняка возникли бы проблемы, он был гораздо сложнее.

Ещё немного про «Ангстрем»

Открытый в 1963 году зеленоградский «Ангстрем» стоял у истоков советской микроэлектроники. Более чем за полвека разработано более 2000 типов микросхем и полупроводниковых приборов.

Микросхема статической памяти K565РУ7 на 262 144 бита. Опытные партии (ОП) выпускались с 1986 по 1988 годы, но выход годных изделий оказался крайне мал

На «Ангстреме» в 1964 году была разработана первая серия отечественных микросхем «Тропа», которые стали основой первого бортового компьютера космического корабля для реализации лунной программы. КА «Зонд-7» в августе 1969 года совершил успешный облёт Луны и доставил на Землю первые фотоснимки Луны в хорошем разрешении.

Микросхемы «Ангстрема» использовались в космонавтике, военной промышленности, персональных компьютерах, а также в серии детских электронных игр «Ну, погоди!» (клон Nintendo EG-26 Egg):

Современные возможности

На что реально способна современная электронная промышленность России и Беларуси, которая во многом построена на советском фундаменте?

В общем каталоге продукции «Ангстрема» и каталоге «Импортозамещение ЭКБ импортного» перечислены сотни микросхем. Там утверждается, что «Ангстрем» продолжает активно разрабатывать новые электронные компоненты и ведёт ОКР в части микропроцессоров, микроконтроллеров, микросхем памяти (СОЗУ, ПЗУ, ЭППЗУ), микросхем стандартной логики и т. д.

«Микрон» может создавать и выпускать чипы по техпроцессу 90 нм на оборудовании STMicroelectronics.

Микросхема статической памяти 1663РУ1 — первая микросхема «Микрон» на 90 нм, источник

Что касается оборудования для фотолитографии, то можно посмотреть на ассортимент продукции завода «Планар» (г. Минск), в том числе:

• Оборудование для производства фотошаблонов
• Оборудование для фотолитографии

  
  Лазерный генератор изображений ЭМ-5489

• Оборудование для подготовки кристаллов к сборке
• Сборочное оборудование

Конечно, это оборудование технически уступает современным степперам ASML, которые сейчас выглядят примерно так:

Испытательный отсек для EUV-лазера в чистой комнате ASML, источник

Турбомолекулярные насосы на 30 000 RPM для создания высокого вакуума внутри степпера ASML, источник

В РФ больше десяти лет действуют производственные линии по выращиванию кристаллов кремния и распилке пластин и открываются новые производства. Уникальные разработки есть в НПО «Салют» и на других предприятиях, которые несколько лет назад заявляли о «возрождении отечественной электроники».

В многочисленных обсуждениях на Хабре сформулировали три основные проблемы отечественной электроники в нынешних условиях:

1. Нет новых технологий. Самое лучшее из рабочего это 180 нм и 90 нм с довольно плохими параметрами, по возможностям примерно как западные 130 нм.
2. У существующего оборудования довольно небольшие возможности по массовому производству и небольшой выход годных изделий. Новые заводы и оборудование даже для 130 нм вряд ли получится купить.
3. Все заводы используют импортные расходники. То есть существуют риски даже для текущего «полностью отечественного» производства. Можно предположить ухудшение параметров производства, техпроцесса и показателей по браку, стоимости.

Это главные проблемы, которые нужно решать.

Что реально освоить на отечественных заводах в ближайшие два-три года

Если оптимистично смотреть на вещи, то не всё так плохо. Некоторые микросхемы отечественные предприятия вполне могут производить на высоком технологическом уровне, например:

1. MRAM. Компания «Крокус Наноэлектроника» называет себя «первым в России производителем микроэлектроники на пластинах 300мм с проектными нормами 90/55нм по завершающему производственному циклу и магниторезистивной памяти с произвольным доступом (MRAM)». Продуктовый портфель включает RFID и микроконтроллеры, биоэлектронные чипы, MRAM и встраиваемую память, магнитные датчики для промышленной электроники, оборудования связи, автомобильной и потребительской электроники. Модули MRAM используются в смарт-картах (SIM-карты, банковские карты и т.д.) и микросхемах радиочастотной идентификации (RFID).
2. Чип-резисторы и чип-конденсаторы. Это не самые сложные компоненты, которые вполне можно производить массово и качественно на своей элементной базе: пассивные чип-компоненты, дискретные полупроводники, простые микросхемы питания.

   Производством изделий на базе простой электроники может заниматься и малый бизнес. Например, на Хабре рассказывали про компанию «Яростанмаш», которая делает отличные приборы для тестирования аккумуляторов, анализаторы и потенциостаты. А потом оказалось, что приборы промышленного качества собирает один человек, москвич Ярослав Меньшиков. Он и есть эта компания.

   Энтузиаст Алексей Надёжин (AlexeyNadezhin) запустил сайт «Электроника России и стран СНГ», где собирает примеры такого же успешного локального производства.

   Так что талантливых инженеров много, им требуются правильные стимулы, чтобы проснулась предпринимательская жилка.
   Сейчас доля российской радиоэлектроники на внутреннем рынке составляет 12%, её можно активно увеличивать.

3. Простые микроконтроллеры, как те модели на советских заводах. На более современном оборудовании можно попробовать освоить новое производство.

   Как известно, самые современные российские микроконтроллеры и CPU производились на заводах TSMC, в том числе контроллеры SSD, процессоры «Скиф», процессоры «Байкал» и «Эльбрус». Сейчас всё это остановлено. Вероятно, для выпуска этих изделий придётся искать новые производственные площадки.

Структурная трансформация. Что это такое?

Санкции на технологический импорт в РФ ещё не проявили себя в полной мере. Но последствия неизбежны, поскольку все современные производства в России — результат частичного или полного заимствования и адаптации мировых технологий, оборудования и знаний.

Главное — разрыв технологических и производственных цепочек. Когда высокотехнологичное предприятие «вынимают» из системных связей в плотно связанной мировой экономике, это грозит снижением технологического уровня производства. Аналитики Центробанка РФ пишут в официальном докладе, что восстановление экономики РФ будет происходить «на более низком технологическом уровне».

Для грядущих изменений власти используют термины вроде «структурная трансформация» и «обратная индустриализация». Известный экономист Бранко Миланович предлагает термин «регрессивное импортозамещение». Это действительно уникальное в мировой истории явление, когда технологический уклад начинает развиваться как бы «в обратную сторону».

Некоторые говорят, что структурная трансформация — не так уж и плохо. Например, отрасль микроэлектроники впервые за много лет может рассчитывать на массивные государственные инвестиции. Отечественные интеграторы и разработчики ПО не останутся без работы, если нужно перестроить информационные системы тысяч предприятий.

Но проблема в том, что чем глубже будет технологическая изоляция, тем труднее будет запустить новое высокотехнологичное производство.

---

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.