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.
После вскрытия — видим чип размером 4336×4730 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 — 1,83 мкм, 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:
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 ~ 21,12 мм², полезная площадь кремниевой пластины диаметром 300 мм (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$.
NRE (Non recurring engineering) — маски (2 комплекта по 400 тыс$) и оснастка — допустим 1 млн$ 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 5,1 млрд$ — расходы на R&D составили 968 млн$, и прибыль до налогов — 3.061 млрд$. В такой пропорции выручку и разделим. Безусловно, в разных продуктах все по разному, но в среднем получится где-то так:
- 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.
- 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.
- 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.
- Продажи обеспечивает не только размазывание себестоимости разработки, но и «другие расходы», сравнимые собственно с разработкой, куда включены все эти непонятные русской душе бесплатные семплы для бедных студентов (которые прямо сейчас ничего не купят), реклама, конференциии, выставки и конкурсы, и многое другое.
- 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.
