История отставания СССР от передовых стран в производстве микроэлектроники
40-70-е года
В 1947 году группой ученых США был изобретен первый транзистор, положивший начало миниатюризации электроники. В 70-х годах минимальный контролируемый размер серийно производимых микросхем составлял 2-8 микрометра, в 80-х - 0,5-2. В 1971 году вышел первый промышленный микропроцессор - Intel 4004. В нем было всего 2250 транзисторов. В 1978-м в микропроцессоре Intel 8086 было размещено 29 тысяч транзисторов на кристалле. Легендарный Pentium 4 уже включал 42 миллиона транзисторов.
Сегодня эти числа дошли до миллиардов, например в AMD Epyc Rome поместилось 39,54 миллиарда транзисторов.
Первый компьютер в Европе был создан командой ученых под руководством Сергея Лебедева из Киевского института электротехники в 1950 году. Она содержала около шести тысяч электровакуумных ламп и потребляла 15 киловатт. Машина могла выполнять около трех тысяч операций в секунду. Но даже ламповые советские ЭВМ первого поколения были сделаны с запозданием на несколько лет в сравнении с США. Знаменитая советская БЭСМ-6 второго поколения (на транзисторах) по уровню микроэлектронной элементной базы значительно уступала американской CDC 6600. В БЭСМ-6 использовались 60 тыс. германиевых транзисторов и 180 тыс. полупроводниковых диодов, а в CDC было уже 6 тыс. типовых модулей по 400 тыс. транзисторов в каждом. Причем модули CDC делались не на кристаллах германия (параметры которого сильно зависели от температуры), а на кремниевых кристаллах. Потому выход советской машины на соответствующий общий уровень производительности, близкий к американскому, был обеспечен только за счет продуманной инновационной архитектуры устройства машины.
ЭВМ БЭСМ-6
IBM 360 появилась в 1964 году. Решение о копировании было окончательно принято в 1967 году. Технический проект на советскую копию IBM 360 сформулирован в 1969 году. Первые машины-копии созданы в 1971 году, т. е. на 7 лет позже оригинала.
ЭВМ «Эльбрус-1» появилась в СССР в 1978 году и стала первой в мире ЭВМ, выполняющей две или более команд одновременно. Однако по своей производительности на уровне 12 Мфлопс (флопс - единица измерения производительности процессоров) отставал от американской машины 1975 года Cray-1 (80 Мфлопс) за счет менее совершенной электронно-компонентной базы.
Борис Бабаян рассказывает, как к ним в гости приехал Скотт Маккнили, президент фирмы Sun Microsystems:
«Он привез первый кристалл Ultra SPARC с несколькими миллионами транзисторов. Здоровый шкаф «Эльбруса-3» - это эквивалент 15 миллионов транзисторов, то есть два-три американских чипа эквивалентны большому шкафу».
ЭВМ "Эльбрус 3-1"
Справка:
Борис Бабаян - советский и российский учёный, разработчик вычислительной техники, автор трудов по архитектурным принципам построения вычислительных комплексов, компьютерного программного обеспечения. Лауреат Государственной (1974) и Ленинской (1987) премий. Первый европейский учёный, удостоенный звания Intel Fellow.
В СССР ЭВМ 4-го поколения (на микропроцессорах) начали разрабатывать в Зеленограде во второй половине 60-х годов. Специализированный вычислительный центр (СВЦ) разработал универсальный комплект микропроцессорных схем со своей оригинальной архитектурой под названием «Электроника НЦ». Однако "догнать" не получилось и Министерство электронной промышленности в 1981 году приняло решение о прекращении работ по «Электронике НЦ» и переходе к прямому копированию архитектуры машин PDP-11 фирмы DEC. Серия СМ ЭВМ (малые машины) и дальнейшие работы зеленоградцев пошли по этому пути, имея все то же запланированное отставание. Позже они стали копировать процессоры Intel.
Почти все расходы на микроэлектронику в СССР шли по линии обороны и промышленности на создание крупных вычислительных комплексов. В сфере персональных компьютеров и бытовой электроники отставание было катастрофическим.
Ситуация в 80-х годах (по данным из зарубежных источников).
В конце 1980-х годов СССР ощущал сильную нехватку микросхем со сверхбольшой степенью интеграции (СБИС - VLSI). Производство подобных компонент требует уровни точности, чистоты, сложности и миниатюризации, которые СССР не был в состоянии достичь в достаточных масштабах за пределами лабораторий и опытных производств. Выход годных компонент в СССР в 1984 году составлял около 10% (в США - более 85%). При этом советские компоненты памяти ограничивались в 64КБит в то время как в США уже серийно производили чипы в от 256КБит до 1 Мегабита.
Ввиду невозможности наладить устойчивое производство на оборудовании собственного производства, СССР продолжает искать пути закупки западного оборудования в обход санкций. Основными методами являются различные совместные предприятия, которые якобы выпускают компоненты советского дизайна для западного рынка. Основным партнером СССР в Восточной Европе является Carl Zeiss Jena, которая выпускает производственное оборудование для микроэлектроники. Carl Zeiss Jena поддерживает отношения с западными производителями и в 1988 году предприятию удалось произвести опытную партию чипов второго поколения.
В 80-х годах отставание СССР от запада в производстве СБИС растет и составляет уже 8-9 лет. СССР не будет в состоянии производить память на 256К и 1М до середины 90-х годов. Огромная для СССР проблема состоит в том, что при переходе на следующее поколение микросхем требуется замена практически всего оборудования на новое каждые 3-5 лет.
СССР продолжает производить поликремний малыми сериями на оборудовании, закупленном до объявления санкции в 1980-м году. Советские источники сообщают о низком качестве кристаллов и низком выходе качественных ИС. СССР сильно зависит от западных машин для нарезки кристаллов на пластины. Советские машины часто повреждают кристаллы ввиду повышенной вибрации и требуют частой перенастройки лезвия пилы. Попытки скопировать американские машины не увенчались успехом поскольку СССР не удалось наладить производство высокоточных резцов с алмазным напылением. СССР решил продолжать закупку резцов в США и других странах Запада, затрачивая по 100 и более тысяч долларов на каждую резательную машину. Кроме того, советскому производству приходится экономить на резцах и прорезать матрицу только на 30% глубины даже в случае продвинутых моделей СБИС. Это приводит к тому, что при разломе матрицы на отдельные компоненты для ИС многие части трескаются, сильно снижая выход годных компонент. Машины для менее продвинутых ИС режут на 70 и более процентов. Нет практического объяснения ограничения глубины кроме экономии рабочей части резца что является индикаторов сильного дефицита в СССР качественных пил для кремния. Дополнительную сложность составляет отсутствие современных САПР-систем для проектирования микросхем. Они необходимы советским инженерам для моделирования и модификации дизайна западных чипов под местные стандарты и возможности локального производства.
Советские лидеры сильно озабочены зависимостью советской микроэлектронной промышленности от западных технологий и оборудования. На XXVII-м съезде партии в феврале 1986 года Председатель Совмина Рыжков призывает больше использовать собственные разработки вместо копирования западных технологий и оборудования. Но несмотря на громкие публичные заявления СССР придется продолжать закупки западной техники, в том числе нелегальные (в обход санкций), поскольку ожидать появления собственного оборудования не приходится.
СССР остро нуждается в современных микропроцессорах для использования в радарах, системах слежения и самонаведения, спутниковой связи и любых компьютеров. Нехватка приводит к тому, что СССР выпускает новые изделия с показателями, гораздо ниже объявленных. Основной проблемой советской промышленности является неспособность произвести микропроцессоры и компоненты соответствующие западным стандартам. Импортеры советского оборудования обычно удаляют всю фабричную автоматику и заменяют ее на западную. Большинство советских контроллеров используют 8-битные процессоры в то время как мир давно перешел на 16-бит и 32-разрядные процессоры производятся серийно и используются все шире.
Американские санкции.
Еще одним очень существенным фактором советского технологического отставания в сфере микроэлектроники стал так называемый «режим КОКОМ». Началось все с американского Акта о контроле за экспортом 1949 года (The Export Control Act), введенного в начале «холодной войны». Он ограничивал американскую торговлю с «советским блоком», давая президенту США право объявлять эмбарго на поставку любых товаров. В 1951 году последовал Акт о взаимопомощи в сфере обороны (The Mutual Defence Assistance Act), который давал президенту США право уменьшить или прекратить помощь странам, которые поставляли СССР товары, находящиеся под эмбарго. В 1951 же году и был создан Координационный комитет для многостороннего контроля за экспортом (The Coordinating Committee for Multilateral Export Controls, COCOM). В него вошли все страны НАТО, кроме Исландии, и Япония. В рамках КОКОМ было введено 5 уровней контроля экспорта в СССР, а далее и в страны «советского блока». От категории, для изделий из которой требуется единогласное разрешение всех стран-участниц на выдачу лицензии на экспорт, до разрешения с возможностью пересмотра на основании предоставляемой ежемесячной статистики экспорта, когда решение принимают сами страны-экспортеры. Основной целью КОКОМ стало предотвращение продажи в «советский блок» всего необходимого для производства оружия, боеприпасов и военных систем. Вводилось и понятие «товары двойного назначения», обозначавшее, что товар или изделие могут быть использованы как в гражданских, так и в военных целях. В эту категорию с самого начала попадало большинство компьютеров.
Советская сторона в этих условиях не раздумывая дала команду своей внешней разведке воровать все, что нельзя купить.
Ситуацию вновь комментирует Борис Бабаян:
«Расчет был на то, что можно будет наворовать много матобеспечения - и наступит расцвет вычислительной техники. Этого, конечно, не произошло. Потому что после того, как все были согнаны в одно место для решения этих задач, творчество кончилось. Образно говоря, мозги начали сохнуть от совершенно нетворческой работы. Нужно было просто угадать, как сделаны западные, в действительности устаревшие, вычислительные машины. Передовой уровень известен не был, передовыми разработками не занимались, была надежда на то, что хлынет матобеспечение... Вскоре стало ясно, что матобеспечение не хлынуло, уворованные куски не подходили друг к другу, программы не работали. Все приходилось переписывать, а то, что доставали, было древнее, плохо работало. Это был оглушительный провал. Машины, которые делались в этот период, были хуже, чем машины, разрабатывавшиеся до организации ВНИИЦЭВТа. Машины с приемлемыми характеристиками ВНИИЦЭВТ стал выпускать только тогда, когда стали копировать не только систему команд, но и схемотехнику. Так, для КАМАЗа была куплена IBM-158, ее разобрали по косточкам и стали делать буквально то же самое. Это было запланированное отставание».
От СССР к России.
Советское наследие в виде хронического отставания в области электроники автоматически перешло от СССР к России. В Аналитическом вестнике Совета Федерации № 27 за 2014 год (ноябрь) фиксируется:
«Применение зарубежной электронной компонентной базы (ЭКБ) по изделиям собственного производства достигает от 5 % до 10 % для ракетной техники, от 10 % до 20 % для систем управления комплексов, от 20 % до 30 % от общей номенклатуры для систем государственного опознавания России. Электронные модули и блоки, поставляемые по кооперации, имеют показатель применения зарубежной ЭКБ до 70 %. В производстве спутников «Глонасс-М» - от 75 до 80 % западных комплектующих».
По шагу технологического процесса на производствах микросхем Россия находится сейчас на уровне 90 нм (нанометр - миллиардная часть метра). В то же время ведущие зарубежные производители уже работают с шагом 14 нм. Intel осваивает 10-нанометровый технологический процесс, фирма AMD использует для некоторых своих графических процессоров GPU уже 7-нанометровый. Тайваньская компания TSMC обеспечивает около 50% мирового рынка в производстве компонентов 28-65 нм, а в выпуске 5-10 нм чипов TSMC занимает 90% рынка.
Мировой рынок микросхем
Источники:
Состояние микроэлектроники в конце СССР
https://us-retired.livejournal.com/24712.html
Почему СССР всегда отставал от Запада в сфере электроники?
https://germanych.livejournal.com/335183.html
Отставание и зависимость России в компьютерной элементной базе
https://rossaprimavera.ru/article/otstavanie-i-zavisimost-rossii-v-kompyuternoy-elementnoy-baze
Кто и как привел советскую микроэлектронику к краху
https://vpk-news.ru/articles/61390