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:




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 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.
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 ~30 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.

Чип (рабочий!) на растерзание был прислан читателем из Швейцарии, пожелавшим остаться анонимным.

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