Что нам стоит периферию построить

В предыдущей статье я коротко описывал в каком состоянии находится отечественный производитель микропроцессоров, и почему. В данном материале я хотел бы продолжить данную тему и примерно обрисовать, как происходит создание периферийного устройства в вакууме.

Для примера опишу примерные шаги по производству, допустим это простой 2Д видеоадаптер, или сетевой концентратор\маршрутизатор на 1Гбит на 4 дырки, с кешем маршрутов, или секретный ускоритель для рассчётов данных поступающих по сотне другой каналов ЦАП\АЦП, с интегрированными сигнальными процессорами.

Процесс выглядит примерно так:

1. Описать устройство, цели, функции, интерфесы, условия эксплуатации, форм-фактор
2. Составить функциональную схему
3. Спроектировать логическую схему, описать что и как должно работать, выбрать инженерные решения
4. Спроектировать печатную плату
5. Подобрать электронные компоненты
6. Спроектировать корпус( для периферийной платы в PC это кусок металла с перфорацией под разъёмы, на двух винтиках, иногда корпус для Военных ЭВМ - это коробка с подогревателем, кондиционером, вентиляторами на рубиновых подшипниках и т.д., иногда сложность корпуса существенна)
7. Написать микропрограммы, для ПЛИС( если таковые имеются), и подготовить дефолтные настройки для всех устройств с энергонезависимой памятью
8. Написать software-имитаторы целевого устройства, для верификации( низкоуровневый на SystemVerilog), и для разработки софта( высокоуровневый, можно на C++ или чём угодно ). Написать драйвера, сопутствующий софт для отладки, тестирования, отбраковки.
9. Произвести печатную плату
10. Припаять все компоненты
11. Залить все прошивки, и изначальные данные в EEPROM если таковые нужны
12. Собрать готовое изделие
13. Починить все косяки без существенных переделок, иногда если не работает повторить с откатом вплоть до пунктов 4-5
14. Подготовить стенд для отбраковки и проверки изделий, научить людей это делать
15. Опытная эксплуатация, собирать отзывы, выезжать на объекты, исправлять баги, иногда выпускать Вер.2.
16. Пройти госиспытания, как правило если всё остальное ок, то это просто геморрой с архивом и документацией, на моей памяти жестких косяков на этом этапе в аппаратной части почти не было.
17. Серийное производство, поддержка

Итак первые два пункта понятны - надо посидеть подумать собрать информацию поговорить и т.п.

Остановимся на 3м пункте, в простейшем случае можно запихать всю логику в ПЛИС( если партии изделия небольшие ), если громадные, или ставим процессор, который крутит микро ОС и всё выполняет, иммитируя работу ПЛИС, но немного медленнее, либо собираем рассыпухой если возможно конечно, либо делаем свой кристал, что очень дорого. Если пихаем всё в ПЛИС, то на печатной плате будет обвязка ПЛИС, память, интерфейсы, питание, в остальных случаях сложность платы заметно возрастает.

Могу привести пример - в крупных радарах ФАР\АФАР - тысячи датчиков от которых идет аналоговый сигнал, и через АЦП попадает в ПЛИС, которая аппаратно ускоряет необходимые рассчёты( плюс их можно реконфигурировать сколько угодно раз, при необходимости), по быстродействию это позволяет обеспечить максимальный уровень производительности( круче только спец кристалл для радаров сделать ), при этом на цену ПЛИС всем насрать, ибо радары - устройства штучные, и даже с учетом цены ПЛИС, в цене готового изделия вспомогательная электроника не так заметна.

Для понимания масштаба цен ПЛИС, с минимумом логики, чтоб мониторить плату, и моргать светодиодами - 50$. ПЛИС чтобы запихать 2D видеочип, или сетевую плату 1000$, если нам нужно в ПЛИС запихать контроллер памяти DDR2\3 и много логики( как пример для ALTERA\Intel STRATIX V GX попроще) то она стоит от 3500$( в зависимости от быстродействия и количества логики ), и Industrial(которое выдерживает более злобные условия эксплуатации) исполнение вам просто так могут не продать, бывали с этим проблемы, особенно в крупных партиях.

Разработка средней периферийной печатной платы( если устройство состоит из одного модуля) труд 3 человек на протяжении 2 месяцев примерно, потом изготовление( учитывая рассыпуху ) с себестоимостью примерно 6000$ для штучных многослойных плат и до примерно 1000$ для простых. Если говорим про относительную массовость, то можно поделить на 10.

Если плата включает логику на ПЛИС нужны инженеры-разработчики на Verilog - чтобы её описать. Нужны симуляторщики, которые на С++ или аналоге напишут имитатор модуля по принципу чёрного ящику, крупными мазками, чтобы отлаживать, и писать драйвера, прикладной софт, и проч, до финальной отладки, пока инженерный образец не будет сделан и отлажен уже физически, а как будет сделан, чтобы был эталон с чем сравнивать. Нужны симуляторщики кто напишен на SystemVerilog полные тесты, с имитацией полных физических процессов, для того чтобы при заливке идеального кода в реальную ПЛИС не расплакаться. Нужны люди умеющие работать именно с ПЛИС, на всех этапах, в том числе при разработке платы и кода, нужны люди умеющие работать с осциоллографом и паяльником, чтобы чинить плату которая не работает. 

Потом как многие наверное догадались нужно немножко софта - софт для создания печатных плат( дорого 10000$+ в год цена масштабируется при росте штата сотрудников, отдельные лицензии на версию для одновременной работы над одной платой и т.д.), симуляторы для Verilog\SystemVerilog( 10000$+ также с масштабированием от одновременно обсчитываемых симуляций, даже МЦСТ ведущий разработчик может позволить себе лицензию на примерно 5 параллельных симуляций), библиотеки компонентов( если мы хотим чтобы из плис торчал USB или типа того, надо или чтобы он там физически был, или полное описание протокола на Verilog нужно будет писать самим, аналогично все остальные интерфейсы, данные описания на дороге не валяются ), лицензия на софт для ПЛИС( а вы думали достаточно просто купить микросхему за 10000$+, Ха Ха). Ещё напомню, что с первого раза платы редко получаются 100% идеальными, и будет несколько партий, но масштаб цен думаю понятен.

Также напомню, что если вы хотите реализовать какой-либо модный интерфейс - как-то PCI, PCI-Express v 1.0-3.0, USB 1.0-3.0, DRAM DDR… то нужно как минимум вступить в консорциум, и занести денежку, за сертификацию устройства, и для получения документации, купить стенд для проверки соответствия протоколу, если деньги позволяют, если вы хотите готовую реализацию в исходных кодах - то придётся заплатить гораздо более круглую сумму.

Для периферии уровня простой 2D видеоплаты, которая имеет пару выходов на мониторы, и умеет перекладывать байты в видео буфер, из своей памяти, и получать данные от ЦПУ по PCI: требуется оценочно около 50000$( лицензии куплены в притык, и параллельно делать на эти деньги что-то ещё вряд ли получится) затрат на лицензии для ПО, далее мы платим только цену компонентов, и изготовление и примерно полгода работы около 12 инженеров разработчиков, инженера-менеджера, закупщика. А если мы хотим 100% локализацию, то ещё пожалуйста заводы по производству рассыпухи заверните( резисторы, транзисторы, конденсаторы, усилители, прочие сопутствующие микросхемы, разъёмы, корпуса ).

Можно попробовать оценить суммарную цену на разработку:

При количестве итераций в районе 3, с первого раза редко что работает 100%, получим итого:

1. Весь софт 50000$
2. Зарплатный фонд, офис и т.п. - 6 месяцев * 15(человек) * 2000$(положим у всех зарплата до налогов около 2000$, т.е. после налогов будет в районе 80к), офис и  компы пусть стоят 10% от зп фонда получим 200000$.
3. Изготовление одной платы для опытных образцов, с учетом компонентов получится что-то около 2000$, если нет дорогих ПЛИС, нужно хотя бы 3 прототипа в каждой опытной партии, так как они будут ломаться, будут нужны разным отделам для тестов и т.д., итого 9 * 2000$ = 18000$ опытные образцы.

Итого получим 50000$ софт + 200000$ разрабы + 18000$ опытные образцы = 270000$ на одно не сложное периферийное устройство.

Далее поговорим о разработке интегральных схем на кремниевых кристаллах, там всё ещё интереснее.