Новая архитектура транзисторов должна обеспечить дальнейший рост производительности интегральных схем и возможность перейти на более тонкие техпроцессы — вплоть до 1–2 нм.
В 2020 году компания TSMC объявила об активной разработке транзисторов нового поколения — GAAFET (Gate-All-Around Field-Effect Transistor). Поскольку «плавники» уже были неэффективны, инженеры решили порезать их на части. Так получились каналы, окруженные затвором со всех четырех сторон. Интересно, что впервые GAA-транзистор представили в 1988 году, однако до массового производства дело дойдет только в ближайшие годы.
Кольцевые затворы позволили реализовать каналы, сформированные из нескольких горизонтальных кремниевых «нанотрубок». Благодаря этому возможно преодолеть порог в 3 нм, а также существенно повысить эффективность управления транзисторами. С повышением плотности размещения удастся добиться прироста производительности и энергоэффективности.
Аналогично в 2020 году компания Samsung заявила о работе над GAAFET-транзисторами и взятии барьера в 3 нм на прототипах. Помимо этого фирма представила собственную вариацию — MBCFET. Разница в том, что используются не нанотрубки, а нанолисты. Последние предлагают лучший контроль токов, поскольку нанотрубки слишком тонкие.
У Intel эта разновидность получила название RibbonFET. Инженеры заявили, что предложат несколько вариаций с числом нанолистов от 2 до 5.
Samsung запустила в производство MBCFET (3GAE) в середине 2022 года и заявила о готовности поставок. Предполагалось, что Snapdragon 8 Gen 2 должен стать первым процессором с применением MBCFET 3нм. Однако в Qualcomm отдали предпочтение компании TSMC, выбрав 4 nm FinFET. В планах также выпуск процессора Exynos 2300 с использованием техпроцесса 3 нм и MBCFET транзисторов. Однако новостей от Samsung пока не последовало.
Таким образом, пока не выпущено ни одного массового продукта на базе GAAFET транзисторов. TSMC и Intel все еще масштабируют FinFET, но уже готовятся запускать производство новой технологии. К проблеме внедрения Gate-All-Around относится и большая стоимость создания из-за специфической структуры. Разработчики SoC пока не спешат отказываться от FinFET, с учетом того, что те предлагают вполне конкурирующую производительность и техпроцесс до 4 нм.
А что дальше?
Открыв для себя 3D-структуры, разработчики начали экспериментировать и предлагать куда более сложные архитектуры.
Например, Intel рассказал о комплементарном полевом транзисторе (CFET), предназначенном для 2,5 нм. В CFET идея состоит в том, чтобы наложить nFET и pFET структуры друг на друга. Такое «складывание» уменьшает площадь активной области ячейки и обеспечивает еще большую плотность.
Другая альтернатива — Forksheet FET, нацеленная на 2 нм. В этом исполнении структуры располагаются рядом и разделены диэлектрической стенкой. Преимущества все те же — возможность добиться куда большей плотности размещения транзисторов. Однако насколько эффективны предложенные архитектуры, предстоит только проверить.
Также IBM и Samsung работали над VTFET (Vertical Transport Field Effect Transistors). Это еще более сложная структура с вертикальным расположением транзисторов. Предполагается двойной прирост производительности или на 85 % меньшее потребление энергии, в сравнении с FinFET.
Конструкция CFET-транзистора предполагает расположение рядом друг с другом полупроводниковых элементов n-типа (pFET) и p-типа (pFET). В настоящий момент рассматривается два варианта CFET-транзисторов — монолитные (monolithic) и последовательные (sequential). Второй вариант отличается более высокой и широкой конструкцией. В правой части изображения ниже представлены четыре варианта конструкции CFET-транзисторов. Какой из них в конечном итоге выберет Intel — неизвестно. И узнаем мы это нескоро, поскольку Imec считает, что CFET-транзисторы появятся на рынке не ранее момента, когда техпроцесс производства чипов не сократится до уровня 5 ангстрем, что в свою очередь ожидается не ранее 2032 года.
Конечно, никто не исключает, что Intel не будет следовать этим временным рамкам и придёт к выпуску новых транзисторов гораздо раньше. Примечательно, что на продемонстрированном компанией изображении переход к CFET-транзисторам идёт после нанолистовых GAA-транзисторов RibbonFET, минуя разветвлённые GAA-транзисторы (forksheet GAAFET), которые рассматриваются отраслью в качестве переходного звена от нанолистов к CFET.
Однако не факт, что дойдет до практической реализации. Масштабирование ИС становится непомерно дорогим, поэтому производители все чаще прибегают к другим решениям. Например, все большую популярность набирают технологии компоновки чипов. Вместо того чтобы помещать все функции на один кристалл, предполагается разбивать устройства на более мелкие кристаллы и интегрировать их в корпус.
Насколько производительными будут будущие процессоры и видеокарты? Во многом это зависит от ключевого элемента всех сложных вычислительных блоков — транзистора. Уменьшение размеров транзистора лишь одна из тенденций, изменяется и структура. История развития и современность. Что такое Planar, FinFET и GAAFET-транзисторы?
Немного истории
Днем рождения транзистора считается 23 декабря 1947 года. Тогда Уолтер Браттейн и Джон Бардин продемонстрировали первый в мире транзистор с точечным контактом. Оба физика были членами исследовательской группы Bell Labs, искавшей новое средство усиления электрических сигналов.
В первой половине XX века для решения этой задачи инженеры-электрики полагались на вакуумные лампы, но устройства были громоздкими, хрупкими и потребляли много энергии. Руководитель Бардина и Браттейна — Уильям Шокли — предположил, что можно разработать более совершенный усилитель, используя ранее не изученные электрические свойства полупроводников.
Прошлое: вакуумные лампы и транзисторы Лилиэнфельда
Напомним, что транзистор в электронном устройстве играет роль своего рода переключателя и усилителя. Простыми словами, его основная задача — контролировать поток электрического тока и управлять им. По сути он работает как кран, контролирующий поток воды.
До появления транзисторов в электронных устройствах в качестве таких «кранов» использовались вакуумные лампы и механические реле. Они имели существенные недостатки с точки зрения размеров, энергопотребления и надежности.
Самыми распространенными типами вакуумных ламп в те времена были триоды, тетроды и пентоды.
Предок вакуумных ламп — диод — был изобретен в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом. Затем в 1906 году доктор Ли де Форест изобрел «аудион», название которого было составлено из слов «audio» и «ion». Он обнаружил, что сетка из тонкой проволоки, помещенная между нитью накала и металлической пластиной в вакуумной лампе, может управлять потоком электронов, идущих между нитью накала и пластиной.
слева диод Флеминга, справа аудион де Фореста
Название «аудион» намекало на то, что устройство обнаруживало радиосигналы, служило выпрямителем (устройством, преобразующим переменный ток в постоянный) и было первым исключительно электронным компонентом, позволяющим усиливать электромагнитные сигналы. Именно способность усиливать сигналы отличала изобретение де Фореста от диода Флеминга.
Созданная в 1911 году и официально ставшая дочерней компанией AT&T в 1925 году, Bell Labs добилась первого крупного успеха в 1912 году, усовершенствовав вакуумные лампы, первоначально изобретенные Ли де Форестом в 1906 году.
Тетроды и пентоды, разработанные позднее, содержали дополнительные элементы для устранения недостатков триодов (аудионов). Тетроды имели четыре электрода, а пентоды — пять, что повышало их эффективность в различных приложениях.
Вакуумные лампы использовались в первых телефонных усилителях и позволили провести первую телефонную линию между Нью-Йорком и Сан-Франциско. В 1915 году в Арлингтоне, штат Вирджиния, инженеры-телефонисты соединили 500 вакуумных ламп, чтобы сгенерировать достаточную мощность для передачи человеческого голоса через Атлантику.
Лампы использовались для создания телевизоров, радаров, радио и рентгеновских аппаратов.
В самолете Б-29 вакуумные лампы отвечали за полет самолета, его курс и использовались в компьютерной системе наведения. От ламп зависело все электрооборудование, они выступали в качестве выключателей и усилителей для обогревателей, инструментов, радиоаппаратуры и двигателей.
При этом вакуумные лампы были непрочными, потребляли энергию, выделяли тепло и быстро перегорали, требуя серьезного обслуживания. Все это могло привести к поломке того устройства, где они использовались. Также для разогрева вакуумных ламп требовалось много времени, что было критично, если лампы служили, например, усилителями в судовом оборудовании для предупреждения торпедного удара. Неудивительно, что активно велись поиски более надежной и быстродействующей альтернативы вакуумным лампам.
Заменой вакуумной лампе могло стать нечто твердое и прочное.
Несмотря на то, что авторство транзистров закреплено за Бардином, Браттейном и Шокли из Bell Telephone Laboratories, идея впервые была высказана еще в 1920-х годах физиком австро-венгерского происхождения Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом.
Хотя Лилиенфельд и запатентовал эту концепцию, практическая реализация при его жизни не состоялась. Его изобретение, известное как транзистор Лилиенфельда, использовало принцип полевого эффекта для управления протеканием тока между двумя электродами. Однако из-за технологических ограничений того времени транзисторы Лилиенфельда так и не были созданы в виде функциональных устройств — до производства высококачественных полупроводниковых материалов оставалось еще несколько десятилетий.
В первых патентных заявках от 1925 и 1926 годов Лилиенфельд заявлял, что его твердотельный усилитель «относится к методу и устройству для управления протеканием электрического тока между двумя клеммами электропроводящего твердого тела путем установления третьего потенциала между этими клеммами».
В новой заявке 1928 года он уже более четко сформулировал свои цели: «создание простого, компактного и надежного устройства, которое при этом должно быть недорогим в изготовлении». Лилиенфельд утверждал, что его новое устройство «[может] работать в условиях гораздо более низкого напряжения, чем раньше».
Но как было сказано, технологии его эпохи еще не были готовы реализовать весь потенциал новаторских идей, и патенты прошли незамеченными. Однако идеи Лилиенфельда воплотили в себе принципы работы современного полевого транзистора (FET).
Уже потом, в 1988 году, Джон Бардин, выступая в Американском институте физики, признает заслугу Лилиенфельда в его работах по созданию полупроводникового усилителя. По словам самого Бардина, «у Лилиенфельда была базовая концепция управления током в полупроводнике для создания усилительного устройства. Потребовалось много лет, чтобы воплотить его мечту в реальность».
Попытки создать твердотельный усилитель предпринимались и в СССР. В 1922 году Олег Лосев приблизился к изобретению транзистора — он разработал первый двухтерминальный полупроводниковый прибор. Однако дальнейших исследований это изобретение не повлекло — устройство было нестабильно, а сама физика явления не до конца понятна.
Исследования в Bell Labs
За несколько лет до Второй мировой войны в Bell Labs начали проводить исследования полупроводников. Ученые изучали поведение кристаллов германия в попытках найти замену вакуумным лампам.
Исходя из этого, директор по исследованиям Мервин Келли определил приоритетное направление для исследований: изучение потенциала полупроводников. При этом физика полупроводников в то время была зарождающейся областью. Несмотря на то, что полупроводники уже использовались в некоторых электронных устройствах — радио и радарах — их было трудно производить, а теоретические знания об их внутреннем функционировании были ограничены. Квантовая физика же позволяла понять поведение полупроводников, но на очень ограниченном типе — оксиде меди.
В 1936 году Келли решил нанять докторов физики, в частности будущего нобелевского лауреата Уильяма Шокли. В Bell Labs был организован семинар, на котором рассказывалось о квантовой физике. Среди ученых был и Уолтер Браттейн.
Группа исследователей провела первую серию экспериментов, в которых пыталась воссоздать структуру вакуумных ламп в полупроводнике. Первая попытка с оксидом меди в 1939 году оказалась неудачной.
При этом в 1939 году было сделано одно из самых важных открытий — что типом проводимости полупроводника можно управлять с помощью легирования, то есть добавления небольшого количества примесей. Именно тогда полупроводники из разряда «грязи и бардака», как назвал их Паули в 1931 году, перешли в разряд божественных электронных материалов.
Тем временем началась Вторая мировая война, и исследования были отложены до лучших времен. Однако Bell Labs оказалась вовлечена в проект, который окажет огромное влияние на область полупроводников: RADAR. Для радаров было нецелесообразно использовать вакуумные лампы из-за их размера и хрупкости, поэтому их заменяли на полупроводники — германиевые и кремниевые. Для этого в Bell Labs были разработаны новые полупроводниковые диоды для выпрямления входящих коротковолновых сигналов радара.
После войны исследования в области физики твердого тела продолжились. В апреле 1945 года вернувшиеся с военной службы Шокли и Браттейн снова экспериментируют с новой конструкцией, основанной на так называемом «эффекте поля». Эксперименты с треском проваливаются.
Мервин Келли тем временем решает создать междисциплинарную группу для изучения физики твердого тела, основываясь на опыте проекта RADAR. В группу под руководством Шокли вошли исследователи, теоретики, химики, электронщики и т. д. Цель была простой: разработать усилитель на полупроводниках для применения в телефонной сети AT&T. Исследования были сосредоточены на германии и кремнии, которые показали свой потенциал во время войны.
В октябре 1945 года к команде присоединился Джон Бардин, только что защитивший докторскую диссертацию по квантовой физике. Шокли попросил его проверить правильность своих расчетов, чтобы понять неудачу апрельских экспериментов с Браттейном.
Бардин подтвердил расчеты и предположил, что неудача может быть вызвана эффектом «поверхностных состояний», который «задерживает» электрон на поверхности материала.
В ноябре 1947 года Бардин и Браттейн подтверждают эффект поверхностных состояний и показывают, как преодолеть его с помощью электролита. Это, по мнению Шокли, знаменует начало «волшебного месяца», который и приведет в конечном итоге к изобретению транзистора.
Транзистор с точечным контактом Бардина и Браттейна, 1947 г.
В декабре после очередной серии экспериментов Бардин предлагает перейти от кремния к так называемому «германию с высоким обратным напряжением». Бардин и Браттейн продолжают свои испытания с различными конфигурациями вплоть до декабря 1947 года, когда им наконец удалось получить значительное усиление.
Так появился первый транзистор, названный «транзистором с точечным контактом».
Но разумеется, дело на этом не закончилось — устройство было лишь прототипом, далеким от рабочего транзистора. Далее работа пошла в двух направлениях.
Была создана группа «фундаментальных разработок» под руководством Джека Мортона для создания рабочего устройства на основе декабрьского эксперимента Бардина и Браттейна.
Шокли же, раздосадованный тем, что не стал одним из изобретателей нового устройства, решил продолжить исследования усиления в полупроводниках на базе другой конструкции.
В январе 1948 года он предлагает новую конструкцию: транзистор с n-p-n структурой. Это был первый действующий биполярный транзистор.
Исследуя работу транзистора с точечным контактом, Джон Шайв, член группы полупроводников, решил испытать конструкцию, в которой два контакта располагались бы не рядом друг с другом, а по обе стороны от полупроводника. К его большому удивлению, это сработало.
Это подтвердило идею Шокли о возможности создания транзистора с переходом, которую он до сих пор держал в секрете от остальных членов команды. Позже Шокли признался, что работа команды представляла собой «смесь сотрудничества и конкуренции». Он также признал, что скрывал некоторые свои наработки, пока эксперименты Шайва не вынудили его открыться.
Интересно, что когда Bell Labs подавало заявку на патент, то выяснилось, что патент 1930 года Джулиуса Лилиенфельда, о котором шла речь выше, практически полностью совпадал с оригинальной идеей Шокли. А вот транзистор Бардина и Браттейна имел другую конструкцию. По этой причине Bell Labs подали заявку именно на транзистор Бардина и Браттейна. Шокли был раздосадован, поскольку хотел, чтобы в качестве изобретателя транзистора указали только его. Все это усилило напряжение и в без того холодных отношениях Шокли с его коллегами.
Fairchild Semiconductor
В 1953 году Шокли покинул Bell Labs, поскольку чувствовал себя обделенным в вопросах продвижения по службе и признания. Он вернулся в Калифорнию, устроился в Калтех, заключил сделку с профессором Калтеха и предпринимателем в сфере высоких технологий Арнольдом Бекманом и в 1955 году основал собственную фирму — Shockley Transistor Laboratory.
Поначалу Шокли думал, что ему удастся переманить инженеров из Bell Labs, однако никто из его бывших коллег не захотел с ним работать. В итоге ему все же удалось собрать отличную команду молодых ученых и инженеров, заманив их солнечной калифорнийской погодой. Шокли пообещал новым сотрудникам, что они будут разрабатывать «Святой Грааль» — кремниевый транзистор.
Роберт Нойс, один из изобретателей интегральной схемы и будущий основатель Intel, вспоминал про Шокли: «Я думал, что разговариваю с Богом».
Транзистор с точечным контактом имел весьма ограниченное применение, в основном в военной сфере. А вот биполярный транзистор Шокли, напротив, становится основой электронной революции.
В декабре 1956 года Шокли получил Нобелевскую премию по физике за изобретение транзистора. А тем временем недовольство сотрудников его стилем руководства росло — Шокли считали авторитарным и параноидальным.
Кроме того, ключевые сотрудники считали, что компании следует заняться более насущными возможностями производства кремниевых транзисторов, а не сложным четырехслойным p-n-p-n диодом, который Шокли придумал еще в Bell Labs для применения в телефонной коммутации.
По своим каналам в Bell Labs Шокли узнал, что Western Electric, производственное подразделение Bell System, предварительно планировало использовать подобные диоды для коммутации, и это могло стать первым большим рынком для полупроводников.
8 декабря 1956 года группа сотрудников Шокли написала Бекману письмо с описанием невыносимых условий труда: «Пожалуйста, срочно помогите нам!». Письмо было подписано старшими членами технического персонала. Через два дня Бекман встретился с командой — их предложение заключалось в следующем:
сосредоточить разработки только на биполярном кремниевом транзисторе;
назначить нового руководителя;
Шокли должен занять должность в Стэнфорде, быть техническим консультантом компании, но больше не руководить ею.
Однако после обсуждений с Шокли Бекман решил ничего не менять — авторитет Нобелевского лауреата, возглавляющего компанию, был слишком велик.
В результате восемь ключевых сотрудников STL, ставшие затем известными как «Вероломная восьмерка», обратились к Шерману Фэйрчайлду, который руководил Fairchild Camera and Instrument. Его компания занималась исследованиями в области камер и спутников и тесно сотрудничала с военными и Министерством обороны США.
19 сентября 1957 года «Восьмерка» подписала соглашение о создании корпорации Fairchild Semiconductor (FSC) по адресу 844 South Charleston Road. Можно сказать, что в этот день родилась Кремниевая долина.
Вскоре в Fairchild Semiconductor перешли и другие сотрудники Шокли — от техников до докторов наук. В течение следующего десятилетия Fairchild превратилась в одну из самых важных и инновационных компаний в полупроводниковой промышленности, заложив технологические и культурные основы Кремниевой долины и выделив десятки новых высокотехнологичных стартапов, включая Advanced Micro Devices (AMD) и Intel.
Шокли тем временем продолжил работу над своим четырехслойным диодом, и хотя его фирма в итоге не стала прибыльной, он навсегда вошел в историю как человек, который «принес кремний в Долину».
Его компания SSL стала отличным стартом для будущих лидеров полупроводниковой промышленности — Fairchild Semiconductor.
В 1960 году Бекман продал SSL корпорации Clevite. Шокли стал профессором электротехники и прикладных наук в Стэнфордском университете.
Европа изобретает транзистор
Важно отметить, что транзистор, как и многие другие изобретения — это результат работы множества людей и продукт своей эпохи. Новаторские открытия многих поколений ученых привели в конечном счете к производству полупроводникового материала, а затем и транзистора.
В Bell Labs изобретению транзистора способствовали новые методы управления исследованиями, разработанные в рамках крупных проектов Второй мировой войны. И во многом это заслуга Мервина Келли, который создал междисциплинарную исследовательскую группы по полупроводникам под руководством Шокли.
Сам Шокли вспоминал:
«Ключевой стимул, побудивший меня задуматься о транзисторах, исходил от доктора Келли, который в то время был директором по исследованиям в BL. Эту должность он занимал до того, как стал президентом несколько лет спустя.
Доктор Келли посетил меня, чтобы подчеркнуть свою цель — внедрить электронную коммутацию в телефонную систему. Он сказал, что с нетерпением ждет, когда металлические контакты, которые использовались на телефонных станциях для установления соединений при наборе номеров, будут заменены электронными устройствами.
Его интерес к поставленным целям был очень велик. Он так ярко подчеркнул их важность, что это произвело на меня неизгладимое впечатление».
Основной теоретический вклад в квантовую механику и физику твердого тела, без которого транзистор не состоялся бы, был сделан в Европе. Кроме того, в начале Второй мировой войны британская секретная радарная программа была более продвинутой, чем американская, пока обе страны не начали сотрудничать. Но важной причиной изобретения транзистора именно в США в 1947 году было то, что Европа была разрушена войной.
При этом в Европе тоже заявляли на авторство транзистора.
В 1948 два физика из немецкой радарной программы, Герберт Матаре и Генрих Велькер, утверждали, что, работая в лаборатории французской компании F&S Westinghouse, расположенной в окрестностях Парижа, изобрели поразительно похожее полупроводниковое устройство, которое назвали транзистроном.
Поскольку французские инженеры не обладали знаниями в области физики твердого тела и радарных технологий, компания наняла двух немецких ученых, известных своим опытом работы в военное время.
Матаре и Велькер проводили эксперименты около трех лет. В 1946 году Westinghouse подписала контракт с Министерством почт, телеграфов и телефонов. Правительство намеревалось модернизировать свою телекоммуникационную систему и хотело получить национальные поставки полупроводниковых ретрансляторов, которые могли бы заменить вакуумные ламповые реле в телефонии. Военные нуждались в полупроводниковых диодах для использования в качестве выпрямителей в радарах.
В 1947 году Матаре начал исследовать странное явление под названием «интерференция», которое во время войны наблюдал в германиевых выпрямителях. Если два точечных контакта находились на достаточно близком расстоянии, в пределах 100 микрометров друг от друга, потенциал на одном из них мог влиять на ток, протекающий через другой. Похожую ситуацию наблюдали Бардин и Браттейн.
В 1948 году в результате дальнейших экспериментов Матаре добился спорадического усиления электрических сигналов. К июню этого года вместе с Велькером он получил устойчивые, воспроизводимые результаты, используя более чистые образцы германия. Но месяц спустя исследователи узнали удивительную новость — Bell Labs только что изобрела аналогичный полупроводниковый усилитель. Тогда компания Westinghouse поспешила запустить в производство свое устройство под названием «транзистрон», чтобы отличать его от американского аналога.
К середине 1949 года были выпущены тысячи таких устройств. Они использовались в качестве усилителей во французской телефонной системе. Спустя время громоздкие устройства с точечным контактом были вытеснены транзистором с переходом.
Матаре вернулся в Германию и в 1952 году стал одним из основателей компании Intermetall по производству диодов и транзисторов. Велькер перешел на работу в Siemens, став в итоге директором по исследованиям.
Матаре вспоминал, что в 1950 году его парижскую лабораторию посетил Уильям Шокли и увидел использование транзистрона. Был сделан телефонный звонок, в ходе которого транзисторные ретрансляторы по сети передали голосовой сигнал в Алжир.
«Я не хочу ничего отнимать у Bell Labs. Я был поражен их работой. Нобелевские лауреаты из Bell Labs — Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли — они были великолепны!» — признавал Матаре.
Эволюция производства и уменьшение размера
А что было дальше?
Первые транзисторы были длиной в сантиметр, а уже к концу 1950-х годов их размеры измерялись миллиметрами.
Изобретение интегральной схемы в 1958 году позволило уменьшить размер транзисторов до субмикронного уровня: менее миллионной доли метра.
Соучредитель компании Fairchild Роберт Нойс придумал использовать металлический алюминий, нанесенный поверх слоя Эрни, для избирательного соединения транзисторов, резисторов и других компонентов на кремниевой подложке — так была создана интегральная электронная схема (ИС). В марте 1961 года Fairchild представила свою первую ИС, или микрочип, — цифровую логическую функцию, состоящую всего из четырех транзисторов и пяти резисторов.
Компания также изобрела ряд дополнительных транзисторов, в том числе MOSFET или MOS-транзистор.
В середине 1950-х годов последовало несколько знаковых открытий и продуктов:
26 января 1954 года Bell Labs разработала первый рабочий кремниевый транзистор.
В конце 1954 года компания Texas Instruments создала первый коммерческий кремниевый транзистор.
В октябре 1954 года был выпущен первый транзисторный радиоприемник Regency TR-1.
В 1957 году был выпущен первый массовый транзисторный радиоприемник Sony TR-63. Он разошелся тиражом семь миллионов экземпляров, что привело к массовому распространению транзисторных радиоприемников на рынке в конце 1950-х и начале 1960-х годов.
К 1960-м годам транзисторная технология стала доминирующей технологической силой. Устаревшие вакуумные лампы были вытеснены.
В 1965 году Гордон Мур предсказал, что количество транзисторов в микрочипах будет удваиваться каждые два года. Закон Мура определяет линейную зависимость плотности транзисторов от времени. В 1970 году в микросхемах было около 2000 транзисторов. С 1971 года плотность транзисторов в логических схемах увеличилась более чем в 600 000 раз.
Венцом всех этих усилий стала возможность интегрировать миллионы и даже миллиарды транзисторов в одну из самых сложных систем на планете: процессоры.
Например, в процессорах современных смартфонов используется в среднем 10 миллиардов транзисторов — число, которое было бы немыслимо для Бардина, Браттейна и Шокли.
Интегральные схемы, разработанные в 1960-х годах, использовали традиционную планарную структуру для создания базовых цифровых схем
Однако в последующие десятилетия промышленность начала переходить на новую архитектуру: в 2011 году появились транзисторы FinFET (fin field effect), а с 2017 года началась разработка GAA (gate-all-around).
GAA — очень важная технология, поскольку позволяет транзисторам проводить больший ток при сохранении относительно небольшого размера: так, производительность повысится на 25%, а энергопотребление снизится на 50%. В случае с finFET оба показателя находятся в диапазоне от 15 до 20%.
Стремление уменьшить транзисторы связано с одним простым правилом — чем их больше, тем выше производительность микросхемы. В современных процессорах насчитывается больше 10 миллиардов транзисторов и это число постепенно увеличивается.
Planar FET
Планарный транзистор долгое время был основой — приблизительно до 2012 года. Структура достаточно простая — вокруг истока и стока находится область n-проводимости, сформированная внесением в кремний соответствующих примесей. Подложка изначально имеет p-проводимость. Затвор — это управляющий элемент. Подавая на него определенный потенциал, вы можете контролировать ток, протекающий от истока к стоку.
Представьте себе водопроводную трубу. Затвор — это своеобразный вентиль, которым вы можете регулировать ширину канала. По мере совершенствования оборудования транзисторы Planar FET уменьшались в размерах без каких-либо проблем. Однако дойдя до 22 нм, инженеры столкнулась с несколькими сложностями.
Уменьшение длины затвора приводило к тому, что канал становился слишком тонким. Как итог — самопроизвольное туннелирование электронов от истока к стоку. Проще говоря, даже при закрытом кране у вас все равно была утечка. Дополнительно из-за уменьшения площади затвора падала и эффективность управления каналом. Транзистор переставал быть контролируемым.
Фактически, известный закон Мура должен был умереть — уменьшать размеры дальше было просто невозможно. Обойти это ограничение сумели изменением архитектуры самого транзистора.
FinFET
Решение нашлось в переходе от 2D к 3D структуре. Проблемой планарных транзисторов был затвор, который неэффективно нависал над каналом. Инженеры решили вытянуть канал в своеобразный плавник («fin») и получить полноценную 3D структуру. Это позволило перейти на техпроцесс 22 нм и меньше. Компания Intel была первой, кто использовал технологию FinFET в 2012 на процессорах Ivy Bridge.
Что же дали на практике такие плавники? Во-первых, затвор теперь обтекает канал с трех сторон. После подачи напряжения на затвор, электроны вытягиваются из глубины к вершинам гребней, где и формируется канал. Вся активная зона располагается в верхушке плавников, поэтому утечка токов подложки минимальна.
Во-вторых, существенно повысилась эффективность управления, поскольку затвор «обволакивает» канал с трех сторон, а не с одной как это было у планарной технологии. Производители часто используют конструкции с 2–3 гребнями, что позволяет увеличить ток транзистора. Разрешение фотолитографического оборудования влияет непосредственно на шаг между гребнями.
Технология FinFET является преобладающей, первыми ее освоили три крупнейших игрока на рынке — Intel, Samsung и тайваньская TSMC. Позже — и китайская компания SMIC. Почти вся высокопроизводительная электроника использует процессоры с транзисторами FinFET.
Однако и это решение постепенно исчерпывает свой ресурс. Проблема в том, что с уменьшением затвора располагать плавники все ближе друг к другу становится проблематичным. Дополнительно приходится каждый раз все больше вытягивать гребни в высоту. Пока это удавалось делать, но технология уже исчерпывает себя на техпроцессах в 5–3 нм.
Именно поэтому ведущие игроки вроде TSMC и Samsung не только ведут исследования по масштабированию FinFET, но и работают над новой перспективной архитектурой.
Многие знают, что в России производятся процессоры «Эльбрус» и, исходя из мнений «диванных экспертов» делают ошибочные выводы о полной их непригодности. А между тем у «Эльбрусов» есть важнейшие критерии, по которым они превосходят процессоры AMD и Intel. В России есть компания МЦСТ (Московский Центр Спарк Технологий), которая занимается разработкой отечественных процессоров «Эльбрус». Их архитектура и система команд является полностью отечественной разработкой.
Многие в кавычках технические эксперты, с просторов интернета преподносят нам информацию о полной никчемности и бесполезности этих процессоров. Подходят к этому вопросу однобоко, оценивают только их производительность, и совершенно не рассматривают другие важные критерии. Ссылаясь на проведенные сравнительные тесты с устаревшими процессорами, например с одним из таких как Intel Core i7 2600, в которых «Эльбрусы» в несколько раз уступают ему по производительности, ставят крест на «Эльбрусах».
При этом абсолютно не задумываясь, что у них совершенно другое назначение, и разрабатывались они не для игры в World of Tanks. Или аргументируют свои выводы тем, что даже Сбербанк отказался от использования серверов на базе «Эльбрусов» по причине их недостаточной производительности.
И да, бесспорно, производительность у «Эльбрусов» крайне низкая, даже по сравнению с устаревшим Intel Core i7 2600. Так в чем же «Эльбрусы», учитывая, что они направлены на государственный и оборонный сектор, могут превосходить подобных монстров, как AMD и Intel?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить, какое главное требование предъявляется к вычислительным системам, которые обслуживают государственный и оборонный сектор. Этим требованием будет информационная безопасность.
Дыры в безопасности процессоров AMD и Intel
А какая может быть информационная безопасность у вычислительных систем на процессорах AMD и Intel? Правильно, никакая. Если на этапе их проектирования и производства, компании могут беспрепятственно вносить в них аппаратные закладки любого назначения. А после распространения этих процессоров по всему миру, скрытно собирать необходимые данные. Закладка – это скрытно встроенный в процессор аппаратный инструмент, при помощи которого заинтересованные лица могут получить доступ к конфиденциальным данным или к дистанционному управлению компьютером.
Кроме того у процессоров AMD и Intel имеется еще и большое количество аппаратных уязвимостей внесенных непреднамеренно, они в этом плане дырявые как решето.
Компания AMD и Intel признают наличие в своих процессорах непреднамеренных уязвимостей, и постоянно публикуют об этом отчеты. А ведь это серверный сегмент, где безопасность информации святая святых. А насколько безопасно их можно использовать в оборонной сфере? А ведь это безопасность нашего государства.
Преимущества процессоров Эльбрус
В процессорах «Эльбрус», несмотря на то, что они производятся на производственных мощностях другого государства, Тайваньской компанией TSMC, вероятность внедрения «закладок» стремится к нулю. Поскольку компании TSMC не предоставляется вся документация на процессор, предоставляется только на фотошаблон. А определить по фотошаблону и по документации на него, как взаимодействуют миллиарды транзисторов между собой невозможно. А без понимания этого, не удастся разработать и внедрить в процессор какую-либо закладку. Кроме того в «Эльбрусах» используется технология «безопасных вычислений» позволяющая выявлять ошибки в ПО, которые могут использоваться как уязвимости. Аппаратная защита процессора обнаруживает подобные ошибки и блокирует возможность их исполнения. Так же высокую информационную безопасность обеспечивает и используемая для работы с «Эльбрусами» защищенная отечественная операционная система «Альт 8СП» и архитектура процессоров E2K, корни которой идут еще из СССР.
Основным отличием архитектуры E2K от других, является то, что распараллеливание потоков в ней осуществляется программным компилятором, который делает это значительно эффективнее, чем аппаратные компиляторы других архитектур. Поддерживает эта архитектура и ОС Windows, правда только в режиме эмуляции, преобразовывая коды «на лету» и теряя при этом до 30% производительности.
Таким образом, вычислительные системы, построенные на процессорах «Эльбрус» имеют все законные основания стать самыми надежными системами по обеспечению безопасности информации. И решение о выборе систем на «Эльбрусах» или на AMD и Intel, должно зависеть от того, какие критерии у пользователя в приоритете, общая производительность или информационная безопасность.
Многие скажут, что и в технологическом плане они значительно уступают другим процессорам.
Да, в некотором роде это так, техпроцесс, по которому будет производиться перспективный процессор «Эльбрус-16С» составит только 16 нм, а техпроцесс предыдущей версии «Эльбрус-8С» составляет 28 нм, что как в первом, так и во втором случае далеко до 7 нм процессоров AMD Ryzen. Но и этот недостаток, при некоторых обстоятельствах, например как при работе процессора в условиях ионизирующего излучения, вполне свойственного для оборонной сферы, оказывается преимуществом. Дело в том, что чем меньше физические размеры транзисторов процессора, тем меньше в них атомов вещества, и тем быстрее происходит разрушение их атомарной решетки под воздействием радиации. И напротив, более крупные транзисторы будут разрушаться медленнее, и работа процессора в целом под воздействием радиации будет более длительной.
Выводы
Таким образом, результатом всего вышесказанного является вывод, что процессоры «Эльбрус» предназначены для потребителя, у которого главным приоритетом является безопасность информации. К этой категории потребителей в первую очередь можно отнести государственный и оборонный сектор. И не корректно сравнивать «Эльбрусы» с процессорами AMD, Intel и другими. Это равносильно сравнению скоростей экскаватора и легковой машины, движущихся по дороге, и то и другое движется, но решаемые задачи абсолютно разные.
Про российские процессоры «Эльбрус» знают почти все, про «Байкал» знают многие, а про процессоры «КОМДИВ» знает мало кто. А между тем процессоры «КОМДИВ» уже давно используется в космической отрасли и оборонной сфере. Где они успешно заменяют процессоры AMD, Intel и другие зарубежные аналоги.
Линейка российских процессоров «КОМДИВ» - это семейство 32 и 64-разрядных процессоров, разработанных в НИИСИ (научно-исследовательском институте системных исследований) Российской Академии наук. Они используют набор команд MIPS и собственную MIPS-совместимую оригинальную архитектуру «Комдив». Имеют встроенные системный и периферийный контроллеры, кэш-память и другие необходимые функциональные узлы. И способны за один такт выполнять одновременно несколько инструкций, то есть являются суперскалярными.
Производство 32-разрядных процессоров «КОМДИВ-32» берет свое начало еще с 1999 года. Первые процессоры производились по 500 нм техпроцессу и работали на частотах 33-50 МГц, а начиная с 2016 года, перешли на 250 нм с тактовой частотой до 125 МГц.
С 2005 года началось производство 64-разрядных процессоров «КОМДИВ-64, первые из них производились по техпроцессу 350 нм и работали на частоте 120 МГц. А начиная с 2016 года, перешли на 65 нм и увеличили частоту до 1 ГГц. Максимальное количество их ядер соответствует двум.
В 2019 году был выпущен уже 28 нм двух ядерный процессор под обозначением (1890ВМ118) работающий на частоте 1,3 ГГц и имеющий на своем «борту» встроенное 3D-видеоядро.
Процессоры «КОМДИВ» с технормами ниже 250 нм производятся, как и в случае с процессорами «Эльбрус» на производственных мощностях Тайваньской компании TSMC.
Данные процессоры являются узкоспециализированными, и в первую очередь предназначены для использования в космической отрасли и оборонной сфере. А также они решают важнейшую задачу по замещению зарубежных процессоров в этих стратегически важных сферах, требующих надежной, гарантированной безопасности информации. Естественно, что использование зарубежных процессоров создает серьезную предпосылку к утечке важной государственной информации. Поэтому замещение их на отечественные процессоры является важной государственной задачей.
Одним из основных преимуществ процессоров «КОМДИВ» является способность работать в очень широком диапазоне температур, от -60 до +125 °С. Чем не может похвастаться ни один зарубежный аналог, а уж тем более таких рабочих температур не могут предложить ни процессоры AMD, ни Intel. Такой широкий диапазон температур позволяет строить на процессорах «КОМДИВ» защищенные вычислительные системы для эксплуатации в экстремальных условиях, например, в арктическом климате. Примером такой вычислительной системы является система «Восход», в которой используется модель процессора (1809ВМ8Я).
Вычислительная система "ВОСХОД"
Отличительной особенностью вычислительной системы «Восход», да и вообще архитектуры процессоров «КОМДИВ» является способность объединять их в кластеры с общим числом ядер более тысячи. Это позволяет создавать сверхмощные системы для решения ресурсоёмких задач.
Процессоры «КОМДИВ» имеют довольно короткую длину конвейера, которая составляет 7 стадий, такой короткий конвейер обеспечивает высокое быстродействие процессоров. Дело в том, что во многих современных процессорах длина конвейера достигает 14 стадий. При прерываниях конвейер «разрушается», быстродействие процессоров при этом падает, и чем длиннее конвейер, тем сильнее падает быстродействие. Поэтому в процессорах «КОМДИВ» применяется минимально возможная длина конвейера.
Многие модели процессоров «КОМДИВ» имеют радиационную стойкость, то есть имеют высокую устойчивость к повреждениям и сбоям в работе под воздействием высоких уровней ионизирующего излучения.
Их радиационная стойкость не меньше, чем 200 крад, чего и не снилось процессорам AMD и Intel, и другим зарубежным аналогам. Используются радстойкие модели процессоров в космической отрасли, например, в бортовых компьютерах спутников «ГЛОНАСС-М».
Модель процессора «КОМДИВ-64» (1890ВМ5Ф) применяется в БЦВМ (бортовая цифровая вычислительная машина) информационно – управляющих систем современных российских истребителей Су-34 и Су-35.
Бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ) на процессоре 1809ВМ5Ф
И это лишь только некоторые примеры. А многие говорят, что в России нет своей микроэлектроники.
Работают процессоры «КОМДИВ» под управлением специализированной операционной системы «БАГЕТ» (операционная система реального времени), разработанной все тем же НИИСИ Российской Академии наук. Отличительной ее особенностью от других операционных систем, например таких, как Windows и Linux, является способность мгновенно реагировать на внешние события, а не на действия пользователя. То есть, основная область ее применения – это автоматизированные системы, которые используются и на космических спутниках, и в современных самолетах.
А для тех, кому интересно что обозначает аббревиатура «КОМДИВ», сообщаем – это «КОМпьютер Для Интенсивных Вычислений» и ничего общего с должностью командира дивизии она не имеет.
Российский ассортимент процессоров не заканчивается на процессорах «Эльбрус», «Байкал» и «Комдив». В различных сферах так же широко используются «цифровые Кентавры», процессоры «Мультикор» компании АО НПЦ «ЭЛВИС». Разбираемся, на что они способны, где применяются и почему они Кентавры. Российский ассортимент процессоров не заканчивается на процессорах «Эльбрус», «Байкал» и «Комдив». В различных сферах так же широко используются «цифровые Кентавры», процессоры «Мультикор» компании АО НПЦ «ЭЛВИС». Разбираемся, на что они способны, где применяются и почему они Кентавры.
Устройство и история развития
«Мультикор» (Muiticore) – серия многоядерных 32 и 64-битных процессоров компании АО НПЦ «ЭЛВИС» (Электронные вычислительно-информационные системы). Процессоры «Мультикор» предназначены для встраиваемых применений, их производство было начато в 2004 году по техпроцессу 250 нм с тактовой частотой 80 МГц. К 2020 году техпроцесс уменьшился до 16 нм, а тактовая частота поднялась до 1,8 ГГц. Количество процессорных ядер с 1 увеличилось до 8, и DSP-ядер до 16. Из названия «Muiticore» итак понятно, что процессоры имеют многоядерную архитектуру. В ней применяется два типа ядер: RISC и DSP. Ядра RISC используют сокращенный набор команд, благодаря чему их декодирование является достаточно простым и быстрым, что увеличивает быстродействие процессора в целом. Они выполняют функцию центрального процессора и управляют 32-битными высокопроизводительными DSP-ядрами, которые исполняют роль ускорителя-акселлератора для цифровой обработки сигналов. Аббревиатура DSP означает Digital Signal Processor – Цифровой Сигнальный Процессор.
Подобное совмещение в одном процессоре двух разных классов устройств: микроконтроллеров на базе RISC-ядер и цифровых процессоров обработки сигналов (DSP), позволяет процессору эффективно решать сразу две задачи: управления и высокоточной цифровой обработки сигналов. Диапазон рабочих температур составляет от -60 до +85°C.
Почему процессоры «Мультикор» цифровые Кентавры
Теперь поясню, что есть общего между процессором «Мультикор» и мифическим существом Кентавром, получеловеком-полуконем с буйным нравом. Ядра процессора RISC подразумевают интеллектуальную часть (человеческая голова Кентавра), она управляет DSP-ядрами (лошадиные ноги Кентавра). В результате такого совмещения (RISC-ядро + DSP-ядро) и возник этакой цифровой Кентавр, способный одновременно и интеллектуально мыслить и быстро бегать.
Область применения
Процессоры «Мультикор» применяются в различных областях: космос, связь, телекоммуникация, искусственный интеллект, навигация, промышленные компьютеры и др. Моделей процессоров не так уж и мало, их насчитывается более 30. Каждый модельный ряд предназначен для использования в определенной области.
Имеется ряд и радиационно-стойких процессоров «Мультиборт» предназначенных для космической отрасли с радиационной стойкостью не менее 300 крад, как например, у модели процессора 1892ВМ12АТ. Это даже больше, чем у процессоров «КОМДИВ».
Есть и модель энергоэффективного процессора для мобильного применения 1892ВА018 "Скиф", он же «Scythian». Он состоит из 4-х ядер CPU ARM Cortex-A53 с тактовой частой 1,8 ГГЦ, графического процессора GPU PowerVR, имеется встроенная поддержка нейросетей и шифрования благодаря двум ядрам ELcore-50 разработки НПЦ «Элвис»; навигация с поддержкой ГЛОНАСС/GPS и многое другое.
На этих процессорах планируется к концу 2022 года начать производство планшетов, в дальнейшем и смартфонов, которые смогут работать под управлением российской операционной системы (ОС) «Аврора». По утверждению руководства компании АО НПЦ «ЭЛВИС» производительность планшетов с процессором 1892ВА018 «Скиф» будет на уровне Lenovo Tab M10 Plus TB-X606F (2020) и Samsung Galaxy Tab A10.1 SM-T515 (2019).
На его предшественнике, процессоре 189ВМ14Я продемонстрирован прототип планшета, работающий под управлением ОС «Sailfish Mobile OS RUS», предшественницы ОС «Аврора».
Разработка операционной системы «Аврора»
Краткая история перерождения ОС «Sailfish Mobile OS RUS» в ОС «Аврора» такова. В 2015 году, проект развития ОС, которая называлась «Sailfish OS», перешел под крыло России. В 2016 году, после ее доработки российскими специалистами она получила название «Sailfish Mobile OS RUS» и была зарегистрирована в реестре отечественного ПО. Через два года этот проект вызвал интерес у телекоммуникационного гиганта «Ростелеком» и был им приобретен. После дальнейшего развития этой ОС, в 2019 году она получила новый бренд «Аврора» и была зарегистрирована в Роспатенте, а также прошла сертификацию в ФСТЭК и ФСБ России.
Так выглядит графическая оболочка операционной системы "Аврора"
Отличительной особенностью ОС «Аврора» является управление при помощи жестов, все действия с ОС производятся перелистыванием экрана. Распознаваемых жестов достаточно много и их нужно запоминать.
ОС содержит инструменты криптографической защиты и контроль целостности загрузчика, файловой системы и других компонентов, если их целостность будет нарушена, то устройство заблокируется. ОС «Аврора» предназначена для государственных и коммерческих организаций, у которых приоритетом является высокая информационная безопасность. Под ее управлением могут работать мобильные устройства использующие процессоры «Мультикор».
Где производятся процессоры «Мультикор»
В России производством микропроцессоров занимается компания «Микрон», и освоенный ей передовой техпроцесс на сегодняшний день составляет 90 нм. А техпроцесс 65 нм еще находится на стадии освоения. Поэтому производство части процессоров для АО НПЦ «ЭЛВИС» с топологией 90 нм и более осуществляет она. А производство процессоров с топологией менее 90 нм и некоторых моделей с топологией 90 нм и более, осуществляется на производственных мощностях Тайваньской компании TSMC.
Продукция АО НПЦ «ЭЛВИС»
Компания «ЭЛВИС» так же разрабатывает и производит функционально готовые решения. Например, такие, как системы интеллектуального наблюдения, обнаружения и отслеживания объектов, частным случаем которой является система «Перекресток», предназначенная для автоматического выявления и фиксации нарушений ПДД. Или аппаратно-программные бортовые системы управления и обработки информации космических орбитальных станций, различные модули и многие другие.
Немного фактов об АО НПЦ «ЭЛВИС»
Мало кто знает, что в 1974 году, благодаря специалистам «ЭЛВИС», при их непосредственном участии, был создан первый в СССР КМОП-микропроцессор. И что ими успешно были реализован проекты по созданию бортовых систем управления и обработки информации на космических орбитальных станциях «Салют» и «Мир», которые вполне достойно себя показали. В общей сложности специалистами «ЭЛВИС» было успешно реализовано около 200 уникальных проектов в области космической электроники. Все это говорит о достаточно высоком уровне научно-производственного потенциала АО НПЦ «ЭЛВИС» в области производства микроэлектроники.
Выводы
Процессоры «Мультикор» компании АО НПЦ «ЭЛВИС» достаточно широко используются в различных областях, начиная от космоса и заканчивая мобильными устройствами. И что у компании АО НПЦ «ЭЛВИС» есть хороший багаж опыта и знаний в области производства микроэлектроники, что дает ей хорошие перспективы в дальнейшем развитии.
...и нет, статья не унылый кликбейт, сегодня у нас действительно пойдет речь о довольно уникальном телефоне, который разработали в России специально для госслужб.
Иногда мне в руки попадают весьма интересные и диковинные гаджеты, порой выпускающиеся в тысячных, а то и штучных экземплярах. Когда мне предложили простенькую раскладушку, с виду точь в точь повторяющую Samsung C3520, я сначала подумал что это бюджетный китайский новодельный телефон. Однако, когда я увидел, что же у него находится под аккумулятором, я понял что с ним всё не так просто и решил его разобрать. Моему удивлению не было предела, так что если и вам интересно — добро пожаловать под кат!
❯ Предисловие
Пожалуй, сразу стоит расставить точки над i, дабы не привлечь на свою голову проблем, поскольку телефон действительно предназначается для использования в спец. службах. Заранее скажу, что статья несет исключительно познавательный характер. Телефон в статье списан в утиль, на нем нет никаких чувствительных данных и его можно назвать нерабочим — ну это так, на всякий случай :)
Как две капли воды...
Недавно мне написал подписчик, который пожелал остаться анонимным и предложил подарить весьма интересные девайсы, среди которых была легендарная нокла TV E72 с телевизором, китайская нокла-сонерик, красивый корпус для PSP и некий телефон Маском Н2. Сначала я подумал что это просто очень дешевый китайский телефон на стандартной медиатековской или спредтрумовской платформе, коих сегодня на рынке десятки тысяч, однако когда мне скинули фотографию что у него находится под задней крышкой, то я сразу понял, что аппарат не так прост, как кажется.
Я сразу же заметил внешний GSM-радиомодуль Telit GE866-Quad в корпусе LGA, который был припаян "бутербродным" способом на основную плату. Модуль является родственным SIM800, который в узких кругах embedded-разработчиков известен как очень популярное решение для добавления поддержки GSM в своё устройство. Однако сам по себе такой радиомодуль обычно не может выполнять полноценные функции телефона: обрабатывать ввод с кнопок, выводить картинку на дисплей или, например, заряжать аккумулятор. Поэтому в паре с ним должен быть микроконтроллер или в контексте конкретного этого телефона — центральный процессор.
Дабы разобраться, почему этот телефон представляет гиковский интерес, давайте посмотрим на схему типичного бюджетного кнопочника. В нулевых годах, мобильный телефон был достаточно сложным устройством с большим количеством различных чипов, каждый из которых выполнял свою функцию. Даже в такой с виду простой звонилке, как Nokia 1100, под капотом скрывается сложный контроллер питания UEM, полноценная ARM-система на кристалле UPP со своей оперативной и флэш-памятью, а также радиотракт от компании Infineon. Почти каждый производитель телефонов писал свою собственную прошивку с нуля с разным набором фич — в одних были просто функции "звонилки", в других можно было запускать Java-приложения, а в третьих телефоны могли рисовать 3D-графику в реальном времени без какого-либо GPU!
UEM в Nokia 1100
В наше время высоких технологий стало возможным реализовать целый телефон на одной-единственной системе на кристалле, где в одном чипе есть всё — и зарядка, и формирование напряжений, и радиомодуль, и центральный процессор, что удешевило серийные телефоны до цены буквально в 1.000 рублей. Но вот незадача, с удешевлением урезался и функционал устройств. Большинство таких телефонов работает на одной и той же прошивке с минорными изменениями, они ничем друг от друга не отличаются и на них даже нельзя установить сторонние программы! Большинство современных кнопочных телефонов построены на базе одной и той же платформы — MediaTek MT626x или Unisoc SC65xx для 2G/SC9xxx для LTE.
И тут, как гром среди ясного неба, некая компания Маском выпускает Телефон-Н2, сертифицированный для использования в госслужбах и ФСБ. На закрытых заседаниях обычные телефоны использовать нельзя из-за всяких допусков, секретностей и тому подобного, поэтому дабы исключить возможные закладки от производителей в виде скрытой отправки СМС, производитель решил разработать свою собственную прошивку для телефона и более того, построить сам телефон на базе очень нестандартной для серийного устройства аппаратной платформе.
❯ Что в коробке?
Телефон поставляется в картонной коробке на манер изделий времен СССР: простейший дизайн, сертификационный номер, а также серийный, который исчисляется в тысячах. На всякий случай, "серийник" своего устройства я замазал.
Внутри лежит сам телефон, подсказка о том, как пользоваться сим-лотком, сертификация ОКБ а также довольно объёмная инструкция-талмуд которую даже интересно полистать — она сильно отличается от других серийных телефонов. Забавно что несмотря на подсказку, сим-лоток всё же умудрились сломать — это и стало причиной списания телефона в утиль и выбрасывания на свалку (а затем и попадания ко мне).
В талмуде описана некая интересная фича от прослушки — если телефон открыт и светодиод не горит, то микрофон подключен к радиотракту, если закрыт, то физически отключается. Фишка, без шуток, довольно классная и была бы актуальна на Android-смартфонах с умными чехлами!
Хотя в инструкции и запрещена разборка устройства, мы говорим о списанном девайсе который уже ушел "на металл".
Сам телефон, как я уже говорил в начале статьи, внешне — точная копия Samsung C3520. Оригинальный телефон вышел в 2011 году и работал на аппаратной платформе от компании Broadcom с проприетарной оболочкой Samsung.
Однако его корпус по каким-то причинам стал очень популярным у китайцев и в нём выпускались бюджетные кнопочники, не имеющие ничего общего с оригиналом и дальше. Но конкретно Маском Н2 хоть и косит под "нонейм-китайца", на деле им не является! Давайте разберем телефон и узнаем почему!
❯ Разбираем
Разбирается телефон точно также, как и оригинал — откручиваем несколько винтиков по периметру устройства и снимаем заднюю часть корпуса. После разборки, нашему взору открывается материнская плата устройства. И сразу в глаза бросается довольно небольшая плотность монтажа элементов:
В верхней части платы у нас расположился чип зарядки литий-ионных аккумуляторов в лице классического TP4056, драйвер LCD-подсветки, предположительно линейный регулятор на 3.3В для запитывания микроконтроллера (в радиотракте есть свой собственный DC-DC, поэтому его питание можно повесить через ключ напрямую от аккумулятора), а также несколько неизвестных элементов.
А с нижней, под защитным экраном, скрывается микроконтроллер в лице STM32F427 с ARM-ядром Cortex-M3, способном работать на частоте до 180МГц, 2Мб флэш-памяти и 256Кб оперативной памяти. До этого момента я ни разу не видел, чтобы кто-то использовал микроконтроллер общего назначения в мобильном телефоне — это в целом очень диковинное решение. Обычно используют ASIC'и или полноценные системы на кристалле, но чтобы серийный телефон на STM32...
Рядом с процессором есть несколько тестпоинтов, скорее всего один из них переводит телефон в режим прошивки. Однако по софтовой части телефон я колупать не стал — думаю, сами понимаете почему.
С обратной стороны у нас расположились кнопки устройства и копирайт — плата произведена в 2019 году. Судя по информации в сети, телефон производится как минимум с 2017 года и до сих пор используется в госслужбах.
Пожалуй, насчёт конструктива и инженерных решений можно смело сказать что телефон простой как табуретка, или, например, АК-47. В телефоне фактически нет чипов в BGA-корпусе - только QFN, QFP и LGA, которые при желании можно перепаять чуть ли не советским паяльником (с хорошим флюсом, конечно-же). Все запчасти доступны в свободной продаже, обратно трассировать плату в виде схемы можно буквально за пару дней. Единственный вопрос - это прошивка, я не трогал JTAG в микроконтроллере, но думаю производитель заблокировал возможность её свободной вычитки.
Единственное потенциально больное место телефона - это TP4056, который очень любит сильно греться и сгорать при зарядке с силой тока выше 0.6-0.7А. Я не смотрел, какой резистор стоит на пине регулировки выходного тока, но судя по нагреву телефона там что-то около ~0.4А. Ну что ж, давайте соберем телефон, включим его и посмотрим что у нас здесь по программной части!
❯ Включаем
При включении телефона нас встречает логотип компании-производителя. Поскольку внешнего контроллера питания здесь нет, процессор запитан даже когда телефон полностью выключен, просто находится в режиме Deep Sleep. Так что при долговременном хранении, АКБ лучше вытащить.
Рабочий стол телефона максимально простой и визуально повторяет классический интерфейс телефонов Nokia. К сожалению, поменять обои или назначить кастомные действия на кнопки нельзя.
Главное меню телефона состоит всего из 4х-пунктов: звонки, контакты, настройки и СМС. С одной стороны всё что нужно для звонилки, с другой хочется хотя-бы "змейку" и FM-радио. А ведь если бы телефон был доступен на массовом рынке и под него можно было писать свои программы - только представьте сколько полезных приложений уже могли бы реализовать! Не уверен насчет модемов Telit, но SIMCOM точно умеет выходить в сеть и отправлять http/https-запросы. Уже это дало бы возможность реализовать клиенты мессенджеров и всякие QoL-штучки по типу прогноза погоды или RSS-ленты!
Контакты здесь самые простые: телефон и имя. Есть возможность импорта контактов с сим-карты и синхронизации с ПК, однако софта для этого в свободном доступе нет.
СМС, судя по всему, хранятся в радиомодуле и телефон каждый раз запрашивает их, показывая окно "подождите". Ну, сим-слот у нас сломан, поэтому потестить возможность отправки СМСок не выйдет!
В настройках есть самые необходимые пункты - время и дата, будильник, настройки энергосбережения, а также настройки мелодий. Полифония довольно неплохая, но мелодии очень простенькие, хоть и явно имеют знакомый мотив. Может кто-то из читателей сможет их угадать?
Видео на ютубе:
И в ВК для тех, кто не хочет включать впн:
В целом, по софтовой части телефон очень простой. Однако опять же, будь он хоть сколь-либо массовым - у него были бы довольно большие перспективы к моддинигу и разработке кастомного софта сообществом, поскольку железо здесь по меркам кнопочного телефона... вполне ничего! Разве что ОЗУ маловато...
❯ Заключение
Я понимаю, что данную статью будут читать не только мобильные гики и embedded-разработчики, которые сразу поймут в чём фишка устройства, но и просто заинтересованные в теме российских разработок читатели. Поэтому давайте подытожим нашу сегодняшнюю статью:
Программная часть телефона разработана в России (за исключением прошивки модема). Ничего удивительного в этом нет — когда-то в РФ были R&D-центры Motorola Mobility, мобильного подразделения LG и Elcoteq (крупный ODM и OEM производитель, один из подрядчиков Nokia и Siemens).
Плата телефона спроектирована и разведена в России. Насчёт производства и монтажа компонентов не уверен, но на сайте компании написано что у неё есть мощности для производства плат.
Корпус скорее всего отлит в Китае. Радиотракт, чарджер, ключи и микроконтроллер — иностранные.
То есть, можно сказать что телефон разработан примерно по такому же принципу, по какому раньше делали телефоны Sagem — закупается готовый модем (TI Calypso), пишется прошивка и на базе программно-аппаратной платформы разрабатываются конкретные модели устройств. Конечно такое крайне маловероятно, но сама концепция открытого кнопочного серийного мобильного телефона, поддающегося моддингу, была бы очень интересна сообществу гиков и любителей "простых" телефонов. Может, Маском захочет сделать гражданскую версию с возможностью разработки кастомных приложений?
Мечтай...
Если вам интересна тематика ремонта, моддинга и программирования для гаджетов прошлых лет, подписывайтесь на мой Telegram-канал "Клуб фанатов балдежа", куда я выкладываю бэкстейджи статей и видео, полезные заметки и иногда немножко щитпоста. Если вам интересны мои видео той же тематики — предлагаю подписаться на мой YouTube-канал.
Ваша искренняя реакция?
Что думаете об устройстве из статьи?
Очень важно! Разыскиваются девайсы для будущих статей!
Друзья! Для подготовки статей с разработкой самопальных игрушек под необычные устройства, объявляется розыск телефонов и консолей! В 2000-х годах, китайцы часто делали дешевые телефоны с игровым уклоном — обычно у них было подобие геймпада (джойстика) или хотя бы две кнопки с верхней части устройства, выполняющие функцию A/B, а также предустановлены эмуляторы NES/Sega. Фишка в том, что на таких телефонах можно выполнять нативный код и портировать на них новые эмуляторы, чем я и хочу заняться и написать об этом подробную статью и записать видео! Если у вас есть телефон подобного формата и вы готовы его задонатить или продать, пожалуйста напишите мне в Telegram (@monobogdan) или в комментарии. Также интересуют смартфоны-консоли на Android (на рынке РФ точно была Func Much-01), там будет контент чуточку другого формата :)
А также я ищу старые (2010-2014) подделки на брендовые смартфоны Samsung, Apple и т. п. Они зачастую работают на весьма интересных чипсетах и поддаются хорошему моддингу, парочку статей уже вышло, но у меня ещё есть идеи по их моддингу! Также может у кого-то остались самые первые смартфоны Xiaomi (серии Mi), Meizu (ещё на Exynos) или телефоны Motorola на Linux (например, EM30, RAZR V8, ROKR Z6, ROKR E2, ROKR E5, ZINE ZN5 и т.п, о них я хотел бы подготовить специальную статью и видео т. к. на самом деле они работали на очень мощных для своих лет процессорах, поддавались серьезному моддингу и были способны запустить даже Quake!). Всем большое спасибо за донаты!
А ещё я держу все свои мобилы в одной корзине при себе (в смысле, все проекты у одного облачного провайдера) — Timeweb. Потому нагло рекомендую то, чем пользуюсь сам — вэлкам:
Привет, друзья! Хочу поделиться своей недавней находкой — Клуб электроники на Пражской. Если коротко, это место, где ты реально начинаешь понимать, как работают все эти загадочные схемы, микроконтроллеры и платы, которые всегда казались чем-то из другой вселенной.
Я давно хотел попробовать что-то новое, связанное с технологиями, изучить нюансы электроники и также реализовать одну идею. Еще лет 10 назад пытался найти подобные клубы, но тогда ничего стоящего в Москве не нашел, да и сейчас такие места - это редкость. Поэтому, когда я случайно узнал о новом Клубе электроники, решил, что это мой шанс! Собрался записаться на курсы, и честно говоря, вообще не пожалел.
На первом занятии нас сразу погрузили в мир электроники: объяснили, как работают базовые компоненты, показали, как собирать простейшие схемы. А еще дали попробовать сделать свой первый проект — собрать светодиодный индикатор. Это невероятно, когда ты видишь, как твои усилия буквально начинают светиться!
Впечатлился разнообразным современным спецоборудованием: паяльные станции, генераторы сигналов, осциллографы — всё это доступно для работы. Думаю, занятия вживую именно на реальном оборудовании дают возможность закрепить знания и получить практические навыки в отличие от онлайн-обучения.
Кстати, осциллограф сначала звучал как что-то невероятно сложное, но когда преподаватели объяснили, как им пользоваться, оказалось, что это очень полезная и даже увлекательная штука. Теперь я понимаю, как визуализировать сигналы и анализировать работу схем — это действительно круто!
В клубе можно получить обширный опыт не только по электронике. Здесь есть и другие направления, такие как программирование. Например, меня научили делать таймер, который через определенное время включает или выключает устройство. Мы реализовали его двумя способами: на обычной микросхеме и на микроконтроллере. Оба варианта работают отлично, и это вдохновляет на новые проекты! Представьте, вы создаете устройство, которое может управлять, скажем, моторчиком или подсветкой — это реально интересно.
Преподаватели в клубе очень крутые. Они не просто знают, о чем говорят, но и реально могут объяснить так, чтобы ты понял. Даже если ты, как я, полный новичок, тебя всегда поддержат и направят. Народа пока ходит мало, я с позитивным впечатлением пообещал им порекламировать клуб)
Недавно спрашивал у друзей, насколько вообще популярно такое хобби, и, к моему удивлению, многие сказали, что тоже хотели бы попробовать. Это не только полезно, но и невероятно увлекательно. Когда ты понимаешь, как что-то работает, это прям поднимает уровень твоей уверенности в себе.
Если вы тоже задумывались о чем-то подобном, советую заглянуть сюда. У клуба есть сайт nb6.ru, там можно посмотреть расписание и записаться на пробное занятие. Также на Яндекс Картах можно найти отзывы. Попробуйте, возможно, это тоже станет вашим новым любимым хобби!
Пишите, кому интересно такое направление и что хотели бы создать/изобрести. Есть в ваших городах такие клубы или курсы?
