מדוע דרוש ניהול מחזור החיים של מוליכים למחצה?

מאת: Thierry Gouvernel, E2V Semiconductor. תמצית:  מאמר זה יסקור מדוע התיישנות רכיבים מהווה בעייה עבור הממשלה והתעשייה כאחד. הוא ידגיש את הבעיות המתעוררות מהתיישנות רכיבים וכיצד הביקוש בשוק הוביל למימוש של גישה חדשה לתכנון ההתיישנות: ניהול מחזור החיים של מוליכים למחצה.

מדוע התיישנות רכיבים מהווה בעיה?
ממשלה ותעשייה כאחד חשופות לאתגר של התיישנות רכיבים. ההספקה והפיתוח של מוצרי מוליכים למחצה מודרכים בעיקר על-ידי שיקולים מסחריים, עם זמן מחזור הולך וגדל ולכן תקופות זמינות קצרות יותר של המגמה הרווחת. בשעה שפרויקטי הגנה ותעופה נהנו מהעלויות הראשוניות הנמוכות יותר של רכש מוצרים מבוססי COTS, הדבר גם גרם לסדרת בעיות משלו שיש לפתור, זו של אבטחת רכש לזמן ארוך. בהגנה, לדוגמה, פלטפורמות נשק אחדות הפועלות כיום עברו במידה ניכרת את אורך חייהם המתוכנן. ההערכה היא ש-3% מכלל הרכיבים האלקטרוניים העולמי הופך למיושן מידי חודש, ושבפרויקט הגנה ארוך-מועד, כשליש ממוצרי המוליכים למחצה הכלולים בו יהפכו למיושנים עוד בטרם התכנית אושרה כלל.
זוהי מחשבה מאוד מדכאת עבור כל מתכנן האמור לקבוע מפרטים למערכת חדשה, במיוחד אם מדובר בפרויקט צבאי או תעופתי שעשוי לדרוש שנים רבות עד למסירה והנועד להיות מבצעי במשך עשרות בשנים לאחר מכן.
זה איננו סיפור היפותטי מפחיד, הוא מתרחש בעת הזו. מקרה מאלף הוא המפציץ B-52, עבורו המתקן של e2v ב-Santa Clara (מקודם QP Semiconductor) מספק חלפים על בסיס שבועי. פלטפורמה זו נמצאת בשירות במשך מעל 50 שנה וסביר כי תמשיך לתפקד במשך 30 שנים נוספות לפחות. משמעות הדבר היא שפרויקט אשר תוכנן תחילה למחזור חיים של 30-50 שנה עשוי לגלוש למעל 80 שנה עד שיקורקע.

שימוש צבאי
חיי השירות הארוכים של מערכות צבאיות סיפקו סיבה מספיק ענפה לקדם תכניות של הספקת חלפים בעתיד הרחוק עבור ה-F-35 Joint Strike Fighter. כזה הוא קצב השינוי הטכנולוגי בהשוואה לתהליך הרבה יותר ארוך מלוח השרטוט ועד ההפעלה, כאשר רבים מהחלקים ששולבו אינטגרלית בתוך ה-F-35 יפיקו הודעות של סיום-החיים, עוד בטרם יוכנסו לשירות מלא. הציבור הרחב יופתע לדעת שרבים מהרכיבים בפלטפורמות צבאיות ממשלתיות כבר לא נמצאים בייצור עוד בטרם ראו אפילו שעה אחת של שירות פעיל.

השקפות פוליטיות
במבט רחב יותר, זוהי גם דאגה עבור המדינאים האמורים למכור ולהגן על המוניטין של המוצרים הצבאיים שלהם לאנשי תעשייה, נבחרי ציבור והציבור הרחב. האמינות והבטיחות של פלטפורמות כאלה מהוות דאגה פוליטית ברורה ומובנת. המוסך המקומי שלכם יכול לשרוד במחסור בחלקי חילוף מידי פעם; לגבי ממשלה החשיפה לבעיות הספקה תוך כדי תחזוקה של הפלטפורמות בעלות חיים ארוכים עלולה להוות אסון מדיני.
האתגר הוא לשקול עובדות חמורות אלו לעומת הקצב העולה של שינוי ופיתוח מוצרי מוליכים למחצה. סוגיה זו נדונה במסמך של משרד ההגנה האמריקאי מ-2008 על אסטרטגיה של טכנולוגיית הגנה.
נאמר בו: “ההבנה המדעית והטכנולוגיות הנובעות מידע משופר זה הולכות וגדלות בקצב גובר ומציעות מגוון רחב של פתרונות עבור סביבת איומים מתפתחת זו. תפקידנו הוא לחזות, להכין ולטפל באתגרים הבאים על-ידי התחדשות גבוהה, גמישות בגישתנו למו”פ המבוסס על מדע וטכנולוגיה הגנתית. את הדבר זה יש להשלים על-ידי ניצול מהיר כדי ליצור יתרון צבאי בקצב הולך וגובר”.

תעשיות אחרות
אם כי התיישנות הרכיבים מהווה גורם בעיקר בתעשיות התעופה וההגנה, היא גם גורם במגוון תעשיות מקצועיות דוגמת מתקנים גרעיניים, קידוחי נפט, הובלה ברכבות ואוטומציה של מפעלים. למעשה, בכל מקום בו דרושה תחזוקה של ציוד אלקטרוני למשך תקופות מאוד ארוכות
ו/או התכנון חדש והרישוי מחדש של מערכות מהווים גורם מכריע לעומת עלות הרכישה של הרכיבים עצמם.
התיישנות רכיבים היא לכן דאגה גוברת עבור התעשיות שהם משרתים, מאחר שיצרני מוליכים למחצה מוציאים מהייצור מוצרים למרות הצורך לשמור את הפלטפורמות בפעולה במשך עשורים לאחר זמני החיים המתוכננים שלהן – על אף הצורך למנוע סוגיות דוגמת העלויות הספירליות ומוצרים מזויפים החודרות לתוך שרשרת ההספקה ממקורות בלתי-מבוקרים. ניהול התיישנות מוליכים למחצה קיים בתור גישה מבוססת, אולם המציאות של התמיכה והמומחיות הזמינות מספקים רבים בשוק זה מוגבלות לכיבוי השריפות לאחר שהן פרצו, עם גישה מאולתרת בלתי-יעילה ובלתי-אמינה, תוך סיכון שמוצרים מזויפים יחדרו לשירות. זהו, במהות, תהליך המאחר את זמנו.

מדוע לתכנן לכך בעזרת תכנית ניהול מחזור חיים של המוליכים למחצה (semiconductor lifecycle management™– SLiM)?
המסקנה שהוסקה על-ידי e2v היא לממש גישה חדשה לתכנון, ייצור ותמיכה במהלך החיים של מערכות תעופתיות, הגנתיות ומסחריות בעלות מחזור חיים ארוך; במילים אחרות, להתכונן לתופעות התיישנות הרכיבים ולמתן אותן כחלק של תכנית ניהול מחזור חיים של מוליכים למחצה.
e2v מצוידת היטב כדי לבצע זאת באמצעות שילוב הידע של הצוותים ב-California, USA ו-Grenoble, France בניהולה של חטיבת פתרונות המוליכים למחצה Hi-rel. המתקן של e2v ב-Grenoble נוסד לפני 25 שנה לשם תכנון וייצור מוליכים למחצה אסטרטגיים עבור תעשיית החלל, כך שתמיכה במוצרים קריטיים במשך תקופות ארוכות היא גישה מבוססת עבורה. בנוסף, המתקן של e2v ב-Santa Clara התמקד במשך שני עשורים בייצור והנדסה מחדש של מעגלים משולבים מיושנים, בעיקר בתוך שוקי התעופה וההגנה. לאחרונה, e2v יסדה את e2v aerospace and defense inc, שמרכזו במפעל ב-Santa Clara ובעל התשתית הנחוצה כדי לטפל בתכניות תעופה והגנה מאובטחות של ארה”ב.
תכנית ה-™SLiM חדשה זו מיועדת למיתון ההתיישנות של רכיבי מוליכים למחצה עיקריים בתחילת פיתוח מוצר או מערכת (מבלי לחכות שההתיישנות תהפוך לנושא אקטואלי), תוך שהיא מציעה תמיכה במערכות קיימות הזקוקות לפיתרון להתיישנות. הגישה לניהול מחזור החיים של e2v מציעה:
• מתקני תכנון חוזר והנדסה חוזרת; בנקאות שבבים והמשכיות ההספקה במהלך החיים;
• מתקני אכסון, אריזה, בדיקה ותכנון חוזר באירופה ובאמריקה הצפונית;
• מגוון מוצרי מוליכים למחצה hi-rel (בעלי אמינות גבוהה), הכולל מיקרו-מעבדים
hi-rel, מוצרי חיבורים הדדיים של מערכות ושל MRAM, ממירי נתונים רחבי-פס וקו המוצרים QP Semi IC;
• שרשרת הספקה מאובטחת וגמישה עבור מוצרי hi-rel המגנה בפני סיכוני זיופים;
• רשימת יצרני DSCC מורשים.
עניין מיוחד עבור מהנדסי התכנון הוא בכך שבמקום לתכנן למפרטים הטובים ביותר כיום ולבחון מחדש את סוגיות ההתיישנות לאחר 10 או 20 שנה, צוות התכנון יכול לעבוד עם ספק של ™SLiM מהיום הראשון כדי לזהות את המוליכים למחצה הקריטיים ולתכנן את זמינותם הממושכת. זאת אולי תשובה פשוטה, אבל לספק על-פיה דורש כמות גדולה של ידע, יכולת מערכתית ואת הציוד כדי לאכסן, להתקין ולבדוק התקנים ואם דרוש, לתכנן אותם מחדש. דבר זה היה חסר למרבית הספקים בשוק זה מאחר שהם לא נדרשו לספק רמה זו של שירות.
בקצה השני של הסקאלה, היכולת לעבוד עם OEMs ומשתמשי מערכות לשם בחינה מחודשת של מלאי ה-LTB וכדי לנהל את ההספקה בכל תקופת החיים והעלות העתידית עבור רכיבי מפתח, היא קריטית לשם ניהול פלטפורמות קיימות. מפעילי מערכות זקוקים להספקה מאובטחת ואמינה לשם המשכיות מרבית של התכנית, דבר הגורם לצריכה מופחתת של עלויות תכנון חוזר ושל סעיפי תמחור התיישנות.

3.0 מה מציע ™SLiM?
ניתן לחלק את תכנית מקיפה של ניהול מחזור החיים של מוליכים למחצה (™SLiM) לשורה של תחומים נפרדים, שניתנים לתמיכה במלואם, או על-ידי טבילה בתחום התואם את שלב מחזור החיים של הפרויקט:

הספקת מוצרי מוליכים למחצה hi-rel
המוצרים הזמינים יהיו כמובן תלויים בחברה, אולם, אם כי זה נשמע מובן מאליו, חיוני להתבונן על תולדות ההספקה והאיכות כנגד דרישות ה-hi-rel. מאחר שקשרים אלה עשויים להימשך עשרות בשנים, חיוני להבטיח שלספק יש כל הכלים במקום כדי לשמש כשותף נאמן לטווח הארוך.

שירותי בדיקה ואריזה hi-rel
חיוני שדבר זה יכלול את התמיכה לטווח ארוך של מערכות בדיקת המערך, מאחר שהמגבלות של התמיכה העתידית הן לעתים קרובות תוצאות של ציוד בדיקה שנשלח לגרוטאות.

שירותי ניהול התיישנות מתוכננים
על ספקי ניהול מחזורי-חיים לבחון ולספק שירותי התמיכה עבור OEMs בתעופה והגנה בכל שלב של מחזור החיים של המוצר (ראה להלן):
דבר זה דורש סקירה וניהול של בעיית ההתיישנות, כימות וזיהוי סיכוני ההתיישנות, ויוביל באופן טבעי לאסטרטגיות תמחור רב-שנתיות כדי לאפשר עלות חומרים במחיר קבוע והמשכיות בהספקה, ועשוי לכלול ניהול EoL בעלות הנמוכה ביותר, ניהול עם אופציות לבנקאות שבבים ותחזוקה של יכולת אריזה ובדיקה מסורתית.

פתרונות ושירותי
EoL/DMS
הדרישה העיקרית של שלב זה היא אכסון שבבים בסביבות מאובטחות, מרובות-אתרים, עם חנקן. דבר זה חייב לכלול עקיבות (traceability) מאובטחת של השבב כדי להבטיח בעיות אישור מזעריות ולמנוע דאגות של תרמיות. אישור של QML/DSCC עבור הפעולה יבטיח גם שאין בעיות של אישורים. כאשר נדרש, תהליך בנקאות השבבים יכלול גם את ניהול המעבר לגורם יציקה חדש כאשר הדבר ניתן והמעבר המנוהל לפתרונות תכנון חוזר או מקור שני של מוצרים.

פתרונות של תכנון חוזר ומקור שני למוצרים
זהו שלב עיקרי, היכולת לתכנן מחדש כאשר מוצרים מוגמרים ומלאי שבבים מהמקור הראשוני אזלו. קשרים הדוקים עם מספר בתי-תכנון ומתקני יציקה מסורתיים רצויים כדי להרחיב את היכולות, תוך שמירה על אבטחת האריזה המסורתית ויכולת הבדיקה, בצורה אידיאלית בתוך המפעל או באמצעות שותף מאובטח. שוב, האבטחה של אישור ה-QML/DSCC עבור מוצרים מתוכננים מחדש או ממקור שני היא חיונית לשם קיום מהלך חלק של שרשרת הספקה.
חמשת השלבים הללו המוצגים בגלגל מחזור החיים לעיל כוללים כמות גדולה של פירוט מאחוריהם, אולם המפתח כאן הוא לא להיות מוצף על-ידי האפשרויות והאופציות, אלא להתמקד באזורים שיש לפנות אליהם כדי לפתור את סוגיות ההתיישנות המיוחדות. לא כל ההיבטים של שלבים אלה יידרשו בכל המצבים, וספק ה-SLiM יכול להתאים ללקוח את הרכיבים החיוניים כדי להבטיח המשכיות הספקה לטווח ארוך.

אירועים מהחיים
Freescale
e2v חתמה לאחרונה על הסכם עם Freescale Semiconductor להרחבת אורך החיים הפעיל של המיקרו-מעבדים מסדרת 68K עבור שוקי הצבא, התעופה, המסחר והתעשייה. e2v תפצל את מאגר השבבים בהתבסס על דרישות בדוקות של לקוחות כדי להבטיח הספקה שוטפת של התקנים אשר ייצורם הופסק על-ידי Freescale.
לאחר ש-Freescale תפסיק את הייצור של המעבדים 68020, 68882 ו-68C000, תיק המוצרים בעל אמינות גבוהה של e2v יורחב בגרסאות בדרגה מסחרית במארזים פלסטיים וקראמיים. בהתבסס על דרישות תחזית מעודכנות, מוצרי Freescale יישארו זמינים מ-e2v למשך 10 השנים הבאות, או יותר. למעשה, Freescale הירשתה ל-e2v לספק גרסאות בעלות אמינות גבוהה של מוצריה למשך יותר מ-25 שנים.
סידור ההרשאה של Freescale פירושו ש-e2v תבנה ותמכור את המוצרים שלה, החל ממשפחת 68K עד התקני Power Architecture בעלי ביצועים גבוהים, על-ידי רכישת שבבים והתקנים מסחריים מ-Freescale ולאחר מכן אריזתם מחדש, סיכוכם, אפיונם ובדיקתם בטמפרטורות מורחבות עבור הדרישות הצבאיות והתעופתיות.
בחודש אפריל, e2v aerospace and defense גם השיקה גרסאות מהונדסות-מחדש של המגברים ההפרשיים QP Semi QP741 ו-QP747, המיוצרים לפי תהליך דו-קוטבי כדי לשמש כחלופות מיידיות עבור ה-LM741 של National/Fairchild המשמשים ביישומים צבאיים/תעופתיים חיוניים (תחזיות שיווק מראות שהמלאים של התקנים בעלי איכות צבאית אלה יאזלו בעתיד הקרוב). במהות, e2v מרחיבה את תחום המוצרים שלה עבור מערך רחב יותר של יישומים, בהם התכנון החוזר של המערכת הוא מורכב ויקר.
מאחר שאורך החיים של פלטפורמות קיימות ומנוסות הוארך בעשרות שנים, ניהול ההתיישנות יוסיף להיות עסק מתפתח. התעשייה זקוקה לשמירה על פעולה מראש כדי לשרת במלואן את הפלטפורמות העתידיות – מבלי לשכוח את הפלטפורמות הקיימות היום.

משגר הלווינים Ariane 5
בשעה שהבעיות הכרוכות בהיעדר התיישנות או ניהול מחזור החיים גוברות אולי יחד עם העובדות של שרשרת ההספקה, העקרונות של תכנית SLiM קוהרנטית אינם חדשים; ב-1998 e2v חתמה על חוזה של 10 שנים עם Matra Marconi Space (כיום EADS-Astrium) להספקת מיקרו-מעבדים 68k עבור תכנית ה-OBC של Ariane 5. דבר זה כלל הספקה של חלקים בדרגת חלל מבנק השבבים של e2v. הלקוח נהנה מהיעדר עלויות וסיכונים של תכנון מחדש והסמכה במהלך כל חיי התכנית של 12 שנה.

סיכום
בסיכום, התיישנות מוליכים למחצה היא דאגה גוברת, בשעה שיצרנים מפסיקים את הייצור בקצב הולך וגובר בגין הצורך לשמור על פלטפורמות ותכניות פועלות במשך תקופות עוד יותר ארוכות, לעתים עשרות שנים, תוך מניעה של בעיות היעדר ההספקה והזיופים ושמירה על בקרת העלות. מידת המאמץ שיצרני ציוד ומשלבי מערכות פורסים כדי לזהות התיישנות פוטנציאלית, או לפתור סוגיות התיישנות קיימות, היא משמעותית ועולה עם הזמן. לכן e2v מאמינה שתכנית ניהול מחזור החיים של מוליכים למחצה (™SLiM) מציעה כה הרבה, כאשר העבודה המשותפת בתחילת התכנית מאפשרת לתכנן את ההתיישנות ולהעמיד במקומן מערכות ניהול מחזור חיים אמינות מבוקרות-עלות.

הכתבה נמסרה באדיבות אלקטרונדארט נציגת e2v בישראל