Содержание статьи
Ты наверняка слышал о том, что в России делают процессоры, и даже раздумывал, повод ли это для гордости или только для горькой усмешки. Но интересны ответы на другие вопросы: сколько русского в русских процессорах и на что они годны?
Intro
К теме «русского процессора» можно подходить с разных сторон, таких, например, как «показ кузькиной матери» и «наш ответ Чемберлену». В конце концов, изничтожаем же мы бульдозерами сыр с плесенью, чем импортные процессоры хуже? В топку их, пусть хрустят под цилиндрами строительных катков со всех экранов страны! Даешь российский кремний!
Это, конечно, страшный популизм. На самом деле стоит задуматься вот о чем: если зависимость российского потребителя от дорблю и маскарпоне достаточно эфемерна, то микроэлектронные компоненты сегодня в буквальном смысле повсюду. Большинство из них — зарубежного производства.
Вот вопрос на засыпку: можно ли считать сыр российским, если технологическая линия на российской сыроварне управляется импортными процессорами и контроллерами? Это плохо или ничего ужасного в этом нет? В конце концов, жили же мы десятки лет с массовыми закупками электроники. Сейчас она повсюду: помогает управлять транспортом и финансовыми потоками, производством и торговлей.
Сторонники теории заговоров говорят, что это плохо. Случись перебои с поставками ключевых кремниевых комплектующих, и важные информационные системы встанут. Или, хуже того, окажется, что в процессорах, которые рулят ответственным госуправлением, супостат разместил аппаратную или микропрограммную закладку, которая жахнет в нужный момент.
При нынешних наноразмерных техпроцессах производства чипов в них можно напихать что угодно. Для защиты от этого, конечно, существуют различные сертификационные лаборатории, которые в поте лица ищут недокументированные возможности в железе для стратегически важных систем. Но при таких проверках речь идет о математической статистике: из огромной партии выбираются для проверки лишь несколько экземпляров. Как говорится, «лучше перебдеть» и начать обеспечивать себя процессорами.
Но развитие отечественной микро- и наноэлектроники — это не только вопрос государственной безопасности. Самое важное — это вовлеченные в процесс разработки люди. Любое улучшение производительности процессора — сложнейшая многофакторная оптимизационная задача, которая требует работы высококвалифицированных инженеров, программистов и персонала фабрик. Люди, способные решать такие задачи, должны быть для государства значительно более ценным ресурсом, чем ломящиеся от сыра закрома, да простят меня сыровары.
Горы и озера
Сегодня даже далекий от ИТ человек слышал о «наших» процессорах «Эльбрус» и «Байкал» — гордости отечественного процессоростроения. А вот какие конкретно разработки кроются за этими известными названиями, знает не каждый.
За словом «Эльбрус» стоит важная историческая ветвь развития отечественной вычислительной техники: многопроцессорные вычислительные комплексы, разрабатываемые с семидесятых по девяностые годы, а также машинная (а ныне — микропроцессорная) архитектура, которая значительно отличается от существующих на массовом рынке решений. С этим названием связана целая группа компаний — МЦСТ, «ИНЭУМ им. И. С. Брука» и «Эльбрус-2000». Заодно «Эльбрус» — это торговая марка микропроцессоров и компьютеров, которые проектирует и выпускает компания МЦСТ.
Костяк модельной линейки «Эльбрусов» составляют три разновидности систем на чипе (SoC):
- «Эльбрус-2С+» — гибрид 2011 года выпуска с двумя ядрами, основанными на архитектуре ELBRUS, и четырьмя ядрами цифрового сигнального процессора (DSP — digital signal processor) Multicore, разработанными НПЦ «Элвис»;
- «Эльбрус-4С» 2013 года выпуска. Четырехъядерник на архитектуре ELBRUS;
- «Эльбрус-8С» — восьмиядерный флагман, первая партия которого была изготовлена в 2014 году, а запуск в серию происходит сейчас, в 2015-м.
Хакер #202. Скажи нет большому брату!
В этом же году должна завершиться разработка системы на чипе «Эльбрус-1С+» — развития одноядерного энергоэффективного решения «Эльбрус-1С» с интегрированным графическим ядром. Вот его спецификации: одно ядро, работающее на частоте 1 ГГц, до 25 операций в такт, кеш второго уровня 2 Мбайт, два канала DDR3-1600. Для планшетов — самое то!
В целом же роадмап «Эльбрусов» прописан до 2021 года и предусматривает появление шестнадцати- и даже тридцатидвухъядерных моделей.
Ну и поскольку «Эльбрус» — это еще и компьютеры, то в производственной линейке МЦСТ имеются микросхемы КПИ и КПИ-2 («контроллеры периферийных интерфейсов»), что в переводе с бюрократического обычно называется «южный мост».
Первая серия КПИ-2 была выпущена в 2014 году. Контроллер поддерживает SATA, USB 2.0 и Gigabit Ethernet, а также спецификацию шины PCI Express 3.0, а значит, потенциально позволит комплектовать компьютеры «Эльбрус» быстрыми видеокартами и прочей новейшей периферией.
В целом в «эльбрусостроении» виден строгий системный подход. Он направлен и на разработку архитектурных решений, и на их реализацию в кремнии, и на создание на их основе самых разных компьютеров — от многопроцессорных вычислителей до персоналок и даже портативных устройств.
Кажется, что вот он, рецепт независимости от иноземных технологий: взять архитектуру «Эльбрус», сделать на ее основе процессоры «Эльбрус» и ставить их в компьютеры «Эльбрус». Останется внедрить эту матрешку в госструктуры, министерство обороны, спецслужбы и промышленность.
Зачем же тогда Минпромторг России при участии «Ростех», «Роснано» и компании «Т-Платформы» вкладывает немалые средства в компанию «Байкал Электроникс»? Она занимается разработкой двухъядерного микропроцессора Baikal-T1, который не без гордости именуют «отечественной системой на кристалле». Своей целью разработчики «Байкала» тоже ставят создание основы отечественной аппаратной платформы — в первую очередь, конечно же, для использования в области госуправления и значимых промышленных отраслей.
Зачем искусственно создавать конкурента «Эльбрусу»? Тем более что в основе Baikal-T1 не своя, а лицензированная технология. Лицензию предоставляет нынешний владелец архитектуры MIPS — компания Imagination Technologies. Baikal-T1 построен на новеньком ядре P5600 поколения Warrior, а сами процессоры производятся на мощностях крупнейшего контрактного производителя — тайваньской компании TSMC.
Вот тут-то евангелистам и визионерам импортозамещения впору заголосить о том, что «царь-то не настоящий», то есть «Байкал» — никакой не отечественный процессор, и Imagination Technologies, равно как и TSMC, могут заложить в него недокументированные возможности.
И чтобы возразить на подобные выпады, а также заодно разобраться, что же на самом деле представляет собой рынок отечественной микроэлектроники, стоит попристальнее взглянуть на понятия «архитектура ISA», «IP-ядра» и «вафельный полуфабрикат».
От ISA к IP-ядрам. Производить или лицензировать?
Выпуск микропроцессоров в промышленных масштабах — процесс сложный и многоэтапный. И первый этап — это принятие решения о том, какой будет архитектура набора команд (ISA — Instruction Set Architecture) его ядра. По большому счету вариантов всего два: разработать эту самую ISA самостоятельно либо лицензировать ее у стороннего разработчика.
Самостоятельная разработка — это путь в неведомое с весьма непредсказуемым результатом. Слишком много факторов влияет на эффективность и жизнеспособность ISA. Просто так конкурента существующим решениям не создать — они совершенствовались и оттачивались годами.
Лицензировать ISA гораздо проще. Достаточно подыскать у имеющихся владельцев интеллектуальной собственности (IP — Intellectual Property) на ISA подходящее по функциональным параметрам решение.
Главных вариантов опять же два: CISC и RISC. Разработками на основе CISC (Complex instruction set computing) сейчас занимается почти исключительно Intel: там делают всем известные архитектуры IA-32 (она же x86) и x86-64 — они развиваются с конца семидесятых годов. Хотя, конечно же, в свое время весомый вклад в развитие CISC внесли такие компании, как IBM, Motorola, VAX, PDP, MOS и Zilog.
ISA x86 и x86-64 доступны для лицензирования. Примерами успешных и не очень лицензиатов служат компании AMD, VIA и Cyrix. Есть даже открытые реализации ISA x86 в рамках направления Open Cores, например проект Zet. Но бал правит, конечно же, Intel — это главный потребитель собственной ISA, и тягаться с ним нереально.
Другое дело — архитектура RISC (Reduced instruction set computing). Генеалогическое древо этого класса ISA более ветвистое. Стоит начать с того, что у него два корня: MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages), берущий основу от исследовательских разработок Стэнфордского университета, и Berkeley RISC — результат исследований калифорнийского университета Беркли.
У ISA MIPS в настоящее время один владелец IP — компания Imaginatiom Technologies. А вот проект Berkeley RISC породил несколько IP-веток, наиболее известные из которых — это ARM, SPARC и DEC Alpha.
INFO
Компания ARM была основа в 1990 году компаниями Acorn Computers, Apple и VLSI Technology для серийного выпуска RISC-процессоров. В 1998 году Apple прекратила выпускать наладонник Newton и продала свою долю в ARM.
Держатели IP MIPS, равно как и владельцы IP-веток Berkeley RISC, охотно лицензируют свою интеллектуальную собственность, за исключением разве что почившей в 2003 году ISA DEC Alpha. IP-ядра на основе архитектуры MIPS активно применяются в телекоммуникационной отрасли и в индустрии игровых приставок, а ISA SPARC (самый крупный лицензиат — компания Fujitsu) служит основой высокопроизводительных серверных платформ.
На IP-решениях ARM, как известно, построена львиная доля SoC для смартфонов и планшетов. Так, микропроцессоры Kirin — основа смартфонов Huawei Honor, которые выпускает HiSilicon Technologies (подразделение компании Huawei), — это сборка IP-блоков, лицензируемых у ARM (IP-ядра и графические IP-ядра), Imagination Technologies (графические IP-ядра) и Vivante (графические IP-ядра).
Лицензиатам IP отнюдь не возбраняется совершенствовать ISA, выпуская собственные расширения, которые при этом становятся новыми IP. Системы на чипе ключевых игроков рынка смартфонов и планшетов — компаний Apple и Samsung содержат лицензированные у ARM IP-блоки, дополненные собственными наработками.
Еще один хороший пример — это модельная линейка микропроцессоров Loongson, которую разрабатывают в рамках китайского плана импортозамещения — Государственной программы 863. Изначально архитектура Loongson была основана на лицензированных IP-ядрах с ISA MIPS64. Но уже третья их версия получила расширения собственной разработки, совокупность которых называется LoongISA.
С китайцами все понятно, но есть ли такие проекты у нас? Оказывается, есть! Например, та же компания МЦСТ покупает лицензию на ISA SPARC v8 и v9. Наряду с процессорами «Эльбрус» она серийно выпускает процессоры «МЦСТ» серии R (R150, R500 и R1000), которые успешно применяются в вычислительных комплексах и модулях, разрабатываемых для Министерства обороны.
НТЦ «Модуль» — производитель весьма востребованных SoC для цифровой обработки сигналов. В своих СБИС серии К1879 — основе телевизионных приставок и приемников спутникового вещания — он использует ARM1176.
НПЦ «Элвис» производит микропроцессоры «Мультиком-02», предназначенные для связных, навигационных и мультимедийных решений. Там используются IP-ядра ARM Cortex A9.
Холдинг «Рикор» выпускает серверные платформы на базе закупаемых у компании Marvell ARM-процессоров ARMADA XP. «Рикор» входит в консорциум OpenPower, который объединяет крупнейших разработчиков IP-решений на базе ISA Power и вычислительных систем на их основе. Существуют планы по разработке собственного микропроцессора на основе IP OpenPower. Это RISC-архитектура Power ISA, в свое время разработанная в IBM.
А что же с собственными, уникальными разработками российских производителей в области ISA-архитектур и IP-блоков? Есть и такие! И здесь снова нужно вспомнить «Эльбрус».
Базовая ISA микропроцессоров «Эльбрус», именуемая (кто бы мог подумать!) ELBRUS (ExpLicit Basic Resources Utilization Scheduling, «явное планирование использования основных ресурсов», — это собственная разработка холдинга «Эльбрус», которая является вариацией архитектуры EPIC (это не CISC и не RISC). Ее прародительница — архитектура VLIW (Very Long Instruction Word), особая вариация суперскалярности (распараллеливания операций по нескольким вычислителям).
INFO
Среди российских ISA есть совершенно уникальные. Так, дизайн-центр IDM-PLUS производит IP-блоки 16-разрядных микроконтроллеров TF-16A, которые основаны на стековой архитектуре и поддерживают идеологию языка форт.
Отличительная особенность VLIW — это отсутствие на аппаратном уровне блока, который прогнозирует возможность параллельного выполнения инструкций. Все прогнозы за ядро процессора предварительно выполняет компилятор, помещая эту информацию в исполняемый файл программы. Близкая родственница ELBRUS — EPIC ISA IA-64 компании Intel.
Еще есть ISA «Комдив» — она разработана в НИИСИ РАН для своих универсальных и специализированных процессоров. Это запатентованное решение, совместимое с ISA MIPS64. В планах НИИСИ РАН выпуск восьмиядерного высокопроизводительного микропроцессора на основе «Комдива».
Существуют и полностью лицензионно чистые проекты. Например, 32-разрядные микропроцессоры «Кварк» и 8- и 32-разрядные микроконтроллеры «Кролик» — детища фирмы «КМ211». Их IP-ядра соответствуют идеологии RISC и основаны на гарвардской архитектуре (отдельные шины для инструкций и данных). В них используется собственная ISA. Кроме IP-ядер, «КМ211» предлагает внушительный список IP-блоков математических и криптографических ускорителей, контроллеров запоминающих устройств и периферийного оборудования.
IP-блоки DSP-ядер (двухпроцессорного кластера DSP) платформы «Мультикор» — уникальная разработка НПЦ «Элвис», которая как применяется в собственных микропроцессорах и микроконтроллерах компании, так и лицензируется. Например, для производства гибридных процессоров «Эльбрус-2С+».
64-разрядные DSP НТЦ «Модуль» базируются на запатентованном IP-ядре NeuroMartix Core (NMC), которое имеет гибридную векторно-конвейерную архитектуру. Ее цель — эмуляция искусственной нейросети. IP-ядро NMC весьма востребовано. Например, один из покупателей — это компания Fujitsu, которая интегрирует его в SoC собственного производства.
Компания «Мультиклет» предлагает IP-ядра по запатентованной технологии MultiClet — архитектуре и соответствующей системе команд. Она отличается как от фон-неймановской, так и от гарвардской архитектур.
MultiClet R1 на референсной плате
Думается, примеров вполне достаточно, чтобы понять, что в плане архитектурных IP-разработок российские производители не только не отстают от зарубежных коллег, но и местами их опережают. Их IP-блоки применяются в собственных реализациях SoC и микроконтроллеров, а также доступны для приобретения с целью создания новых по-настоящему российских микропроцессорных решений.
Вафельный полуфабрикат. Сколько резать в нанометрах?
Наличие мощного интеллектуального потенциала в мире микроэлектроники далеко не все. Потребителя интересует не интеллектуальная собственность, а осязаемый чип «в металле и кремнии».
Взглянем на реальные цифры. Сейчас в мире чуть более сотни микропроцессорных производств. Гиганты индустрии — это американские Intel (шестнадцать заводов) и GlobalFoundries (восемь заводов), тайваньские TSMC (четырнадцать заводов) и UMC (девять заводов), европейская STMicroelectronics (восемь заводов) и китайская SMIC (десять заводов).
Российские цифры существенно скромнее. Лидер отрасли — группа зеленоградских компаний «Ангстрем» имеет четыре завода. Еще два завода принадлежат зеленоградскому же «НИИМЭ и Микрон». Остальные предприятия по своим мощностям неспособны обеспечить серийное производство и специализируются на заказном и полузаказном.
Может, дело не в количестве заводов, а в производительности? Может, небольшой анклав российских производителей выдает конкурентоспособные объемы продукции? Увы, это не так.
В мире микропроцессорных производств есть особая единица измерения — wafer (вафельный полуфабрикат) — полупроводниковая пластина, на которой и выращивается в железе, кремнии и редкоземельных элементах логика IP-блоков. Количество вафельных полуфабрикатов в месяц — хороший критерий эффективности производства.
Большинство заводов перечисленных выше забугорных компаний производит от тридцати до ста тысяч пластин в месяц. С таким количеством у нас может потягаться только завод «Ангстрем-Т1»: его производственные мощности позволяют выпускать до двадцати тысяч пластин в месяц.
Однако пластина пластине рознь. Чем ее диаметр больше, тем больше микросхем на ней можно разместить. В настоящее время максимальный диаметр вафельных полуфабрикатов составляет 300 мм. Практически все заводы Intel используют такие пластины. А вот все остальные производства, включая и российские заводы, пока выпускают лишь 200-миллиметровые пластины.
INFO
Увеличение диаметра пластин — это не просто гонка за размером. Поскольку процент брака готовых чипов на пластине увеличивается к ее краю, производить «вафли» большего диаметра выгоднее.
Но и диаметр выпускаемых пластин — это еще далеко не все. В зависимости от технологического процесса производства на пластинах одного и того же диаметра можно разместить различное количество готовой продукции — микросхем. Измерения здесь ведутся в микро- и нанометрах. Техпроцесс — не менее напряженное поле интеллектуальной битвы, чем разработка IP-блоков. Поэтому зачастую ее называют Physical IP.
Побеждает тот, кто предложит технологию реализации как можно меньших логических элементов и способы их максимально плотной упаковки на единице площади. Сейчас на поток крупнейших производств поставлены технологические процессы 90, 65 (70), 45 (40), 32, 28 (22, 20) нм. Перспективными же на период до 2020 года являются технологические процессы 16 (15, 14), 10, 8 (7) и 4 нм. Цифры в скобках неслучайны: в борьбе за нанометры разные компании приходят к близким по значениям, но все же отличающимся по эффективности решениям.
И даже одинаковый по номиналу в нанометрах техпроцесс, используемый при производстве одинаковых IP-блоков, может давать разную производительность или энергоэффективность. Стоит вспомнить недавнее расследование энергопотребления чипа Apple A9, который ставят iPhone 6s и 6s Plus. Контракты на его выпуск получили компании Samsung (используется необкатанный 14-нанометровый техпроцесс) и TSMC (используется уже типовой 16-нанометровый техпроцесс). Смартфоны с чипом TSMC демонстрируют лучшие показатели энергопотребления, чем чипы Samsung, хотя физический размер последних оказался и меньше.
Но что нам нанометровые битвы гигантов? На российских заводах лучший показатель — это 90 нм, а типовой техпроцесс — от 130 до 180 нм. Конечно, у заводов «Ангстрем» и «НИИМЭ и Микрон» есть роадмап развития технологических процессов: к 2021 году они обещают вполне приличные 20 нм.
Безусловно, это отставание от лидеров. Пока что ни по объемам пластин, ни по техпроцессу наши производства не могут соревноваться с иностранными конкурентами. Однако в целом для российской микроэлектронной отрасли это если не семимильные, то весьма широкие шаги.
Пока же вполне понятно, почему российский чудо-процессор Baikal-T1 выпускает по 28-нанометровому техпроцессу тайваньская TSMC. С этим же производителем плотные контакты поддерживает и НИИСИ РАН (TSMC производит процессоры на основе ISA «Комдив» по 65- и 28-нанометровому техпроцессу), и НПЦ «Элвис» (чипы «Мультиком» производятся по 40-нанометровому техпроцессу).
Плохо ли для нашего процессоростроения такое сотрудничество? Конечно же, нет. Как становится понятно, в основе этой индустрии — специализация и разделение труда. И если производственные лидеры пока находятся за пределами России, игнорировать их, выпуская отечественные решения с заведомо худшими характеристиками, просто глупо.
Смогут ли отечественные микропроцессоры когда-нибудь удовлетворить потребности российского рынка? Не исключено. Стоит ли бить тревогу, что в ряде из них используются зарубежные IP, да и сами они производятся за границей? Не стоит. Подобная практика — совершенно обычное явление. Парой волевых правительственных указов не создашь процветающую отрасль. Ее нужно кропотливо выращивать, вкладывая средства в постройку заводов и обучение кадров.
WWW
Сайт проекта OpenCores
MIPS IP-ядра компании Imagination Technologies
Информация о процессоре Baikal-T1 в блоге компании Imagination Technologies
Краткое описание ISA ELBRUS
SoC на основе IP-блоков NeuroMatrix разработки НТЦ «Модуль»
Сайт дизайн-центра КМ211
Подходы к импортозамещению микроэлектронной базы от НИИСИ РАН
Сайт компании «Мультиклет»
Холдинг «Рикор» о выпуске OpenPower-процессора
Компания «Ангстрем-Т» о своем 90-нанометровом техпроцессе
