Российские микропроцессоры

Материал из Русского эксперта
Перейти к: навигация, поиск
Тестовый образец первого российского 28-нанометрового процессора Байкал-Т1.

Разработкой и производством процессоров в России заняты сразу несколько компаний. Россия — одна из очень немногих стран мира, которая может похвастаться современными процессорами собственной разработки. Это очень большое достижение, так как микропроцессоры являются стратегически важным продуктом: особенно «военные» и «космические» варианты процессоров, которые нельзя так просто купить на свободном рынке.

Содержание

Проектирование процессоров

Специалисты различают архитектуру процессора и микроархитектуру процессора.

Архитектура процессора — это система команд, которую он поддерживает. Архитектура процессоров важна для программистов: именно от архитектуры зависит, какие программы будут с этим процессором совместимы.

Микроархитектура процессора — это, грубо говоря, внутренняя схема устройства процессора в том виде, в каком её видят разработчики процессоров.

Процессоры с одинаковой архитектурой, но разной микроархитектурой могут выполнять одинаковые программы без перетрансляции, но отличаться в производительности.

Российская архитектура, российская микроархитектура

Это полностью отечественный продукт. Такие процессоры труднее продвигать на мировой рынок и наоборот — на этих процессорах сложнее использовать разработанное за рубежом программное обеспечение.

К этой категории относятся МЦСТ «Эльбрус», КМ211, Мультиклет и ряд других архитектур. [1]

Лицензированные процессорные ядра

Россияне сами компонуют закупленные за рубежом ядра на кристалле, добавляют свои вспомогательные блоки. Написанное за рубежом программное обеспечение более-менее гарантированно работает. Процессор можно использовать для продвижения российских аппаратных блоков за рубежом (например, блок обработки видео).

По такой схеме созданы «Байкал» (MIPS и ARM64), «Миландр» (ARM), «Модуль» (ARM), частично «ЭЛВИС» (MIPS и ARM). [2]

Международная архитектура, российская микроархитектура

Занятный компромисс, при котором и написанный за рубежом софтвер работает, и при этом можно говорить «мы спроектировали не только систему на кристалле, но и само процессорное ядро». По трудоёмкости создания схема близка к первому пункту (российские архитектура и микроархитектура), а при продвижении на мировой рынок нужно вдобавок доказывать заказчикам, что архитектура реализована точно.

Тем не менее при наличии больших ресурсов игра стоит свеч. К этой категории относятся «КОМДИВ» (MIPS), частично «ЭЛВИС» (MIPS). [3]

Преимущества разных процессоров

«Эльбрус» и «КОМДИВ» относятся к процессорам, которые можно применять в «больших» компьютерах, но электроника ими далеко не исчерпывается. Ниже пойдёт речь ещё и о процессорах для встроенных систем (станки, принтеры, телевизоры) и о микроконтроллерах (инструменты, холодильники).

В коммерческом направлении, наоборот, можно ожидать существенных успехов, скорее, от «Байкала» и «Элвиса», так как они имеют опыт работы без существенного финансирования со стороны государства. Так, себестоимость «Байкал-Т1» — до 10$ в крупной серии, что делает его на порядок более привлекательным выбором, чем, например, большие и дорогие изделия от техасской Calxeda.

МЦСТ

АО «МЦСТ»

АО МЦСТ (ранее Московский Центр Спарк-Технологий) разрабатывает две линии процессоров — оригинальной отечественной архитектуры «Эльбрус» и международной архитектуры SPARC.

МЦСТ Эльбрус — российская архитектура, российская микроархитектура. [4]

Сильные стороны:

  • распараллеливаемые военные/научные/инженерные вычисления с плавающей точкой (возможный пример использования: геологоразведка);
  • аппаратные особенности, позволяющие реализовывать высокозащищённые системы.

Слабые стороны:

  • отставание от «переднего края» по технологиям формирования физического уровня (процессор 8С [5] сформирован по техпроцессу 28 нм, например);
  • отсутствие свободного компилятора gcc для платформы e2k, закрытость оптимизирующего компилятора lcc и набора архитектурнозависимых правок на системное ПО (по состоянию на осень 2020 года).

Мифы:

  • «Эльбрусы трудно продвигать за рубежом» — эльбрусы не продаются за границу, для международных поставок сперва потребуется разрешить имеющиеся проблемы совместимости с GPL и формальной засекреченности системы команд (система команд была опубликована 31 мая 2020 года); [6][7]
  • «под Эльбрус нет софта» — есть и в количестве тысяч пакетов системного и прикладного ПО под GNU/Linux, на базе которого и создана штатная ОС Эльбрус (OSL); [8]
  • «софтвер на Эльбрус с Linux переносится простой перекомпиляцией» — любые программы, закладывающиеся на расширения gcc или особенности архитектуры (SSE/AVX/NEON, например), приходится так или иначе адаптировать либо вовсе переписывать (как вышло с Java); [9]
  • «взяли бы и сделали x86» — архитектура больше не лицензируется, единственным вариантом является покупка компании с лицензией на руках (например, VIA); в МЦСТ это прекрасно понимали и пошли путём обеспечения программной совместимости, что вылилось в разработку слоя бинарной совместимости (rtc/lintel). [10][11][12]

По состоянию на осень 2020 года было выпущено порядка 20 тыс экземпляров процессоров «Эльбрус», что в значительной мере обуславливает высокие цены на сами процессоры и системы на их основе. [13][14] Тем не менее и они дешевеют со временем — например, начальная цена ВК «Эльбрус 401-РС» составляла 400 тысяч рублей, «Эльбрус 801-РС» при выходе имел ценник в 350 тыс.руб., через год-два он стал доступен юр. лицам уже по 300 тыс.руб, а в 2020 году ценник на соответствующую материнскую плату MBE8C-PC опустился ниже 200 тыс.руб. [15][16]

Динамично развивается программная экосистема — например, уже доступны ОС Эльбрус, КПДА Нейтрино-Э, ОС Альт. [17][18][19]

МЦСТ SPARC — российская реализация международной архитектуры SPARC на базе российской микроархитектуры. [20]

В 2020 году планируется выпуск процессора МЦСТ R2000 (sparcv9, 2000 МГц).

НИИСИ

ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН

Сильные места НИИСИ: радиационная устойчивость и неафишируемый проект высокопроизводительной микроархитектуры.

НИИСИ разрабатывает две линии процессоров — обе по архитектуре MIPS. Кроме того, НИИСИ также подготовила часть кадров для процессорной команды Байкал Электроникс, которая тоже использует MIPS.

Процессор КОМДИВ-32 сделан довольно давно, возможно, на основе лицензированного у MIPS (тогда Silicon Graphics) ядра. Основная гордость создателей КОМДИВ-32 — устойчивость к радиации, по которой они меряются силами с BAE Systems, Gaisler Aeroflex и Honeywell. Устойчивость к радиации необходима для систем, предназначенных для использования в космосе.

Суперскалярный КОМДИВ-64 является пока темной лошадкой, скудную информацию о путях которой можно найти в [21]. При сохранении совместимости с архитектурой MIPS64 и написанным для MIPS64 ПО внутреннее строение (микроархитектура) КОМДИВ-64 полностью спроектирована в России и согласно слайдам по ссылке выше позиционируется как высокопроизводительная. Это явный кандидат на коммерциализацию для Linux-компьютеров (рабочих станций, серверов, суперкомпьютеров и встраиваемых систем).

Байкал Электроникс

АО «БАЙКАЛ ЭЛЕКТРОНИКС»

«Байкал Электроникс» — наиболее понятная российская процессорная компания для международного рынка.

Несмотря на то, что Байкал лицензировал процессорные ядра у Imagination Technologies и произвёл свой микропроцессор на Тайване, что менее «суверенно», чем Эльбрус, роль этой компании в истории может быть довольно высока. Команда «Байкала» отладила процесс проектирования системы на кристалле из высокопроизводительных компонент, а именно суперскалярного с внеочередным порядком исполнения команд процессорного ядра MIPS P5600, которое было независимо сертифицировано в 2014 году как рекордсмен по метрике Core Mark для одного потока команд. [22]

Кроме этого, процессор от Байкала является первым в России 28-нм чипом, что вполне вписывается в мировой мейнстрим процессоров этого класса. Сейчас с Байкалом можно разрабатывать станки, принтеры, сетевое оборудование. Если к нему добавить блоки работы с видео — цифровые телевизоры. Используя накопленный опыт, с течением времени байкаловцы могут подготовить плацдарм для коммерциализации процессоров из НИИСИ.

В первом квартале 2018 года микропроцессоры «Байкал» начали продаваться в розницу, причём по сниженной в четыре раза цене. Одноплатный компьютер БФК 3.1 стоит вполне умеренные 40 тысяч рублей, что более чем адекватная цена для тех, кто не хочет зависеть от американской техники.[23][24]

НПО «ЭЛВИС» и «ЭЛВИС-Неотек»

АО НПЦ «ЭЛВИС»

Основные ниши: космос и умные камеры.

Группа компаний «ЭЛВИС» выросла из советской космической электроники, конструируя приборы ещё для станций «Салют». Они создали свою собственную микроархитектуру микропроцессора общего назначения с системой команд MIPS и свой собственный процессор для обработки сигналов (звук, видео, радар). Затем они решили не изобретать велосипед с микропроцессором общего назначения и лицензировали процессорные ядра средней и высокой производительности у ARM и MIPS, а также заключили сделку по разработке общей микросхемы с Imagination Technologies, которая также разработала часть микросхемы в Apple iPhone.

НПЦ «Элвис» позиционирует себя в качестве одного из ведущих центров проектирования микросхем в России. Компания разрабатывает микросхемы типа «система-на-кристалле» (СнК) на базе собственной платформы проектирования «Мультикор».

Среди них процессоры линейки «Мультикор», радиационно-стойкие микросхемы для космических аппаратов, микросхемы для СВЧ-трактов широкополосных систем связи.

В 2015 году «ЭЛВИС» выпустила семантический процессор VIP-1 для систем компьютерного зрения (видеокамер со встроенным интеллектом). Процессор производится по технологии 40 нм. [25]

В 2017 году появился процессор ELISE для систем компьютерного зрения, производимый по технологии 28 нм. [26]

10 сентября 2021 г. российские разработчики ПО и «железа» получили первые отладочные платы различной конфигурации с мобильными процессорами «Скиф» (в международном написании Scythian, обозначение в линейке «Мультикор» — 1892ВА018). Новинка из линейки «Мультикор» разработана на архитектуре ARM и выпущена по технологии 28 нм. Представляет собой систему на кристалле с оптимизированной архитектурой для мультимедийных, навигационных и коммуникационных приложений. «Скиф» для «Элвиса» — это четвертое поколение мобильных процессоров. Однако новый чип в компании называют первым российским малопотребляющим процессором для мобильного применения или первым отечественным мобильным процессором мирового класса — с учетом его мощности и набора ПО, которое с ним сможет работать (после портирования) в силу его реализации на распространенной ARM-архитектуре. [27]

Миландр

Миландр

«Миландр» выпускает микроконтроллеры для суровых условий эксплуатации.

Микроконтроллеры имеют множество применений — от медицинских приборов до дворников на автомашине и управления двигателями. «Миландр» лицензировал процессорные ядра микроконтроллерного класса у британской компании ARM и сделал на них микроконтроллеры для суровых условий со своими периферийными устройствами.

«Миландр» — одна из немногих профильных компаний, которая активно старается продвигать свои разработки не только на специальные применения, но и в гражданский сектор. Например у них есть микропроцессор для счетчиков электроэнергии с 24-битным сигма-дельта АЦП. Микроконтроллеры на ядре Cortex-M3 в пластиковом корпусе «Миландр» выпускает по рыночной цене[1].

Модуль

НТЦ «Модуль»

Потенциальные сферы применения: цифровое телевидение, авиация и космос.

Как и «Миландр», «Модуль» является лицензиатом ARM, причём плата с их процессором на основе ARM стала широкодоступной для разработчиков.

Также созданы оригинальное нейропроцессорное ядро NMC4, включающая его СБИС К1879ВМ8Я и PCIe-плата МС127.05 на её основе.

Дизайн Центр "КМ211"

ООО «КМ211»

Ниши: смарткарты и чисто российский микроконтроллер.

разработчик СБИС и оригинальных IP блоков. KM211 спроектировала встроенный микропроцессор КВАРК, который может использовать Линукс, и микроконтроллер «Кролик». Обе разработки используют как российскую архитектуру, так и российскую микроархитектуру, что делает KM211 уникальным проектом типа «Эльбруса», но на рынке «малых» процессоров.

Команда КМ211 имеет большой опыт разработки очень маленьких процессоров для «умных карт», которые трудно взломать. КМ211 изначально были связаны с компанией KM Core, связанной с Украиной.

Мультиклет (MultiClet)

ОАО «Мультиклет»

Российская компания, созданная в 2011 году и занимающаяся разработкой и производством высокопроизводительных и отказоустойчивых процессорных ядер и процессоров с низким энергопотреблением, созданных на основе российской мультиклеточной архитектуры, устройств на их основе. Владеет патентом на мультиклеточную процессорную архитектуру. Ее отличие от традиционной ядерной в том, что она работает не с отдельными командами, а с "предложениями" из команд. Участник Инновационного центра "Сколково", кластер "Космические технологии и коммуникации". На 2021 г. создано несколько серий мультиклеточных процессоров.

Дизайн-центр «ГеоСтар Навигация»

оф.сайт

Ниша: модули для ГЛОНАСС

Дизайн-центр «ГеоСтар Навигация» – компания в области ГНСС продуктов и услуг, основанная в 2009 году. Занимается разработкой и распространением ГНСС продуктов для телематического рынка с ориентиром на инновационные технологические подходы. Приоритетным направлением деятельности является разработка, производство и реализация навигационных модулей и комплектов под маркой «ГеоС» (ГНСС модули семейства «GeoS-5»). Программно-аппаратные решения создаются с учетом перспективы и совместимости со всеми существующими глобальными и локальными навигационными системами коммерческого применения: ГЛОНАСС, GPS, SBAS, а так же Galileo или Compass.

Действующий участник фонда «Сколково».

Компания «ИВКС» (бренд IVA Technologies)

оф.сайт

Входящая в ГК «ХайТэк» компания IVA Technologies в сентябре 2018 года сообщила о создании тензорного микропроцессора IVA TPU. По информации компании, микропроцессор предназначен для применения (инференс) сверточных нейронных сетей на базе FPGA Virtex Ultrascale+ и находит практическое применение для детектирования и классификации изображений, поиска объектов, повышения качества и других [28].

В 2020-м г. российские процессоры IVA TPU вошли в число лучших мировых решений по версии MLPerf [29].

ООО "СИНТАКОР" (Syntacore)

Syntacore — поставщик RISC-V совместимых ядер с дизайн-центром в Санкт-Петербурге. Компания вносит существенный вклад в развитие технологий RISC-V, предлагая линейку процессорного IP с набором команд RISC-V и соответствующие инструменты.

Основные области компетенций команды: высокопроизводительные встраиваемые ядра с низким энергопотреблением; инструкции процессора, оптимизированные под приложения (ASIP); реконфигурируемые архитектуры; компиляторы [30][31].

Резидент IT-кластера «Сколково» с 2017 года[32].

Производство микросхем в России

В России и Белоруссии есть пять крупных микропроцессорных производств — зеленоградские Микрон и Ангстрем (банкрот в 2019 [33]), секретная фабрика в Курчатове/НИИСИ, вспомогательное производство в Воронеже и фабрика Интеграл в Белоруссии.

Также помимо крупных производств в России есть несколько мелких с технологиями уровня 1,5-10 мкм (для Роскосмоса и ко), но они не выполняют коммерческие заказы и информации по ним очень мало. Так что общее количество заводов подсчитать сложно.

Микрон и Ангстрем используют оборудование, купленное у ST, AMD и IBM. На Микроне уже реально производятся микросхемы по нормам 90 нанометров на 200-мм пластинах (SRAM и Эльбрус). Техпроцесс 65 нм неспешно доводят, первый опытный образец был выпущен ещё в 2014 г., в 2017 году чистый КМОП-процесс наконец заработал. На Ангстреме — 600 нм на старой линии, 130 нм от AMD и 90 нм от IBM на 200 мм пластинах запустили к началу 2016 года.

В этом месте слабоинформированные пессимисты кричат «ужас-ужас, а у Интела — 14 нанометров, а скоро запустят 12». Это связано с распространённым заблуждением, согласно которому передовые устройства якобы можно делать исключительно на самом свежем «нанометре». Это, разумеется, не так — передовой процесс может быть слишком дорог или не подходить, например, под температурные характеристики. Простейший пример — очень популярный в России передовой в своём классе микроконтроллер STM32 (французско-итальянская компания) создан на основе британского ARM Cortex M4, который выпускается с 2011 года и по сегодняшний день. Он сделан на технологии 90 нанометров.

Российские фабрики Микрон и Ангстрем можно применять для производства определённых продуктов типа микроконтроллеров. Кроме того, они имеют стратегическое значение — вокруг них учатся специалисты, опыт которых пригодится и в контрактных производствах на тайваньской TSMC.

Более сложной является ситуация с братской Белоруссией, в которой завод «Интеграл» живёт на контракты на производство дешёвых микросхем для России. Для модернизации этого завода потребовалось бы много денег, которые Белоруссия пока что вкладывать не спешит. Тем не менее вокруг Интеграла работает большое количество специалистов по микроэлектронике, которых можно задействовать для проектирования процессоров.

Старая линия 800 нм на «Интеграле» нормально работает, линию на 350 нм запускали достаточно долго, но в итоге всё же отладили и запустили. Примечательно, что «Интеграл» имеет сравнительно высокий процент отечественных расходников (начиная от пластин).

Важно понимать, что США накладывают ограничения на трансфер технологии для постройки фабрики в России по самым последним нормам. Но даже строительство фабрики, отстающей от передового рубежа («минус три поколения»), потребовало бы вложений в 5-6 миллиардов долларов, при этом дополнительно пришлось бы потратить много ресурсов на обучение специалистов. В этом смысле текущий Микрон и Ангстрем (оборудование в которых было куплено по ценам на порядок меньшим) представляют хороший компромисс для текущего момента. Пока российские проектировщики могут для некоторых проектов использовать Микрон, а для более сложных (как Байкал и Эльбрус) — TSMC.

Стоит также упомянуть Crocus Technology, который готовые CMOS пластины везет в Россию, наносит тут MRAM-слои, а потом снова отсылает обратно за рубеж на последние слои.

Нидерландская компания Mapper имеет в России участок производства MEMS-компонент. Этот участок уже работает — это фотолитография с микронными нормами, которую Mapper открыл, вероятно, чтобы выполнить формальные требования «Роснано». Возможности получать передовое фотолитографическое оборудование в обход экспортных ограничений США эти участки для России не дают.

Также есть ряд производств СВЧ-микросхем на некремниевых подложках (для АФАР и т.п., микрополосковые СВЧ-фильтры), с электронной литографией и прочее (ИСВЧПЭ РАН и ко).

Когда проектирование в России разовьётся, вопрос с более дорогими фабриками можно рассмотреть снова. К сожалению, российские инвесторы с «нефтегазовым» мышлением на рыночных условиях не особенно готовы вкладываться в разработку коммерческой микроэлектроники, так как начальные оценки долей непривычно высоки по российским меркам.

См. также

Примечания

  1. Примерно в полтора раза дороже, чем аналогичный STM32 в мелком опте. На фоне остальных процессоров, которые дороже аналогов в среднем на порядок, это прорыв