Российские микропроцессоры
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.
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 хардверных блоков за рубежом (например, блок обработки видео).
По такой схеме созданы «Байкал» (MIPS и в перспективе 64-битный ARM), «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 «НИИСИ» (MIPS), частично «ЭЛВИС» (MIPS). [3]
Преимущества разных процессоров
«Эльбрус» и «НИИСИ» 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 «Байкала» — 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 (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 сформирован по техпроцессу 28 нм, например);
- отсутствие компилятора gcc для платформы e2k, закрытость оптимизирующего компилятора lcc и набора архитектурнозависимых правок на системное ПО (по состоянию на осень 2018 года).
Мифы:
- «Эльбрусы трудно продвигать за рубежом» — эльбрусы не продаются за рубеж, для международных поставок сперва потребуется разрешить имеющиеся проблемы совместимости с GPL
и формальной засекреченности системы команд(система команд была опубликована 31 мая 2020 года); [5][6] - «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); [7]
- «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); [8]
- «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). [9][10]
По состоянию на осень 2018 года было выпущено несколько тысяч экземпляров процессоров «Эльбрус», что в значительной мере обуславливает высокие цены на сами процессоры и системы на их основе; 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. [11][12]
Динамично развивается программная экосистема — например, уже доступны ОС Эльбрус, КПДА Нейтрино-Э, ОС Альт. [13][14][15]
МЦСТ SPARC — российская реализация международной архитектуры SPARC на базе российской микроархитектуры. [16]
В 2020 году планируется выпуск процессора R2000 (sparcv9, 2000 МГц).
НИИСИ
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 [17]. При сохранении совместимости с архитектурой MIPS64 и написанным для MIPS64 софтвером, 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
«Байкал Электроникс» — наиболее понятная российская 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 исполнением команд процессорного ядра MIPS P5600, которое было независимо сертифицировано в 2014 году как рекордсмен по метрике Core Mark для одного потока команд. [18]
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 будет стоить вполне умеренные 50 тысяч рублей, что более чем адекватная цена для тех, кто не хочет зависеть от американской техники.[19]
НПО «ЭЛВИС» и «ЭЛВИС-Неотек»
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.
С помощью кооперации с Imagination «ЭЛВИС» собираются вывести на внешний рынок свои специализированные процессоры для обработки сигналов и «умные камеры», которые в частности используются для безопасности аэропорта Шереметьево (камера может распознать ситуации типа «нарушитель лезет через забор», «пожар на складе»). «ЭЛВИС» рассматривается как один из локомотивов Зеленограда и вообще российской электроники.
В 2015 году «ЭЛВИС» выпустило семантический процессор VIP-1 для систем компьютерного зрения (видеокамер со встроенным интеллектом). Процессор производится по технологии 40 нм. [20]
В 2017 году появился процессор ELISE для систем компьютерного зрения, производимый по технологии 28 нм. [21]
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 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
Потенциальные сферы применения: цифровое телевидение, авиация и космос.
Как и «Миландр», «Модуль» является лицензиатом ARM, причём плата с их процессором на основе ARM стала широко доступной для разработчиков.
Также созданы оригинальное нейропроцессорное ядро NMC4, включающая его СБИС К1879ВМ8Я и PCIe-плата МС127.05 на её основе.
КМ211
Ниши: смарткарты и чисто российский микроконтроллер.
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
Процессоры с универсальной мультиклеточной архитектурой и микроархитектурой российского происхождения. Предыстория создания отмечена, как «Лучший продукт года» в 2003 г. на конференции IEEE в Далласе (США), а также рядом других зарубежных и отечественных наград. На 2015 г. созданы два процессора СнК MultiClet P1 и MultiClet R1, которые позиционируются, как производительные, низкопотребляющие DSP процессоры (последний обладает более развитой периферией и динамической реконфигурацией, позволяющей в максимальной степени использовать возможности четырех клеток процессора).
КБ «ГеоСтар навигация»
Ниша: модули для ГЛОНАСС
Производит чип «ГЕОС-3». Это весьма перспективный рынок объёмом около $200 млн: с введением системы «Платон» надо оснастить до 7 млн грузовиков тахографами со встроенным ГЛОНАСС. В этих тахографах может использоваться чип «ГЕОС-3».[22] Но, по словам главного директора КБ «ГеоСтар навигация» Анатолия Коркуша, по состоянию на март 2018 года машины оснащаются зарубежными аналогами, которые дешевле. [23][24]
IVA Technologies
Входящая в ГК «ХайТэк» компания IVA Technologies в сентябре 2018 года сообщила о создании тензорного микропроцессора IVA TPU. [25]
Syntacore
Компания Syntacore, имеющая офис в Санкт-Петербурге, занимается разработкой дизайна процессоров открытой архитектуры RISC-V. [26][27]
Производство микросхем в России
В России и Белоруссии есть пять крупных микропроцессорных производств — зеленоградские Микрон и Ангстрем (банкрот в 2019 [28]), 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 трудно.
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 ковыряют, первый опытный образец был выпущен ещё в 2014 г., в 2017 году чистый КМОП процесс таки 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 российские 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 использовать 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 у Байкала) — TSMC.
Стоит также упомянуть Crocus Technology, который готовые CMOS пластины везет в Россию, наносит тут MRAM слои, а потом снова отсылают 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 не кремниевых подложках (для АФАР и ко, СВЧ микрополосковые 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
- Российский ИТ-сектор
- Российская робототехника
- Ангстрем
- Российская микроэлектроника для космоса: кто и что производит
- Отечественные микропроцессоры. Были! Есть. Будут?
Примечания
- ↑ Примерно в полтора раза дороже, чем аналогичный STM32 в мелком опте. На фоне остальных процессоров (которые дороже аналогов в среднем раз в 10, это прорыв)
