Современные отечественные процессоры как они есть. Академик Сергей Алексеенко: надо повышать эффективность использования и переработки органического сырья. Решения на базе SPARC

В умах подавляющего большинства обывателей прочно укоренилась мысль о том, что в области проектирования вычислительной техники наша страна играет роль безнадёжного аутсайдера. США, Европа, и, быть может, Китай – вот лидеры производства современных микропроцессоров и систем. Однако это не совсем верно: как подтверждают факты, собственные разработки у нас тоже имеются, и они не только приближаются по определённым параметрам к новейшим достижениям полупроводниковых технологий, но кое в чём их даже превосходят. Насколько продвинулась отечественная наука в этой области и скоро ли можно будет увидеть на прилавках магазинов российский процессор , мы и расскажем в нашем обзоре.

Как всё начиналось

Наверняка многие слышали о том, что во времена Сталина кибернетика была объявлена лженаукой. Гораздо меньше людей знают о том, что кибернетика и вычислительная техника – это отнюдь не одно и то же. Как раз последняя развивалась в то время очень активно, а в 1948 году Постановлением Совета Министров СССР №2369 для этой цели был создан Институт точной механики и вычислительной техники, получивший впоследствии имя Сергея Алексеевича Лебедева. Сам Сергей Алексеевич был приглашён в институт в 1950 году для разработки одной из первых отечественных ЭВМ БЭСМ-1.

А вот с приходом к власти Никиты Сергеевича, развенчавшего «культ Сталина», был взят курс на копирование зарубежных достижений в этой области. Тем не менее, разработка своих систем продолжалась, и в 1969 году, в связи с необходимостью оснащения стратегических систем специального назначения высокопроизводительной вычислительной техникой, родилась идея архитектурной линии «Эльбрус». Под руководством Всеволода Сергеевича Бурцева, ставшего впоследствии академиком Российской Академии Наук, созданный многопроцессорный вычислительный комплекс (МВК) «Эльбрус-1» был предъявлен государственной комиссии и в 1979 году прошёл государственные испытания. Он был спроектирован на основе микросхем TTL-логики и включал в себя 10 процессоров с суммарной производительностью 15 млн. операций в секунду (15 Мфлопс). На тот момент это была великолепная машина: впервые в мире применялась суперскалярная архитектура, позволявшая параллельно отрабатывать несколько машинных команд. Наряду с центральным процессором имелись специализированные: для обмена данными с внешними устройствами, для быстрого преобразования Фурье, для эмуляции команд БЭСМ-6 и для решения целого ряда специальных задач. Объем оперативной памяти достигал солидного объёма в 64 МБ.

Чтобы воспользоваться всеми достоинствами оригинальной архитектуры и системы команд МВК, несколько институтов разрабатывали для него не только операционную систему, но и языки программирования высокого уровня. А шестью годами позже, в 1985 году, в серийное производство был запущен «Эльбрус-2», который представлял собой незначительно модернизированный с точки зрения схемотехники «Эльбрус-1», переведенный на новую элементную базу микросхем ЭСЛ-технологии серии «ИС-100». Этот МВК уже достигал производительности в 125 Мфлопс. МВК строился по модульному принципу, с учётом обеспечения надёжности. Благодаря своему быстродействию и отказоустойчивости, он в течение многих лет использовался в центральных объектах стратегических систем страны. Всего было выпущено 30 экземпляров МВК «Эльбрус-2».

Следующим этапом развития серии стал проект МВК «Эльбрус-3». Руководил им член-корреспондент Академии наук СССР Борис Арташесович Бабаян. Он предложил передовую архитектурную реализацию концепции широкого командного слова. Опытный образец машины изготовили в 1990 году, но её отладка не была завершена по причине прекращения финансирования проекта из-за экономических проблем того периода.

Технологии «SPARC»

Дальнейшее продолжение развития линии «Эльбрус» связано с ТОО «Московский центр SPARC-технологий», сформировавшимся в 1992 году и впоследствии переименованным в ЗАО «МЦСТ». Старшее поколение, знакомое с микропроцессорами с 90-х годов прошлого века, хорошо помнят процессоры семейства SPARC, выпускавшиеся компанией «Sun Microsystems». В то время это была весьма популярная платформа в среде, как это принято сейчас говорить, корпоративных заказчиков. Компания занималась созданием промышленных систем на основе архитектуры SPARC v8, как для зарубежных, так и для отечественных заказчиков. Знакомство с этим направлением помогло МЦСТ как получить опыт для развития собственной архитектуры процессора «Эльбрус» (называвшейся в то время «архитектура E2k»), так и просто пережить период экономических трудностей, сохранив свой уникальный коллектив.

Как следствие работы с новой архитектурой, в 2001 году у МЦСТ появился первый микропроцессор собственной разработки, названный R150. Он выпускался по довольно грубому техпроцессу с нормами литографии 350 нм, что делало его достаточно дешёвым и пригодным для производства на большинстве существующего оборудования. В то же время, его характеристики были вполне конкурентоспособными: при общей потребляемой мощности 5 Вт его единственное ядро могло работать на частоте 150 МГц, обеспечивая производительность порядка 150 Мфлопс. А всего лишь через 3 года увидел свет следующий чип – R500, выпускающийся уже по нормам 130 нм, что заметно повысило его эффективность. Работая на частоте 500 МГц, он обладал производительностью в 500 Мфлопс при потребляемой мощности 1 Вт! А ещё через 3 года, в 2007 году, появился очередной продукт эволюции процессоров семейства SPARC – R500S, содержащий уже два ядра с общей производительностью 1 Гфлопс.

Заметим, что хотя эта архитектура принадлежит к категории RISC и принципиально несовместима с архитектурой Intel x86, при использовании её для промышленных применений это не представляет серьёзной проблемы: всё равно разработка аппаратуры, да и программного обеспечения, ведётся в большинстве случаев «с нуля» под нужды конкретного заказчика, так что потенциальная совместимость с существующим ПО не приносит обычно никакой выгоды.

Процессоры серии «Эльбрус»

Несмотря на активную работу с архитектурой SPARC, развитие собственного направления было продолжено. В 2000 году было утверждено ТЗ на вычислительный комплекс «Эльбрус-3М1» и микропроцессор «Эльбрус», а через 7 лет, в 2007 году, были проведены первые государственные испытания. Работоспособность отечественной архитектуры «Эльбрус» была полностью подтверждена. Он обладал следующими характеристиками: техпроцесс – 130 нм, одно ядро, работающее на частоте 300 МГц, потребляемая мощность 6 Вт, производительность 4,8 Гфлопс.

В 2009 году прошла сертификацию операционная система «Эльбрус», созданная на базе ядра Linux 2.6.33. Была проделана фундаментальная работа по преобразованию ОС Linux в операционную систему, поддерживающую режим работы в жёстком реальном времени, а также написано множество специализированных библиотек. Заметную помощь ЗАО «МЦСТ» в создании ПО и проектировании вычислительных модулей с 2006 года оказывает коллектив открытого акционерного общества «Институт электронных управляющих машин имени И. С. Брука» (ОАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука»), непосредственно участвующий в разработках.

Первый серийно выпускаемый микропроцессор «Эльбрус-S», производимый по технологическим нормам 90 нм, и контроллер периферийных интерфейсов (КПИ) для него прошли испытания в 2010 году. Он тоже имел всего одно ядро, но мог работать на частоте в 500 МГц, выдавая производительность 8 Гфлопс, но и рассеивал заметно большую мощность – до 20 Вт. Для сравнения заметим, что такую же производительность имел в своё время процессор AMD Athlon 64, работающий на частоте 2,2 ГГц.

Всего лишь годом позже, в 2011-м, было начато производство кристалла следующего поколения – «Эльбрус-2С+», при тех же технологических нормах – 90 нм – имеющего заметно большую производительность в целых 28 Гфлопс (что соответствует уровню примерно посередине между Intel Core 2 Duo и Intel Core i3). Такой прорыв оказался возможен за счёт наличия четырёх дополнительных ядер встроенного сопроцессора, предназначенного для цифровой обработки сигналов (DSP), и двух основных ядер, тактовая частота которых составила те же 500 МГц. Справедливости ради заметим, что из-за некоторой трудоёмкости программирования встроенного DSP он не снискал большой популярности, поэтому в модели следующего поколения от него решено было отказаться.

А что же происходит в настоящее время? Сейчас, в 2014 году, МЦСТ выпускает самую совершенную модель – «Эльбрус-4С», выполненный по технологии 65 нм и работающий на частоте 800 МГц. Благодаря наличию четырёх ядер с двумя мегабайтами кеш-памяти на каждое ядро, он обеспечивает внушительную производительность 50 Гфлопс, вплотную приближаясь к Intel Core i7-975 Extreme Edition (53 Гфлопс). Его потребляемая мощность при этом заметно скромнее и составляет всего 45 Вт. Серийное производство пока не начато, но уже существуют опытные образцы. А так как дефицитное оборудование для этого не требуется – благодаря «крупному» техпроцессу достаточно любой из множества широко доступных фабрик, то этот момент не за горами.

Итак, мы вкратце рассмотрели номенклатуру и историю создания отечественных процессоров. Насколько же они конкурентоспособны? Какие у них отличия от продукции AMD/Intel, достоинства и недостатки? Какие применения находят эти уникальные изделия? И, наконец, можно ли запустить на «Эльбрусе» ОС Windows? Ответы на эти вопросы, а также тесты производительности, последуют во второй части этой статьи, которая появится на нашем сайте в ближайшие дни.

Технические характеристики процессоров, выпускаемых ЗАО «МЦСТ»

* возможно подключение внешней кеш-памяти объёмом до 1 МБ

** возможно подключение внешней кеш-памяти объёмом до 4 МБ

RISC, CISC, и всякое такое

Все выпускаемые сегодня процессоры делятся на два больших класса: процессоры с сокращённым набором команд, или RISC (Reduced Instruction Set Computing), и процессоры с полным набором команд, или CISC (Complete Instruction Set Computing). Набор команд первых из них отличается аскетичностью, сами команды однотипны и выполняются за небольшое фиксированное время, что позволяет эффективнее наращивать тактовую частоту. Зато в CISC-системе команды более универсальны, что несколько упрощает написание программного кода.

С точки зрения программиста, все x86-совместимые процессоры являются CISC-процессорами, но на самом деле, их современные модели спроектированы на основе RISC-ядра. Выполнение CISC-команд эмулируется аппаратурой процессора путём их преобразования «на лету» в команды RISC-ядра с помощью специального блока декодирования инструкций и микропрограммы-транслятора.. Такой подход позволяет повысить эффективность работы при сохранении совместимости, а также позволяет исправлять некоторые ошибки проектирования уже после выпуска чипа в серийное производство. Это достигается путём изменения кода микропрограммы-транслятора, обычно выполняемого средствами BIOS той системной платы, куда установлен процессор (именно об этом идёт речь, когда производители выпускают модификации BIOS, «совместимые с процессором таким-то»: то есть, в него внесена модифицированная версия микропрограммы для этой модели процессора, исправляющая некоторые ошибки, тогда как сам процессор будет прекрасно работать и на «несовместимом» BIOS’е).

Когда программист или компилятор создаёт программу в виде последовательности ассемблерных инструкций, то подразумевается, что они будут исполняться последовательно, одна за другой, и исполнение каждой инструкции полностью завершается перед запуском на исполнение следующей инструкции. Так устроены системы команд всех RISC и CISC процессоров. Первые модели процессоров были способны выполнять не больше одной инструкции за один такт, и это ограничение не создавало неудобств. Но со временем технология позволила делать всё более сложные чипы, и тогда для увеличения производительности стали «учить» процессор выполнять по нескольку инструкций за такт. Это свойство называется суперскалярностью. Но есть проблема: нельзя просто так запускать параллельно несколько операций, потому что среди них могут быть зависимости. Например, одна инструкция читает число из памяти в регистр, а следующая – инкрементирует полученное значение в регистре. Их можно запускать только последовательно, но в самих инструкциях нет информации об их взаимозависимости. Поэтому нужна специальная и сложная аппаратура, детектирующая зависимости и гарантирующая корректность исполнения инструкций «вне очереди». Все современные x86-совместимые микропроцессоры – суперскалярные. Например, самые современные чипы на архитектуре Haswell выполняют до восьми операций за такт. Но объём аппаратуры анализа зависимостей для такого числа операций весьма велик, и поэтому чипы получаются сложными и «горячими».

Заметим, что речь идёт именно о микрооперациях RISC-ядра, а вовсе не об инструкциях x86, да ещё и на их вид наложены некоторые ограничения (например, арифметических операций и операций с памятью может быть не более половины от этого числа).

Процессоры архитектуры «Эльбрус» построена по принципу VLIW, или очень широкого командного слова (Very Large Instruction Word). Этот подход можно считать разновидностью RISC – коротких команд с фиксированным временем выполнения, с тем отличием, что каждая команда содержит не одну, а много элементарных операций (вплоть до 23-х). Загрузить такой широкий конвейер на 100% непросто, поэтому разработчики переложили выделение зависимостей и оптимизацию порядка выполнения команд на плечи компилятора. И в самом деле: компилятор, запускающийся на этапе перевода программы, написанной на языке высокого уровня (или ассемблере), в машинные коды, обладает гораздо большими ресурсами, а также большим доступным временем (в разумных пределах, конечно), поэтому эффективность его работы может быть выше, чем у аппаратного блока анализа зависимостей. Используя алгоритмы, имеющие много независимых операций (и поэтому хорошо поддающиеся оптимизации), программист может получить производительность, заметно превосходящую предел возможностей процессора AMD/Intel, работающего на той же частоте. Кристалл процессора в результате получается проще и надёжнее, и потребляет меньшую мощность.

x86-совместимость «в нагрузку»

Объём написанного на сегодня кода в среде x86 столь велик, что игнорировать его не может себе позволить ни один, даже самый крупный, производитель процессоров. Компания Intel однажды смогла «провернуть» такой фокус, отказавшись от аппаратной поддержки процессоров 8080 и перейдя на новую на тот момент архитектуру 386, но суммарный объём существующего кода был тогда на несколько порядков меньше. Повторить этот смертельный трюк вряд ли удастся кому-либо в обозримом будущем, удел смельчака – узкоспециализированная ниша, занять которую он обречён в этом случае (ARM-процессоры, доминирующие на смартфонах, лучшее тому подтверждение).

Основной средой выполнения прикладных программ на системе «Эльбрус» служит ОС «Эльбрус» (кто бы мог подумать!), являющаяся доработанной разновидностью ОС Linux с ядром 2.6.33, скомпилированной целиком из общедоступных исходников. Заметим, что хотя это ядро является достаточно старым, оно поддерживает работу подавляющего большинства современных библиотек, и несмотря на это, идёт полным ходом адаптация для ОС нового ядра 3.10.

Чтобы обеспечить работу существующих приложений на процессоре «Эльбрус», применяется механизм двоичной трансляции (другое его название – «битовый компилятор»). Он существует в двух вариантах: уровня системы и уровня приложений. Первый из них начинает работу сразу после включения питания, с загрузкой в память компактного транслятора, хранящегося в микросхеме флеш-памяти, расположенной на системной плате. При этом для всех загружаемых позже программ, включая ОС, процессор становится неотличим от любого x86-совместимого процессора, позволяя запускать хоть Windows, хоть Mac OS, хоть Linux, или любую другую операционную систему, например, такую экзотическую, как Колибри ОС, или IBM OS/2.

Такая совместимость достигается ценой некоторого снижения производительности, которая в режиме двоичной трансляции уменьшается примерно на 30% (справедливости ради заметим, что в текущей версии транслятора для процессора "Эльбрус-2С+" «гостевой» ОС доступно всего лишь одно ядро, но в новой версии, для "Эльбрус-4С", этот недостаток исправлен). Разумеется, все специфические особенности процессора, о которых мы ещё расскажем, будут при этом недоступны.

Существует и другая разновидность битового транслятора - уровня приложений. При этом процессор стартует в нативном режиме, и на нём запускается ОС «Эльбрус» (или другая ОС, скомпилированная в кодах Эльбрус), а после её загрузки запускается специальное приложение-эмулятор, позволяющее, одновременно с нативными, запускать и x86-совместимые приложения (наподобие среды Wine в Linux). «Родные» приложения работают при этом в комфортной для себя среде, имея доступ ко всем возможностям и 100% вычислительной мощности ЦП, а «гостевые» обладают полной иллюзией запуска в среде x86, за исключением доступности системного вызова ptrace.

Процессор «Эльбрус-2С+» поддерживает битовую трансляцию только 32-разрядных кодов x86 и выполняет их на одном ядре, в то время как «Эльбрус-4С» может транслировать и 64-битные команды и поддерживает трансляцию многопоточных приложений (т.е. использующих несколько ядер процессора после трансляции).

Чем ещё интересен «Эльбрус»

Внутри процессор «Эльбрус» устроен следующим образом. Имеется 6 каналов исполнения операций, работающих параллельно, при этом до четырёх каналов могут быть использованы для чтения из памяти и до двух – для записи в память. Во всех шести каналах можно исполнять целочисленные арифметико-логические операции, в четырёх – операции с плавающей запятой. Каждый такт процессор может запустить по одной операции в каждый канал. У Эльбруса универсальный регистровый файл из 256 84-разрядных регистров; при этом есть отдельный регистровый файл для предикатов (однобитных значений) на 32 регистра. Имеется аппаратная поддержка циклов, в том числе с конвейеризацией, что повышает эффективность использования ресурсов процессора. Интересной особенностью Эльбруса является программируемое асинхронное устройство предварительной подкачки данных. У него есть встроенный буфер объемом 4 кБ для сокрытия задержек от доступа к памяти, и оно не задействует каналы исполнения операций, что позволяет освободить их для вычислний. Поддержка спекулятивных и условных (предикатированных) вычислений позволяет уменьшить число переходов и параллельно исполнять несколько ветвей программы. Широкая команда может при максимальном заполнении задавать в одном такте до 23-х операций (и более 33-х операций при упаковке операндов в векторные команды).

Чтобы более эффективно использовать возможности аппаратуры процессора, в компилятор введена поддержка Intrinsic-функций (это специальные аппаратно-зависимые функции, заменяющие отдельные ассемблерные инструкции и позволяющие избавиться от inline-ассемблера, т.к. его использование часто нежелательно или невозможно).

Также «Эльбрус» имеет несколько уникальных особенностей, выгодно отличающих его от зарубежных аналогов. Одна из них - специальное оборудование для работы в составе многопроцессорных систем. Это контроллер межъядерных взаимодействий и контроллер запросов MAU, передающий запросы от каждого из ядер в системный коммутатор, и контроллер когерентных сообщений, анализирующий запросы от коммутатора и передающий их нужным ядрам. В свою очередь, системный коммутатор осуществляет обслуживание абонентов согласно политике приоритетов, обеспечивая максимально возможную загрузку межпроцессорных линков, и независимость пакетных потоков между различными парами абонентов и независимость потоков командных пакетов различного типа друг от друга. Каждый кристалл имеет три канала межпроцессорного обмена, а также возможность работать в многопроцессорной системе с общей памятью – до четырёх процессоров «Эльбрус-4С» в одной системе без дополнительных схем, и до шестнадцати – с помощью выделенного чипа-коммутатора.

Обслуживание внешних интерфейсов организовано «классическим» способом – с помощью Контроллера Периферийных Интерфейсов (КПИ), играющего роль «южного моста». Он соединяется с процессором по выделенной шине с пропускной способностью 2 Гбит/с в каждую сторону и предоставляет как привычные всем PC-интерфейсы, так и специализированные интерфейсы для промышленного применения.

Технические характеристики КПИ

Безопасность превыше всего

Но самой важной особенностью процессора «Эльбрус» является обеспечение безопасности. Мы не будем вдаваться в подробности «бэкдоров» систем на основе Intel, благо что на эту тему есть что почитать на просторах Сети. В частности, не секрет, что некоторые системы могут оснащаться супервизором на основе BIOS, позволяющим осуществлять удалённые контроль и управление компьютером через сеть, а также перехват произвольных данных. Причём не только работа, но и само наличие такого супервизора не поддаются определению практически никакими современными средствами, так как его функционирование осуществляется на уровне микрокодов RISC-ядра (см. выше о том, как устроен современный микропроцессор). Если ПК приобретается для домашнего применения, подобными проблемами можно не «заморачиваться» – вас, как того самого «неуловимого Джо», защищает факт несущественности ваших данных, которые просто никому не нужны. Но даже в этом случае будет обидно, если кто-то за океаном нажмёт некую «красную кнопку», после чего ваш ПК превратится в бесполезную груду железа. Да и возможное эмбарго на поставку даже таких, «дырявых» кристаллов со стороны стран Европы и США может существенно усложнить жизнь отечественным сборщикам ПК, а значит, и нам с вами. Учитывая текущее обострение внешнеполитической ситуации, подобный сценарий не представляется таким уж невероятным. А вот если вы собираете сеть для управления атомной электростанцией, или хотя бы металлургическим заводом, то даже самую малую возможность подобного развития событий желательно исключить в принципе. Конструируя парк ПК на основе «Эльбрус», заказчик получает всю техническую документацию, по которой можно проконтролировать отсутствие нежелательных модулей, и исходные тексты всего программного обеспечения, начиная от ОС, драйверов, и до приложений прикладного уровня. Помимо этого, существуют отдельные аппаратные средства управлением безопасностью. Всем уже набили оскомину сообщения о брешах в системе Windows и прикладных программах (последние, впрочем, не сильно афишируются). Наиболее частая причина – ошибки переполнения буфера, позволяющие злоумышленнику запустить на атакуемой системе произвольный код. Причина кроется в общей памяти, позволяющей хранить и данные, и код. Конечно, попытки решить проблему предпринимаются, например, такие, как широко разрекламированный Execute Disable Bit в процессорах Intel (или его аналог – No eXecute Bit в процессорах AMD), но даже эта защита обходится «на раз-два» (кому интересно – вновь обращаемся к Интернету). А неразделяемый стек – вообще ахиллесова пята всех AMD/Intel систем. Вариант, предложенный МЦСТ, – защищённый режим исполнения программ. Работа в нём происходит только с инициализированными данными, все обращения в память проверяются на принадлежность к допустимому диапазону адресов, обеспечивается межмодульная защита. Для поддержки такого режима имеется компилятор C/C++ и библиотека runtime (libc). В этом режиме обнаруживается более 98% ошибок времени выполнения, которые не удаётся диагностировать другими способами. Это позволяет не только создавать устойчивый ко взлому код, но и заметно облегчает написание любых программ, поскольку многие ошибки программирования, которые в ином случае остались бы незамеченными и привели бы к нестабильной работе программы, здесь обнаруживают себя на уровне аппаратуры и вызывают прерывание. Некоторым недостатком защищённого режима является снижение производительности примерно на 20%, что в отдельных случаях может быть нежелательно. Есть и другая проблема: практически весь существующий в среде open source код написан так, что использует приёмы программирования, не регламентированные стандартом языка Си. Поэтому запустить ядро ОС или приложения типа LibreOffice полностью в защищённом режиме пока что невозможно – и из-за стиля программирования, и из-за наличия в коде скрытых ошибок, которые придётся исправлять. Но можно запускать в защищённом режиме отдельные небольшие программы, наиболее критичные с точки зрения информационной безопасности, и они будут работать со стопроцентной надёжностью. Даже в обычном, «незащищённом» режиме работы «Эльбруса», надёжность системы ко взлому значительно повышается, поскольку стек связующей информации (цепочка адресов возврата при процедурных вызовах) отделен в нём от стека пользовательских данных и недоступен из программного кода. Это заметно затрудняет такой популярный вид атаки, как подмена адреса возврата.

Модули на микропроцессорах «Эльбрус»

В настоящее время ЗАО «МЦСТ» выпускает несколько готовых модулей на основе процессоров R1000 архитектуры SPARC, а также серию модулей на основе «Эльбрус». Каждый из модулей изготовлен в виде системной платы с набором необходимых внешних интерфейсов, по сути представляя собой готовый компьютер, требующий лишь подключения источника питания и накопителей для хранения данных, да и то не всегда (зачастую флеш-диск достаточного объёма распаян прямо на плате). Он выполнен в стандартном форм-факторе потребительского либо промышленного стандарта, и устанавливается в корпус заказчика. В настоящее время модули комплектуются процессорами «Эльбрус-2С+», а с началом серийного выпуска «Эльбрус-4С» элементная база будет обновлена.

В каталоге компании «МЦСТ» представлены следующие модули: МВКУБ/С, МВК/U, Монокуб, КУБ-COM, МВ3S/C-К. Первый из них содержит два процессора, остальные - один. Каждый модуль оснащён картой CompactFlash, использующейся либо для хранения системы двоичной трансляции, либо для установки ОС, причём последний из перечисленных модулей содержит также дополнительный SSD-диск стандарта mSATA. Пусть вас не вводит в заблуждение слово «куб» в названиях некоторых из них: форм-фактор конструктивного исполнения - Compact PCI, COM Express type 2 и mini-ITX, напоминающие в лучшем случае прямоугольный параллелепипед, а слово «куб» выбрано, видимо, только «для красоты». Ещё один модуль, МВ3С2/C, не содержит процессора, а предоставляет лишь набор периферийных интерфейсов. Заметим, что интерфейсных модулей существует большое множество, но мы не стали перечислять их все для экономии места.

Вычислительные комплексы

Этим научным термином в компании «МЦСТ» называют любые законченные компьютеры на основе процессора «Эльбрус», от ноутбука и до мощного сервера. Да, вы не ослышались: ноутбук на этом кристалле уже выпускается и носит гордое название «Носимый терминал НТ-ЭльбрусS». Конечно, ему пока ещё далеко по изяществу до Macbook Air, своим брутальным видом он напоминает, скорее, защищённые ноутбуки фирмы Panasonic или аналогичные.

НТ-ЭльбрусS

Характеристики «НТ-ЭльбрусS» достаточно скромные, но вполне достаточные для запуска «офиса» и подобных программ. А вот прочность конструкции находится на высоком уровне: аппарат не только способен нормально работать в широком диапазоне температуры (от -10 до +55°С) и влажности (вплоть до полного погружения под воду до глубины 1 м), но и вибрации, ударных нагрузках (вплоть до падения на бетон с высоты 0,75 м).

Полезным может оказаться и наличие универсального приёмника сигналов спутниковой навигации (ГЛОНАСС/GPS), а при необходимости может быть установлен адаптер Wi-Fi. Вот разве что разрешения экрана - 1024 на 768 точек - маловато для комфортной работы, да и батарею можно было бы поставить помощнее, так как заряда штатной хватает всего на 1 час.

Монокуб-РС

Другой ВК - «Монокуб-PC» - вполне сопоставим с недорогим офисным ПК, да и по размерам весьма похож на него. 4 ГБ оперативной памяти и 500 ГБ жёсткого диска, разумеется, могут быть заменены на другие стандартные компоненты нужного объёма, благо что интерфейсы внутри самые что ни на есть общедоступные: слоты DDR2 и разъёмы SATA II (правда, DDR2 смотрится в наши дни некоторым анахронизмом, да и по цене уже проигрывает DDR3). К нему подключается любой стандартный монитор с коннектором VGA или DVI, а также клавиатура и мышь. Лишь наличие интерфейсов GPIO слегка намекает нам на то, что перед нами не обычный офисный ПК, а изделие для лабораторно-промышленного применения.

КМ4-Эльбрус

Ещё одна традиционная компоновка - моноблок КМ4-Эльбрус, или конструкция «всё-в-одном». Это ПК, собранный в общем корпусе с монитором. Его экран обладает уже вполне достойным разрешением 1600 на 900 точек, более того, он сенсорный! Корпус, правда, несколько толстоват, но по большому счёту, малая толщина его - лишь дань моде. На рабочий стол он впишется вполне нормально, а при желании к нему можно без дополнительных средств подключить второй монитор, с разрешением вплоть до 1920 на 1440.

Экспериментальный 4-процессорный сервер на базе процессора Эльбрус-4С

И ещё один ВК, «Эльбрус-3С», является мощным модульным сервером с 16-ю процессорами (4 процессорных модуля по 4 процессора), 128 ГБ ОЗУ, встроенным коммутатором Gigabit Ethernet и оптическим контроллером сети. Он рассчитан на высокопроизводительные вычисления, а благодаря модульной конструкции, его конфигурация может сильно различаться, в зависимости от требований заказчика.

Вычислительные комплексы на основе микропроцессоров «Эльбрус»

Тесты, тесты, тесты

Наверняка многим из вас не терпится узнать, на что способны новые кристаллы в плане производительности? Есть ли у новой архитектуры преимущества в реальных задачах? Чтобы выяснить это, мы подготовили три «боевых» теста: архивацию и распаковку архиватором 7-zip, обработку видеосигнала цифровым фильтром, и шифрование информации по алгоритму ГОСТ. Такой выбор задач был сделан отчасти из-за того, что все они реализованы в виде приложений для ОС Linux, способной функционировать как на процессорах Эльбрус, так и на чипах производства Intel, что позволяет провести сравнительный анализ, а отчасти потому, что эти задачи входят в число наиболее типичных применений разработанных ВК (не забываем, что основными заказчиками оных являются различные предприятия). Характеристики тестовых стендов

Характеристики тестовых стендов приведены в таблице. Отметим лишь, что в день тестирования сервер на четырёх процессорах «Эльбрус-4С» с частотой 800 МГц оказался занят, и нам предложили такой же, работающий на частоте 700 МГц, что несколько повлияло на результаты. В принципе, ничто не мешает пересчитать их, умножив или разделив на 8/7, так как производительность сервера линейно зависит от частоты. Также следует иметь в виду, что все тесты выполнялись в однопоточном режиме; для хорошо распараллеливаемых задач, а к ним принадлежат все упомянутые тесты, с ростом числа задействованных ядер производительность будет возрастать практически линейно. Соперником наших героев, а также точкой отсчёта, послужил сервер на процессоре Intel Core i7-2600, работающем на частоте 3400 МГц.

Коммуникационными портами компьютеры "Эльбрус" не обделены

Первый тест, архивация по алгоритму 7-zip, является, пожалуй, антипримером, с точки зрения демонстрации эффективности отечественной архитектуры. Алгоритм 7-zip довольно сложен и плохо поддаётся оптимизации, поэтому общая скорость упаковки, измеряемая в мегабайтах в секунду (т.е. чем лучше производительность, тем больше числа), почти точно пропорциональна тактовой частоте, которая у российских кристаллов сильно уступает продукции лидера мирового процессоростроения. При распаковке ситуация чуть лучше: в самом деле, если частоты Core i7 и «Эльбрус-2С+» различаются в 3400/500=6,8 раза, то результаты теста лишь в 33,437/6,296=5,31 раза, что говорит о том, что работая на той же частоте, что и процессор Intel, «Эльбрус» смог бы его обойти!

С фильтрацией видеосигнала наш кристалл справляется лучше. Недаром эта область являлась одной из профильных при его разработке. Но не следует полагать, что тут задействованы дополнительные ядра встроенного DSP - так было бы «нечестно» по отношению к сопернику, поэтому тестовая программа использует только ядра общего назначения. Здесь «Эльбрус-2С+» медленнее лишь в 2,5 раза (тест измеряет время выполнения одной и той же задачи, так что здесь лучшей производительности соответствует меньшее число). «Эльбрус-4С» практически подобен своему собрату, выдавая результат во столько раз лучше него, во сколько раз различаются их тактовые частоты).

Но самый выигрышный результат оказался при шифровании по алгоритму ГОСТ, недаром он тоже разрабатывался нашими специалистами. Здесь «Эльбрус-2С+» выполнил задачу на 30% быстрее, несмотря на почти семикратную разницу в частоте, а «Эльбрус-4С» - почти в 2 раза быстрее! Что говорит о том, что эффективность отечественной архитектуры на подобных задачах лучше почти в 9 раз. Подробности можно лицезреть на скриншотах окна терминала. Не удивляйтесь, увидев неожиданное сообщение cpuinfo о странном процессоре «Эльбрус-2S»: именно так планировалось ранее назвать новый четырёхъядерный чип, но в последний момент он был переименован с целью отображения в названии количества ядер. Это же «старое» название можно прочесть и на фотографии крышки корпуса кристалла, массово отштампованной до этого момента.

Сравнительные результаты тестирования микропроцессоров

Вперёд, к светлому будущему?

Итак, всё выглядит не так уж и плохо? И да, и нет. Несмотря на успешный старт, у МЦСТ осталась ещё масса нерешённых проблем. Главная из них - поиск производственных мощностей для выпуска чипов. Пока «Эльбрус-2С+» производится на фабриках партнёров из Юго-Восточной Азии, что не очень-то вписывается в картину России, как независимой интеллектуальной державы. К тому же для изготовления нового чипа, «Эльбрус-4С», требуется более «тонкий» процесс с нормами литографии 65 нм. Однако, перечитывая новости прессы, можно заметить, что зеленоградский завод полупроводниковых компонентов «Микрон» не так давно разработал новую для России технологию – как раз 65 нм – и закупает под нее дополнительное оборудование в свою производственную линию. Очевидно, что именно туда планируется перенести производство «Эльбрус», но «гладко бывает только на бумаге»: чтобы запустить линию и наладить серийное производство, как правило, требуется не меньше двух лет, а то и заметно больше. К чести предприятия "Микрон" стоит отметить, что задача освоения нового технологического процесса - дело далеко не тривиальное (о том, как организовано производство процессоров мы расскажем в рамках отдельного репортажа).

Вторая актуальная проблема - рост тактовой частоты. Чтобы на равных конкурировать с мировыми производителями, неплохо бы поднять её хотя бы вдвое, а лучше впятеро. Казалось бы, этого можно достичь дальнейшим уменьшением норм техпроцесса, но не всё так просто. Сменив легковушке 100-сильный двигатель на 1000 л.с., не увеличить скорость со 150 до 1500 км/ч. Необходима существенная переработка топологии под новую частоту, отладка, тесты... Да и возможности производства в нашей стране на таких линиях пока призрачны. Проще линейно наращивать количество ядер, добавив кеш-памяти и слегка повышая частоту (по мере оптимизации внутренних узлов). Примерно так и сконструирован «Эльбрус-8С», разработка которого уже идёт полным ходом и должна завершиться в будущем году. Помимо повышения частоты до 1,3 ГГц, в нём вдвое (по сравнению с «Эльбрусом-4С») увеличено количество ядер, и во столько же раз - кеш-памяти, но не только: количество вычислительных устройств с плавающей запятой также возросло с 4-х до 6-ти, что дополнительно позволит выжать из него чуточку мощности, доведя итоговую производительность до впечатляющей цифры в 250 Гфлопс. Правда, уменьшение норм техпроцесса всё же планируется, что позволит сохранить или даже уменьшить при этом суммарное тепловыделение кристалла.

А что же дальше? Увидим ли мы когда-нибудь на прилавках обилие полностью, на 100%, отечественных ПК? Если и увидим, то очень не скоро. Несмотря на некоторые явные преимущества, по соотношению главных потребительских качеств «производительность/цена» наш «Эльбрус» всё ещё проигрывает конкурентам, а доплачивать за сомнительные преимущества в виде защищённого режима или эффективного шифрования массовый потребитель вряд ли захочет. Другое дело - корпоративный клиент, для которого надёжность работы и наличие полной документации является определяющим критерием. А так как всё равно в большинстве случаев систему для него придётся разрабатывать «под заказ», то здесь отечественный производитель может даже предложить более выгодную цену, чем зарубежный партнёр. Поэтому клиентов у МЦСТ пока хватает.

Что ж, пожелаем им удачи! И будем надеяться на то, что наша страна снова станет «супердержавой», как это уже было не раз.

			Важнейший перелом, если верить заявлению министра обороны Сергея Шойгу, произошел в отношении российского общества к армии. Число контрактников впервые превысило число призывников, а главное – иссяк поток бегущих из вооруженных сил. Наоборот, армия не может взять в свои ряды всех желающих. К 1 декабря Минобороны выполнит требование верховного...

			Само слово «армата» происходит от латинского arma («оружие»). Так в XIV веке на Руси называли примитивные пушки. Однако надо понимать, что шифры ОКР очень часто не несут никакой смысловой нагрузки. В именах нового оружия можно встретить и название садового вредителя, досаждающего на даче ответственному за выбор шифра офицеру, и драгоценных камней, и рек, цветов, и...

Увидев процессор Эльбрус-8С, сразу вспоминаешь старую шутку про то, что российские микропроцессоры самые большие в мире.

Корпус процессора действительно в несколько раз больше обычных процессоров, но необычен в Эльбрусе не только размер корпуса.

Сейчас в городе Иннополис под Казанью (кстати, это единственный город в России, построенный с нуля в 21 веке) проходит конференция ЦИПР - Цифровая Индустрия Промышленной России , на которой помимо процессоров Эльбрус представлены многие российские разработки и ведётся обсуждение будущего российской электроники и цифровой техники. За четыре дня в ЦИПР 2016 примут участие более трёх тысяч человек. В рамках 45 панельных сессий и 12 специальных мероприятий на конференции выступят 270 докладчиков.

Сейчас объём рынка российской электроники составляет почти три триллиона рублей.

Рост рынка российской электроники в 2015 году в различных сегментах составил от 2.5 до 15%.

В рамках выставки российских технологий на ЦИПР была показана линейка российских процессоров Эльбрус.

Предназначение этих процессоров - работа в серверах и рабочих станциях государственных учреждений и бизнес-структур, предъявляющих повышенные требования к информационной безопасности.

Процессоры Эльбрус полностью разработаны в России, в них не используются лицензированные компоненты западных компаний.

Более того, система команд у них тоже своя. Базовой операционной системой для этих процессоров является ОС "Эльбрус", построенная на базе ядра Linux. Для Эльбрус перекомпилированы многие популярные приложения. Кроме того есть режим программно-аппаратной эмуляции процессоров Intel, в котором на компьютер, построенный на процессоре Эльбрус, может быть установлена 64-битная Windows в которой успешно работают любые популярные приложения (например, 1С и Консультант Плюс).

8-ядерный 64-разрядный процессор Эльбрус-8С производится по технологии 28 нм и имеет вычислительную мощность 250 гигафлопс при рабочей частоте 1.3 ГГц. Процессор работает с обычной памятью DDR3. Полностью российская разработка гарантирует отсутствие закладок в процессоре, хоть он и изготавливается на тайваньской фабрике TSMC.

В России сейчас отлажено производство чипов лишь с техпроцессом 90 нм. По такой технологии производится одноядерный процессор Эльбрус-2СМ, который не только полностью разработан, но и произведён в России. Этот процессор может использоваться в оборудовании, не требующем больших вычислительных мощностей.

На выставке был показан работающий компьютер на процессоре Эльбрус-8С.

Сервер Эльбрус 4.4 на четырёх четырёхядерных процессорах Эльбрус-6С.

Помимо процессоров Эльбрус, на выставке было ещё много интересного, а на конференции обсуждаются такие важные темы, как перспективы внедрения в России мобильных сетей 5G, планы по созданию отечественной элементной базы, опыт производства электроники в России.

По мнению участников конференции уже через 4 года Россия сможет сама производить все критичные электронные компоненты для военных применений, а через 10 лет доля отечественных компонентов в разработках российской электроники (как военных, так и гражданских) может достигнуть 70%.

© 2016, Алексей Надёжин

На этой неделе Министерство промышленной торговли выдало компании «Т-Платформы» субсидию в размере 150 млн рублей, которая пойдет на , в котором будут использоваться отечественные .

Как сообщает Slovodel, отечественное «железо» будет превосходить западные аналоги по ряду важнейших критериев.

«Неубиваемый» ноутбук

«Т-Платформы» начала активную работу после введения западными странами санкций в рамках курса импортозамещения и уже реализовала несколько проектов. На данный момент компания разрабатывает два проекта. Первый посвящен ноутбуку, который создают на базе процессора х86 Intel, второй проект - полностью отечественная разработка на базе процессора Baikal-M компании «Байкал Электроникс», дочерней компании «Т-Платформы». При этом ноутбуки будут работать на операционной системе Linux, но по желанию заказчиков они будут встраивать Windows 10.

Все разработки компании поступают «на вооружение» отечественных компаний, имеющих инфраструктуру и людей, работающих в экстремальных условиях.

«В определенных сегментах такая вычислительная техника, безусловно, востребована, «промышленные» ноутбуки нужны для разведки месторождений, добычи газа и нефти, где сложные условия, в том числе и погодные, но вопрос, естественно, в цене: будут ли российские ноутбуки конкурентоспособны относительно зарубежных аналогов. Если мы собираемся развивать свою экономику, нам нужно иметь собственные технологии, не локализовать импортные, а именно производить собственное оборудование», – говорит председатель совета Ассоциации производителей электронной аппаратуры и приборов Светлана Аполлонова.

По расчетам разработчиков, для создания «промышленного» ноутбука им понадобится не менее года.

На смену Intel

До этого компания разработала российский двухъядерный процессор Baikal-T1 на 32-битном ядре MIPS Warrior. По словам представители российского холдинга «Рикор» Алексея Ванина, цены на отечественные процессоры будут варьироваться в пределах $50, тогда как тот же процессор Intel Core i3-3110M стоит сейчас $100. Комбинация процессора и высокоскоростных интерфейсов позволяет работать чипу быстро и при минимальной затрате энергии. Производитель заявляет о высокой конкурентоспособности российского процессора.

В прошлом году партия российского производства была отправлена в немецкий вычислительный центр Forschingszentrum Julich, Университет штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук, Рижский технический университет, Финский суперкомпьютерный центр CSC-IT Center for Science.

Также идут переговоры с российским производителем смартфонов Yota Devices. Основатель «Байкал Электроникс» Всеволод Опанасенко пояснил:

«Если мы достигнем соглашения, то начнем разрабатывать процессор для мобильных устройств».

Сейчас российскими процессорами , в том числе и из Тайваня и ряда европейских компаний. При этом, по данным статистики, объемы продаж процессоров Intel и AMD в России снижаются.

Дочерняя компания «Байкал Электроникс» при участии «Ростеха» и «Роснано» с 2014 года создает микропроцессоры Baikal для персональных компьютеров и микросерверов. В августе 2015 года Экспертный совет Фонда развития промышленности одобрил 500-миллионный рублевый займ для того, чтобы выпустить процессор Baikal-T1 в массовое производство. К 2020 году на рынок поступит не менее 5 млн этих процессоров.

В России, помимо процессоров МЦСТ, разработаны и производятся ещё куча хороших и добротных процессоров: есть Элвис, есть Модуль, есть НИИСИ РАН, есть Миландр, есть Кварк, есть Мультиклет…

КВАРК

Микропроцессор KVARC, собственная разработка компании КМ211, представляет собой 32-разрядный RISC микропроцессор общего назначения для встраиваемых применений. В основе лежит полностью российская, лицензионно чистая разработка на высокопроизводительном ядре с малым количеством логических вентилей и низким энергопотреблением.

Классическая архитектура

RISC, гарвардская архитектура
32-разрядные операнды
4Гб адресное пространство
5-ти стадийный конвейер
Большинство инструкций выполняются за 1 процессорный цикл
Статическое предсказание переходов
Диспетчер памяти (MMU) с аппаратной подкачкой страниц
32-разрядная системная шина

Быстродействие-энергопотребление на уровне процессоров ARM9/ARM11

> 600 МГц по технологии 90нм.
1,1 DMIPS/МГц
Высокая энергоэффективность 8,5 DMIPS/мВт (для сравнения ARM946E-E: 1,19 DMIPS/МГц и 8,6 DMIPS/мВт)
Умножение с накоплением 16×16, 2 такта
DSP расширение набора команд
32/16-разрядный набор команд, высокая плотность кода
FPU SP/DP опциональный модуль плавающей арифметики с одинарной и двойной точностью
Опциональный аппаратный кодек (видео MPEG2/MPEG4 кодирование-декодирование, аудио MP3)
Спящий режим с низким потреблением
Портированный FreeRTOS, Linux 2.6
Cи-компилятор GNU (GCC версии 3.4.3, 4.6.0), SDK на базе Eclipse
JTAG, отладчик GDB

МультиКлет

Микропроцессор MCp0411100101 имеет в своем составе мультиклеточное процессорное ядро – первое процессорное ядро с принципиально новой (пост-неймановской) мультиклеточной архитектурой российской разработки. Мультиклеточный процессор предназначен для решения широкого круга задач управления и цифровой обработки сигналов в приложениях, требующих минимального энергопотребления и высокой производительности.

Данный мультиклеточный процессор состоит из 4 клеток (когерентных процессорных блоков), объединенных интеллектуальной коммутационной средой.

НИИСИ

Разрабатывает процессоры серии Комдив на основе архитектуры MIPS. Техпроцесс - 0.5 мкм, 0.3 мкм; КНИ.

КОМДИВ32, 1890ВМ1Т, в том числе в варианте КОМДИВ32-С (5890ВЕ1Т), стойком к воздействию факторов космического пространства (ионизирующему излучению)

НТЦ Модуль

1879ВМ4Разработал и предлагает микропроцессоры семейства NeuroMatrix:

1998 год, 1879ВМ1 (NM6403) - высокопроизводительный специализированный микропроцессор цифровой обработки сигналов с векторно-конвейерной VLIW/SIMD архитектурой. Технология изготовления - КМОП 500 нм, частота 40 МГц.
2007 год, 1879ВМ2 (NM6404) - модификация 1879ВМ1 с увеличенной до 80 МГц тактовой частотой и 2Мбитным ОЗУ, размещённым на кристалле процессора. Технология изготовления - 250 нм КМОП.
2009 год, 1879ВМ4 (NM6405) - высокопроизводительный процессор цифровой обработки сигналов с векторно-конвейерной VLIW/SIMD архитектурой на базе запатентованного 64-разрядного процессорного ядра NeuroMatrix. Технология изготовления - 250 нм КМОП, тактовая частота 150 МГц.
Благодаря ряду аппаратных особенностей микропроцессоры этой серии могут быть использованы не только в качестве специализированных процессоров цифровой обработки сигналов, но и для создания нейронных сетей.
КОМДИВ64, КОМДИВ64-СМП
Арифметический сопроцессор КОМДИВ12

ГУП НПЦ ЭЛВИС

Разрабатывает и производит микропроцессоры серии «Мультикор», отличительной особенностью которых является несимметричная многоядерность. При этом физически в одной микросхеме содержатся одно CPU RISC-ядро с архитектурой MIPS32, выполняющее функции центрального процессора системы, и одно или более ядер специализированного процессора-акселератора для цифровой обработки сигналов с плавающей/фиксированной точкой ELcore-xx (ELcore=Elvees’s core), основанного на «гарвардской» архитектуре. CPU-ядро является ведущим в конфигурации микросхемы и выполняет основную программу. Для CPU-ядра обеспечен доступ к ресурсам DSP-ядра, являющегося ведомым по отношению к CPU-ядру. CPU микросхемы поддерживает ядро ОС Linux 2.6.19 или ОС жесткого реального времени QNX 6.3 (Neutrino).

2004 год, 1892ВМ3Т (MC-12) - однокристальная микропроцессорная система с двумя ядрами. Центральный процессор - MIPS32, сигнальный сопроцессор - SISD ядро ELcore-14. Технология изготовления - КМОП 250 нм, частота 80 МГц. Пиковая производительность 240 MFLOPs (32 бита).
2004 год, 1892ВМ2Я (MC-24) - однокристальная микропроцессорная система с двумя ядрами. Центральный процессор - MIPS32, сигнальный сопроцессор - SIMD ядро ELcore-24. Технология изготовления - КМОП 250 нм, частота 80 МГц. Пиковая производительность 480 MFLOPs (32 бита).
2006 год, 1892ВМ5Я (MC-0226) - однокристальная микропроцессорная система с тремя ядрами. Центральный процессор - MIPS32, 2 сигнальных сопроцессора - MIMD ядро ELcore-26. Технология изготовления - КМОП 250 нм, частота 100 МГц. Пиковая производительность 1200 MFLOPs (32 бита).
2008 год, NVCom-01 («Навиком») - однокристальная микропроцессорная система с тремя ядрами. Центральный процессор - MIPS32, 2 сигнальных сопроцессора - MIMD DSP-кластер DELCore-30 (Dual ELVEES Core). Технология изготовления - КМОП 130 нм, частота 300 МГц. Пиковая производительность 3600 MFLOPs (32 бита). Разработан в качестве телекоммуникационного микропроцессора, содержит встроенную функцию 48-канальной ГЛОНАСС/GPS навигации.
В качестве перспективного проекта НПЦ ЭЛВИС представлен MC-0428 - процессор MultiForce - однокристальная микропроцессорная система с одним центральным процессором и четырьмя специализированными ядрами. Технология изготовления - КМОП 130 нм, частота до 340 МГц. Пиковая производительность ожидается не менее 8000 MFLOPs (32 бита)

ОАО Ангстрем

Производит (не разрабатывает) следующие серии микропроцессоров:

1839 - 32-разрядный VAX-11/750-совместимый микропроцессорный комплект из 6 микросхем. Технология изготовления - КМОП, тактовая частота 10 МГц.

1836ВМ3 - 16-разрядный LSI-11/23-совместимый микропроцессор. Программно совместим с PDP-11 фирмы DEC. Технология изготовления - КМОП, тактовая частота 16 МГц.

1806ВМ2 - 16-разрядный LSI/2-совместимый микропроцессор. Программно совместим с LCI-11 фирмы DEC.Технология изготовления - КМОП, тактовая частота 5 МГц.

Л1876ВМ1 32-разрядный RISC микропроцессор. Технология изготовления - КМОП, тактовая частота 25 МГц.

Из собственных разработок Ангстрема можно отметить однокристальную 8-разрядную RISC микроЭВМ Тесей.

МЦСТ

Разработано и внедрено в производство семейство универсальных SPARC-совместимых RISC-микропроцессоры с проектными нормами 130 и 350 нм и частотами от 150 до 500 МГц (серия - МЦСТ-R и вычислительные комплексы на их основе Эльбрус-90 микро). Также разработан VLIW-процессор Эльбрус с оригинальной архитектурой ELBRUS, используется в комплексах Эльбрус-3М1).

Основные потребители российских микропроцессоров - предприятия ВПК.

Газета «ЧЕСТНОЕ СЛОВО» продолжает в рамках проекта «Инновации: достижения и проблемы» разговор о злободневных вопросах развития российских высокотехнологических отраслей. Можно ли что-то сделать для воссоздания элементной базы отечественной микроэлектроники? Мы собрали и проанализировали материалы из десятков источников, собрали мнения специалистов профильных институтов СО РАН для того, чтобы попытаться создать цельную картину проблемы. Слишком уж болезненно воспринимается технологическое отставание отечественной микроэлектронной отрасли, слишком большую цену приходится платить стране за это отставание в условиях санкций и экономической войны, объявленной США и Евросоюзом.

Новые российские микропроцессоры

Попытки создать отечественные микропроцессоры в последние годы были - появились процессоры «Байкал-Т1» и семейство процессоров ЗАО «МЦСТ» «Эльбрус», включая «Эльбрус-2СМ» производства завода «Микрон». Однако в России существует производство только по технологическому процессу 90 нм (нанометров). Процессоры «Эльбрус-8С» и «Байкал-Т1» по технологии 28 нм только разрабатывались в России, а производятся они на Тайване. Выпускаются у нас и процессоры военного применения «КОМДИВ» - это семейство микропроцессоров, разработанных в Научно-исследовательском институте системных исследований Российской академии наук (НИ РАН) в 2000-х годах. Изготавливаются они по технологическому процессу 350 нм, обладают высокой радиационной стойкостью, тройной системой резервирования, отличаются абсолютным отсутствием шпионских «закладок» (в отличие от импортных процессоров) и применяются в бортовых вычислительных комплексах военной и космической техники. Отказоустойчивость схем, производимых в НИ РАН, одна из лучших в Европе. Что важно, это производство собрано и налажено самостоятельно. Зеленоградские заводы «Микрон» и «Ангстрем» используют оборудование, закупленное у международных компаний ST, AMD и IBM. Белорусское предприятие «Интеграл» выпускает микропроцессоры и СБИС (сверхбольшие интегральные схемы) по технологическому процессу 350 нм.

Однако возможности получать передовое фотолитографическое оборудование для производства процессоров по технологическому процессу менее 30 нм вследствие экспортных ограничений США и Евросоюза для России сегодня нет. США специально накладывают ограничения на трансфер технологии для постройки полупроводниковых производств в России по самым последним нормам. А тайваньских производителей процессоров по российским заказам американцы в любой момент могут одернуть, пригрозив суровыми экономическими последствиями. Это реальность, ее необходимо учитывать при планах создания отечественной элементной базы микроэлектроники. Как и тот факт, что создание завода по производству современных отечественных микропроцессоров будет стоить порядка 7-10 миллиардов долларов.

Сейчас же российские производители делают процессоры по технологиям, отстающим от ведущих зарубежных производителей микроэлектроники как минимум на 10 лет. Наши процессоры стабильно работают, не с очень большими частотами, и их характеристики тяжело сравнить с современными западными образцами. Слишком малочисленны группы разработчиков, слишком много утеряно опыта в проектировании архитектуры процессоров, слишком медленно создавались российские технологические линии по производству чипов.

Четверть века недофинансирования отрасли

За прошедшие 25 лет значительная часть отечественного научно-производственного потенциала микроэлектроники была утрачена - по причине хронического недофинансирования, по причине распродажи и перепрофилирования многих предприятий отрасли, распада научных коллективов и отъезда разработчиков за границу. На берегу Бердского залива стоит многоэтажное здание с синим остеклением - это бывшее СКТБ «Микроэлектроника», а ныне бизнес-центр. В свое время Министерство электронной промышленности СССР планировало организовать там производство гибридных интегральных микросхем. Теперь там банк и офисы коммерческих фирм. А за рубежом работа по усложнению и специализации гибридных схем велась непрерывно, и сегодня сердцем большинства мобильных телефонов и смартфонов являются именно гибридные СБИС, нередко включающие в себя довольно мощный процессор.

Немногочисленные российские проектные бюро сегодня заказывают производство своих процессоров на Тайване по технологии 28 нм, а полностью российские процессоры выпускаются несколькими предприятиями по технологии 90 нм, они только начинают нащупывать подходы к процессу 65 нм. Это тоже хорошо, это пригодится при полноценном воссоздании отрасли. В то же время мировой лидер технологической гонки Intel уже подходит к процессу 14 нм. Отставание таково, что его не сократить за несколько лет, вбухивая в отрасль миллиарды долларов для покупки устаревших технологических линий. Требуются прорывные, нестандартные решения, исходящие прежде всего от отечественных ученых. Требуется воля таких руководителей, как вице-премьер Дмитрий Рогозин, чтобы осуществить стратегический проект производства элементной базы отечественной микроэлектроники.

Например, в 1980-х почти в каждой лаборатории появились компьютеры ДВК и персональные рабочие места ЭВМ линейки ЕС, созданные исключительно на оте-чественной элементной базе. Планировалось создание производства аналогов «персоналок» PC XT в Белоруссии. К сожалению, стихийный переход к рынку и хлынувшие в Россию потоки импортной микроэлектроники и компьютеров обрушили российскую микроэлектронную отрасль. Сегодня приходится говорить о производстве отечественных микросхем и процессоров только для военной и космической техники и для государственных нужд, таких как обеспечение МЧС, спутникового мониторинга, защита правительственной и ведомственной информации. Когда появятся конкурентоспособные российские процессоры для массового потребителя, приходится только гадать. Вкладывать в их производство деньги - бизнес высокого риска. Но для стратегических отраслей и для армии Россия может производить собственные микросхемы и процессоры на российской территории.

Уроки истории

Если вернуться к истории мировой микроэлектроники, то для нее знаковым был год 1980-й, год создания первого массового и удачного процессора Intel 8080. Отечественные процессоры в то время по своим характеристикам не сильно отставали от зарубежных. Соблюдался даже паритет по финансированию развития микроэлектроники в СССР и США, примерно по 15 миллиардов долларов за 1985-1989 годы. Однако результаты были разные. Американские компании микроэлектронной отрасли получили прибыль от 150 до 200 миллиардов долларов, десятикратно окупив вложения в разработки новых технологий. И надо помнить, что в США были и остаются совершенно секретными не столько технологические линии производства электронных компонентов, сколько оборудование по созданию этих самых линий. По некоторым оценкам, СССР получил убыток 100-150 миллиардов долларов за счет чудовищно малого выхода годных изделий. Именно в 1980-е годы был выработан экономический стандарт для микроэлектроники - выход годных изделий должен быть более 95 процентов, в идеале он должен превышать 99 процентов. В условиях советской плановой экономики это требование не являлось обязательным. Так, на одном из предприятий по одному виду изделий, производство которых находилось в стадии освоения, выход годных составлял около 1,5 процента. В США в первый год по аналогичному изделию выход годных составлял 16 процентов. В 1985 году сотрудник завода «Ангстрем» так оценивал качество выпускаемых микросхем: «Процент годных микросхем от общего числа изготовленных не достиг общемирового показателя. Он намного ниже. На разных типах изделий и на разных установках он колеблется от 1 до 25 процентов. В США выход годных составляет более 70 процентов, в Японии 90-100 процентов. Причина - низкий уровень технической базы, отсталое оборудование». Главная беда советской микроэлектроники заключалась в низком качестве отработки технологии и в нарушении технологических режимов. Даже хорошее оборудование не давало высоких производственных результатов, потому что результаты зависели от качества технологии. В итоге само качество отладки технологии, как правило, оставалось очень низким, и предприятия работали «на свалку».

Эта болезнь отечественной полупроводниковой отрасли, по-видимому, продолжает преследовать наши предприятия и сегодня. Несколько лет назад было громко объявлено о программе «Силовая электроника Сибири», в реализации которой главную роль играл бы кластер новосибирских электронных предприятий. Однако при реализации программы возникли трудности технического и технологического характера. Оказалось, что за годы реформ и стагнации оте-

чественной отрасли зарубежные конкуренты далеко продвинулись в области интегральной силовой электроники, производя приборы по нормам 180-350 нанометров. А сибирские производители силовой электроники располагали базой для производства приборов по норме 1000-2000 нм. Попытка выпуска пробных партий силовых приборов с современными характеристиками привела к выходу годных изделий в 5-20 процентов. То есть более грубая технология не обеспечила выполнение строгих требований повторяемости требуемых характеристик. А на покупку импортного оборудования для производства современной силовой электроники в условиях жестких технологических санкций рассчитывать не приходится. Проблему придется решать своими силами.

Комментарий Владимира Павловича Попова, доктора физико-математических наук, заведующего лабораторией физических основ материаловедения кремния им. академика А. В. Ржанова СО РАН:

"О проблеме импортозамещения в микроэлектронике"

Более 120 тысяч наименований импортной электронной продукции заместить приборами отечественного производства трудно. Если не сказать - невозможно. Но именно такая номенклатура потребляется российскими производителями электронной продукции стратегического назначения, и кроме мировой промышленности, такую номенклатуру никакая отечественная отрасль обеспечить не может! По-видимому, будет нужна унификация, тем более, что основная часть импортных микросхем похожа по функциональности друг на друга. Реально необходимо замещать 1 - 5 процентов от импортных микросхем. Если идти по пути унификации, то решить проблему импортозамещения в течение 5 - 6 лет возможно. Часть микроэлектроники необходимо делать у себя, это наиболее стратегически важные полупроводниковые приборы и микросхемы, а часть продолжать закупать за рубежом. Пытаться заместить абсолютно все собственным производством - бессмыслица! Например, в советское время из 400 материалов, необходимых для микроэлектронной промышленности, у нас производилось всего 38, а все остальное импортировалось. Ситуация сейчас не изменилась, в каких-то аспектах стала намного хуже. Большая часть материалов, приборов и технологического оборудования остается все-таки импортируемой. Наладить производство всего самим трудно. Тем более, мир не стоит на месте, развитие мировой микроэлектроники идет достаточно быстро. Догонять необходимо только в стратегически важных областях и пытаться именно там достигать прорывных результатов. Для России эти направления определены Правительством РФ - это оборона, транспорт, космос, атомная отрасль. Для них необходимо наладить собственное производство оборудования, в том числе микроэлектроники, чтобы удовлетворить потребности стратегических отраслей в любых, самых неблагоприятных ситуациях.

Алексей Степанов,

"ЧЕСТНОЕ СЛОВО"