Для преодоления санкций важно широко развернуть отечественное производство микропроцессоров. Какие есть возможности для организации такого производства в минимальные сроки? Каким архитектурам стоит отдавать предпочтение: полностью отечественным или зарубежным открытым?
- Введение
- SPARC и MIPS. Старые, но небесполезные
- «Эльбрус». Переосмысление советского наследия
- ARM. Русские версии
- OpenPOWER. Первый опыт аппаратного Open Source
- RISC-V. Новые надежды
- На что можно рассчитывать из разработок КНР?
- Выводы
Введение
Задолго до витка санкций и прочих ограничений, который начался в 2022 году, и даже до 2014 года, когда были объявлены первые рестрикции против государственных структур и отдельных компаний, шла активная дискуссия о том, как создавать отечественные решения, в том числе аппаратные. Тут были возможны два варианта: создать «с нуля» или воспользоваться теми технологиями, которые предлагаются с открытыми спецификациями.
У каждого из таких подходов есть преимущества и слабые места. У полностью отечественных решений намного меньше вероятность столкнуться с разного рода недекларированными возможностями (НДВ). В зарубежной продукции такие не редкость. Можно вспомнить хотя бы знаменитые уязвимости Spectre и Meltdown в продукции Intel и AMD, которые за 6 лет так окончательно и не устранили, пусть и смягчив на уровне микрокода. Однако обратной стороной является длительный цикл разработки и высокая цена. Также «с нуля» невозможно разработать решение, пригодное для всех классов оборудования.
Решения с открытым кодом, а такие среди аппаратных средств также есть, и даже не одно, позволяют развернуть производство уже здесь и сейчас, без полного цикла разработки. Многие из решений с открытой спецификацией позволяют создавать чипы для практически любых применений — от носимой электроники до серверов. Обратной стороной являются риски, связанные с возможной атакой на цепочку поставок, что требует тщательного аудита таких разработок.
Плюс ко всему, не все, но значительная часть таких проектов находится под контролем компаний, которые могут ограничивать участие в них. Такого рода прецеденты уже есть, например, российских участников исключили из консорциума OpenRAN для разработки операторского оборудования для мобильных сетей, и 11 российских разработчиков вывели из списка мейнтейнеров ядра Linux. Также МГТУ им. Баумана вывели из числа участников консорциума OpenPOWER сразу же после включения в санкционные списки в 2021 году.
Тем не менее дискуссия продолжается, пусть и не всегда становится публичной. Однако по-своему правы все ее участники.
SPARC и MIPS: старые, но небесполезные
Первые коммерческие процессоры на архитектуре MIPS R2000 были представлены в 1985 году. В начале 1990-х архитектура MIPS стала лицензируемой. С самого начала эту возможность отстаивал профессор Стэнфордского университета, руководитель группы разработчиков данной архитектуры, Джон Хеннесси.
В итоге количество лицензиатов данной архитектуры идет на десятки. И хотя развитие архитектуры закончилось в 2003 году с выходом чипа R24K, микропроцессоры на данной архитектуре производятся до сих пор, несмотря на потерю рынка рабочих станций, серверов и суперкомпьютеров, мобильных телефонов и карманных устройств. Однако в таких сегментах как сетевое оборудование, промышленные контроллеры, средства печати и копирования, карманные игровые приставки, MIPS закрепиться вполне удалось.
Среди лицензиатов MIPS была и российская «Байкал Электроникс». Именно на MIPS был построен процессор Байкал-Т (рис. 1), который применялся в некоторых видах оборудования. Однако «прославился» данный процессор скандальной тяжбой между компанией «Т-Платформы» и МВД России, которое не удовлетворили эксплуатационные характеристики оборудования на базе Байкал-Т. Этот процесс в итоге вылился в уголовное дело, в рамках которого были арестованы генеральный директор «Т-Платформ» Всеволод Опанасенко и начальник управления связи департамента ИТ, связи и защиты информации МВД Александр Александров.
Также при разработке китайской архитектуры LongArch использовались наработки MIPS, но это уже продукт весьма глубокой переработки старой архитектуры.
Рисунок 1. Процессор Байкал-Т на архитектуре MIPS
Архитектура SPARC была открытой изначально, с 1985 года. Система команд данного процессора опубликована как стандарт, а ее спецификация лицензируется всем желающим за довольно скромную сумму (85 долл.). Архитектуры LEON на базе SPARCv8 и OpenSPARC на основе SPARCv9 являются доступными для всех желающих безо всякой оплаты. Впрочем, даже последний представляет собой разработку 2005 года.
Среди лицензиатов SPARC была и компания «Московский центр SPARC-технологий», или МЦСТ. Она проектировала процессоры МЦСТ-R, производство которых было размещено на французских площадках. Эти процессоры применялись для создания программно-аппаратных комплексов «Эльбрус-90микро», заказчиком которых было российское Минобороны. Последний из процессоров МЦСТ R2000 был разработан в 2018 году. Однако главной разработкой МЦСТ стал оригинальный «Эльбрус».
«Эльбрус»: переосмысление советского наследия
Само название архитектуры «Эльбрус» происходит от английской аббревиатуры ELBRUS (ExpLicit Basic Resources Utilization Scheduling, явное планирование использования основных ресурсов). Как сообщает официальный сайт МЦСТ, работа над данной архитектурой началась в 1986 году в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) им. С. А. Лебедева Академии наук СССР под руководством Бориса Бабаяна. При ее создании использовался опыт, накопленный в ходе работ над суперкомпьютерами семейства «Эльбрус», которые начались еще в 1973 году под руководством академика Всеволода Бурцева.
Для продолжения работ над архитектурой разработчики создали компанию МЦСТ. Финансирование разработок производилось за счет коммерческой деятельности, в частности дистрибуции различных видов оборудования и выпуска продукции, в том числе процессоров на архитектуре SPARC для рынка.
Особенностями архитектуры «Эльбрус» являются:
- выполнение нескольких операций за один такт (до 41 на новейших моделях);
- аппаратный контроль целостности памяти;
- отсутствие микрокода, компилятор конвертирует программный код сразу в двоичный.
Первый микропроцессор на архитектуре «Эльбрус» (логотип на рис. 2) был представлен в 2008 году. Он был встречен несколько неоднозначно. С одной стороны, многие из возможностей отечественной архитектуры выглядели многообещающе, особенно при условии их использования разработчиками. Но, с другой стороны, производительность процессоров на массовом ПО оказалась не слишком высокой.
На его базе выпускались серверы, рабочие станции, даже ноутбуки (рис. 3). Есть пример использования оборудования на архитектуре «Эльбрус» для промышленной автоматизации: на них основана система управления одной из цифровых подстанций компании «Россети».
Рисунок 2. Логотип серии процессоров «Эльбрус»
Рисунок 3. Ноутбук на архитектуре «Эльбрус»
С 2008 года разработчики выпустили 5 поколений архитектуры «Эльбрус». Производительность процессоров за 13 лет выросла в 300 раз. Однако для многих задач ее все равно оказалось недостаточно. Так, результат тестирования «Сбербанком» нескольких серверов на базе «Эльбрус-8С» показал «катастрофическое» отставание от Intel Xeon. В целом оборудование соответствовало лишь 7 из 44 параметров.
МЦСТ удалось организовать в России производство только ограниченного круга процессоров по старым техпроцессам. Более-менее современные чипы производились на фабриках TSMC на Тайване, но после 27 февраля 2022 года тайваньская компания разорвала все контракты с российскими заказчиками, среди которых оказались не только МЦСТ, но и «Байкал Электроникс», «НПЦ ЭЛВИС» и «КНС Групп» (YADRO).
Попытки МЦСТ передать производство на имеющиеся в России предприятия, в частности, завод «Микрон», оказалась безуспешными. Сын основателя МЦСТ Бориса Бабаяна Евгений Бабаян заявил о планах адаптировать последние модели «Эльбрусов» под имеющиеся в России мощности. Для этого необходимы 30 млрд рублей инвестиций в течение 3 лет. Однако представители отрасли оценили данный проект довольно скептически, и никакой информации о его продвижении с 2023 года нет.
В итоге к осени 2024 года МЦСТ оказался в предбанкротном состоянии и был передан во внешнее управление прямому конкуренту «НПЦ ЭЛВИС».
ARM: русские версии
Британская компания ARM лицензирует использование данной архитектуры всем желающим уже почти 40 лет. Среди них очень много известных разработчиков, включая Apple, NVIDIA, MediaTek, Microsoft, Qualcomm, Samsung и множество других. На ее основе построены процессоры, используемые в самом широком спектре оборудования, от носимой электроники до серверов. До 90% всех процессоров, используемых в мире, относится к архитектуре ARM. Истории и перспективам данной архитектуры мы посвятили отдельный материал.
Среди российских лицензиатов ARM наиболее заметны «Байкал Электроникс» и «НТЦ ЭЛВИС». «Байкал-М» (рис. 4) и «Скиф» (рис. 5) появились одновременно: в 2019 году. Уровень производительности, которого они позволяют достичь, также очень близок. Причем данные чипы не задумывались как конкуренты: «Байкал-М» предназначены для персональных систем, в том числе ноутбуков, и малых серверов, а «Скиф» — для мобильных устройств. Впрочем, ПК «Акинак» на базе «Скифа» также выпускались.
Рисунок 4. Процессор «Байкал-М»
Рисунок 5. Процессор семейства «Скиф»
Однако все испортила зависимость от зарубежных контрагентов. Производство обоих семейств чипов удалось организовать только на Тайване, на мощностях TSMC, поскольку техпроцесс 28 нм российские предприятия так и не смогли освоить. 27 февраля 2022 года TSMC прекратила производство и отгрузки уже произведенных изделий для российских заказчиков, в числе которых оказались и «Байкал Электроникс», и «НТЦ ЭЛВИС».
«Байкал Электроникс» к тому же попал под санкции Великобритании, что автоматически означает разрыв всех отношений с ARM. Тот сборщик, который согласится выпускать чипы этой компании, станет нарушителем не только санкционного режима, но и законов об авторском праве. Другим выходом был бы переход на другую архитектуру, у которой нет собственника, например, MIPS или RISC-V, что влечет дополнительные траты. Компания выбрала миграцию на RISC-V.
Плюс ко всему, Минпромторг запретил использование электроники, разработанной на закрытых зарубежных архитектурах, на объектах критической информационной инфраструктуры. Под данный запрет подпадают как x86, так и ARM.
OpenPOWER: первый опыт аппаратного Open Source
Консорциум OpenPOWER был учрежден в 2013 году. Его основателем была корпорация IBM, которая открыла спецификации процессоров на архитектуре POWER, а также исходные коды всех прошивок и другого ПО. За год в состав OpenPOWER вошло 60 компаний.
В апреле 2015 года в состав консорциума OpenPOWER вошла компания YADRO. В 2017 году YADRO выпустила на рынок серверы VESNIN (рис. 6) и СХД TATLIN (рис. 7). YADRO по итогам 2021 году заняла второе место по выручке на российском рынке серверов и получила в консорциуме OpenPOWER платиновый статус. Помимо YADRO, в OpenPOWER также входили МГТУ им. Баумана и «Рикор».
Рисунок 6. Сервер VESNIN на основе архитектуры OpenPOWER
Рисунок 7. СХД TATLIN на основе архитектуры OpenPOWER
Однако всё изменили санкции. Первым пришлось покинуть консорциум МГТУ им. Баумана, который попал под американские санкции в 2021 году. YADRO попала под ограничения в феврале 2023 года, и спустя 4 месяца компания покинула консорциум «в связи с очевидными организационными сложностями в поддержании высокого темпа дальнейшей совместной работы и с учетом стратегического долгосрочного выбора в пользу архитектуры RISC-V».
RISC-V — новые надежды
Архитектура RISC-V была представлена в 2010 году. Ее разработкой занималась группа исследователей из Университета Беркли в Калифорнии, в которой активное участие принял Дэвид Паттерсон, один из авторов концепции RISC-процессоров. Руководителем группы разработчиков RISC-V был профессор Крсте Асанович.
Она изначально была открытой и доступной для всех желающих безо всяких ограничений. Ситуация с отзывом лицензий, как в случае ARM, тут невозможна в принципе. Американский Конгресс в 2023 году пытался ограничить доступ к разработкам RISC-V для китайских компаний, но оказалось, что сделать этого невозможно. Тем более, что RISC-V International базируется в Швейцарии, причем целью релокации была минимизация политических рисков, связанных с возможным вмешательством властей. К слову, 13 из 25 мест в совете директоров RISC-V International занимают представители китайских организаций и компаний.
«RISC-V определит развитие компьютерной индустрии на ближайшие 50 лет», — заявил исполнительный директор фонда RISC-V Foundation Рик О’Коннор в интервью РБК. Задачей данной архитектуры, по его словам, является возвращения динамизма развития отрасли, который на рубеже нулевых и десятых заметно снизился: c 2007 по 2011 год максимальная частота процессора увеличилась на 33%, тогда как с 1994 по 1998 год этот показатель вырос на 300%.
Среди преимуществ RISC-V выделяют 4 главных:
- Открытый исходный код RISC-V позволяет любому использовать и настраивать его без уплаты патентных отчислений, роялти и лицензирования.
- Конструкция RISC-V позволяет разработчикам выбирать различные модули и создавать собственные наборы инструкций, отвечающие конкретным потребностям.
- Открытость RISC-V привлекает участие многих компаний и исследовательских институтов.
- RISC-V можно использовать для встраиваемых систем, устройств Интернета вещей, серверов и других областей.
По прогнозам, в 2025 году количество устройств на архитектуре RISC-V достигнет 80 млрд. По оценкам аналитиков, как минимум до 2030 среднегодовые темпы роста поставок оборудования на платформе RISC-V будет сохраняться на уровне 40%.
Довольно популярна архитектура RISC-V для электроники, применяемой на космических аппаратах. Их используют НАСА, Европейское космическое агентство и Китайское национальное космическое управление. На основе данной архитектуры будут базироваться автономные роботы, которые будут работать на поверхности Луны и Марса.
Также ставку на RISC-V во многом делают Китай и Индия. Причем Китай разработал форк RISC-V под названием RISC-X на случай возможных ограничений со стороны властей других стран. Индия в 2022 году объявила о разработке «дорожной карты» развития национальной микроэлектронной промышленности.
В условиях России важным преимуществом RISC-V является то, что их производство уже освоила отечественная промышленность. Так, завод «Микрон» еще в 2021 году начал производить чипы «MIK32 АМУР».
Рисунок 8. Процессор «MIK32 АМУР» производства завода «Микрон» на архитектуре RISC-V
Координатор Индустриального комитета Российского альянса RISC-V Татьяна Андреева в интервью журналу «Телеспутник» заявила, что уже в 2025 году стоит ожидать появления процессоров, пригодных для создания персональных систем.
В Китае ноутбуки на RISC-V уже производят серийно (рис. 9). Впрочем, их производительность пока невысокая.
Рисунок 9. Ноутбук DC-ROMA II компании Deep Computing
На что можно рассчитывать из разработок КНР?
Китайские разработчики действительно добились определенного прогресса в разработке процессоров, причем среди них есть те, которые были сделаны самостоятельно. Есть и разработки, которые основывались на наработках международных компаний, которые разными путями попали к китайским вендорам.
Среди почти на 100% китайских разработок наиболее известна архитектура LongArch компании Loongson Technology. Разработка LongArch началась еще в 2001 году на основе архитектуры MIPS. Первоначально коллектив разработчиков работал на базе Института компьютерных технологий Академии наук Китая, который был лицензиатом MIPS. Но в 2010 году команда под руководством Ху Вэйу перешла в Loongson, которая была создана для коммерциализации разработок.
Процессоры на базе новой архитектуры были выпущены в продажу в 2021 году (рис. 10). Разработчики особо подчеркивали, что новая архитектура не нарушает ничьих патентных прав, хотя на ранних стадиях развития они позиционировались как MIPS-совместимые. Важно отметить, что все чипы на архитектуре LongArch, включая анонсированные новейшие на 7-нм техпроцессе, производятся внутри КНР.
Архитектуру LongArch поддерживают Linux, в том числе ОС семейства «Альт» от российской «Базальт СПО». Работает на ней и ряд BSD-систем.
Рисунок 10. Процессор Loongson LS3A5000, первый коммерческий чип на архитектуре LongArch
Производительность актуальной модели 3A6000, как показывают тесты, достаточная для большинства типовых применений, но не выдающаяся (рис. 11). Хотя прирост с предыдущим поколением составил почти 70%. Однако у новейшего процессора, в котором количество ядер может достигать 128, уровень производительности обещает вырасти существенно сильнее.
Главная проблема, однако, состоит в том, что чипов не хватает для внутренних нужд госучреждений и компаний самого Китая, так что экспорт их запрещен. Для России обещали сделать исключение, но о реальных поставках пока речи не идет. Хотя желающие могут купить системы на базе LongArch на китайских маркетплейсах. Цена на готовый ПК начинается с 47 тыс. рублей.
Рисунок 11. Результаты тестов производительности процессора 3A6000
Более интересны могут оказаться продукты от Zhaoxin. Она приобрела всю интеллектуальную собственность компании VIA Technologies, продукция которой была одно время популярна у поставщиков бюджетных ПК, как настольных, так и портативных. Хотя бы потому, что речь идет о чипах на привычной x86-64.
Производительность актуальной модели Zhaoxin KX-7000 (рис. 12) находится на уровне Intel Core i5 7-го поколения. В целом все выглядит достойно, если только речь не идет об играх и других особо «тяжелых» приложениях. Довольно скромной оказалась и производительность встроенной графики. Однако для большинства профессиональных применений таких чипов более чем достаточно. И производятся они на фабриках внутри КНР.
Рисунок 12. Чип Zhaoxin KX-7000
Еще одним потенциальным поставщиком чипов может стать Huawei с чипами семейства Kirin на архитектуре ARM. И хотя ARM отказала китайским компаниям в предоставлении наиболее передовых разработок еще в 2022 году, крупные разработчики накопили достаточный потенциал для совершенствования тех решений, которыми они располагают. Также китайские компании, в том числе и Huawei, адаптировали собственные производства внутри страны, чтобы не зависеть от более недоступных им производств на Тайване и в других странах.
Наиболее интересны чипы семейства Kirin 9000, в том числе 9000c, предназначенный для компьютеров, и новейший 9020, производство которого было начато в ноябре 2024 года. Производительность ПК Qingyun (рис. 13) на базе Kirin 9000c оказалась вполне сопоставимой с новейшими продуктами как китайских разработчиков, так и международных компаний. Отставание от новейших процессоров Intel имеет место, но оно отнюдь не катастрофическое. Вопрос лишь в том, будет ли Huawei поставлять российским производителям электроники сами чипы (SoC) или только готовые системы.
Рисунок 13. ПК Huawei Qingyun W515x
Выводы
В той ситуации, в которой оказалась Россия, нельзя упускать никакие из возможностей. Изначально отечественные разработки, конечно, выглядят предпочтительнее, но производство тех же актуальных «Эльбрусов» организовать так и не удалось и никаких признаков того, что это получится не видно.
RISC-V, несмотря на все ограничения, для многих задач предпочтительнее. Хотя бы потому, что удалось освоить их производство в России. Так что не случайно, что в этот лагерь переметнулись те, кто пытался сделать ставки на другие архитектуры.
К продукции из Китая больше вопросов, чем ответов. Однако ясно, что для критически важных применений она не годится в силу закрытости используемых архитектур и зарубежного происхождения.
