Когда речь заходит о процессорах, какие марки вам сразу приходят на ум? Конечно, в первую очередь Intel и вновь набирающая популярность AMD. В разрезе потребительских ЦП борьба обычно происходит именно между ними, хотя и ARM-чипы в последнее время пытаются не отставать. Но это вовсе не значит, ими пространство ЦП и ограничивается.
От высокопроизводительных ARM для ПК до специализированных правительственных чипов — в мире существует еще множество производителей ЦП, о которых обычно мы редко слышим. Кто они? Какими характеристиками обладают их процессоры? Для чего предназначены? Сейчас и разберемся.
M1: ARM для ПК
Исторически противостояние x86 и ARM — это, в первую очередь, противостояние Intel и архитектур мобильных процессоров. Само название архитектуры x86 пошло от чипов Intel с модельными индексами, оканчивающимися на это число: 8086, 80186 и так далее. Долгое время целевые устройства x86 и ARM практически не пересекались: одна архитектура заняла нишу практически строго «больших» компьютеров, другая — предназначалась для мобильных девайсов.
Но в последнее время главенство Intel и x86 на рынке ПК пошатнулось. В прошлом году Apple выпустила новые MacBook, внешне идентичные предыдущему поколению на базе Intel, но на этот раз внутри лэптопов оказались революционные чипы M1 собственного производства.
Apple M1 построен по 5-нм технологии и базируется на переработанной архитектуре ARM. С этой точки зрения, M1 имеет больше общего с процессором A14 Bionic в iPhone, чем с мобильными компонентами x86 от AMD или Intel. Такая система на кристалле компактна, экономична по энергопотреблению и не требует особого охлаждения, но при этом в некоторых применениях действительно может превзойти Intel Comet Lake.
В течение следующих нескольких лет Apple планирует полностью отказаться от чипов Intel. Конечно, учитывая, что доля masOS на рынке ПК составляет менее 7%, компоненты Apple Silicon не заменят чипы на базе x86. Но, вероятно, добавят пищи для размышлений другим производителям касательно применимости ARM на ПК. Вслед за M1, вероятно, стоит ожидать изменений в таких продуктах, как Samsung Galaxy Book S и Qualcomm 8cx.
ARM на ПК все еще только осваивается и находится на начальной стадии использования. Однако через пять лет чипы производства, отличного от Intel и AMD, могут стать обычным явлением в настольных компьютерах и ноутбуках. И в подавляющем большинстве ими могут оказаться именно чипы ARM.
Zhaoxin: китайская альтернатива AMD и Intel для нижнего ценового сегмента
Итак, ARM начинают увереннее осваивать пространство ПК и дата-центров. Но что насчет производителей x86 — кто, если не AMD и не Intel?
Лицензии x86 имеют лишь немногие компании: Intel, AMD, VIA и DMP Electronics. DMP — тайваньская компания, ответственная за линейку встраиваемых чипов Vortex86, применяемых в телевизионных приставках и в промышленном секторе. Но есть еще китайский рынок, который, к тому же, стремится получить максимальную автономию от американского — и VIA относится как раз к нему.
Когда-то в нулевых VIA производила не только процессоры, но и видеокарты, причем делала это весьма успешно. Но со временем ее сильно подвинули Intel и AMD, так что в 2013 году она совместно с муниципальным правительством Шанхая организовала компанию Zhaoxin. Владельцем Zhaoxin является правительство Китая, так что оно полностью контролирует разработку и производство чипов — которые, к слову, изготавливаются на заводах TSMC. VIA продолжает владеть миноритарным пакетом акций Zhaoxin и — что особенно важно — предоставляет лицензию x86, позволяющую Zhaoxin создавать собственные процессоры для настольных ПК.
Первые решения Zhaoxin не особенно пользовались популярностью, но начиная с модели KX-U6780A ситуация изменилась.
Процессоры Zhaoxin Kaixian построены на основе 16-нм техпроцесса. Флагман компании, KX-U6880A, — 8-ядерный чип на базе собственной архитектуры Lujiazui, оснащенный 8 МБ кэша L3 и работающий на частоте 3.0 ГГц. На чипе также присутствуют контроллеры 16 линий PCI Express 3.0, USB и SATA, что позволяет подключить к нему, скажем, Nvidia RTX 2080 Ti.
Звучит довольно неплохо, однако, что касается тестов, результаты не совсем плачевные, но и не самые лучшие: U6880A имеет уровень производительности, аналогичный четырехъядерному процессору AMD A10-9700 APU. Впрочем, такой мощности достаточно, чтобы обеспечить частоту кадров выше 30 FPS в таких тайтлах, как Hitman 3 и Far Cry 5.
Предполагается, что готовящаяся к выпуску серия нового поколения KX-7000 будет изготавливаться уже по 7-нм техпроцессу, базироваться на новой архитектуре и использовать DDR5 и интерфейс PCI Express 4.0. Все это открывает дверь к более высоким тактовым частотам и большей эффективности. Неизвестно, насколько это поможет улучшить производительность в сравнении с Alder Lake и Zen 4. Тем не менее, чипы Zhaoxin — неплохая и — что важно — коммерчески доступная китайская альтернатива x86, которая легко справится с большинством обычных рабочих нагрузок.
Hygon Dhyana — тот же AMD, только из Китая
Китай активно поощряет развитие собственного производства и не очень дружелюбен к импортному. Именно поэтому многим компаниям приходится крутиться, чтобы охватить и эту часть рынка. Так, в 2016 году AMD подписала договор с Hygon о предоставлении доступа к документации своей архитектуры Zen для того, чтобы наладить местное производство ЦП на ее базе.
Результатом такого сотрудничества стали процессоры Hygor Dhyana. Это практически полные копии AMD Ryzen и EPIC первого поколения на базе архитектуры Zen 1, хотя и не совсем: например, внутри этих чипов задействован криптографический движок китайского производства, обрезаны многие инструкции и нет многопоточности. Если судить чисто по характеристикам, можно сказать, 8-ядерный Hygon Dhyana расположился где-то между 6-ядерным Ryzen 5 1600X и 8-ядерным Ryzen 7 1800X.
Что касается производительности, все куда сложнее. В некоторых применениях — например, в задачах рендеринга, — процессоры Hygon показывают себя вполне достойно, но в других — весьма плачевная. Особенно это касается вычислений с плавающей запятой. Очевидно, отдавать полную документацию на архитектуру AMD все-таки не стала.
При этом по Zen 2 и Zen 3 у китайцев ничего нет вовсе. Казалось бы, это должно было означать тупиковую ветвь в развитии, но нет: выход следующего поколения процессоров Hygon все-таки ожидается. Изготавливать их планируют Samsung и TSMC по 7-нм техпроцессу — специально для этого было нанято порядка 500 инженеров.
Эльбрус — процессоры отечественного производства
Вот уже почти 30 лет производитель полупроводников МЦСТ создает собственные микропроцессоры, о производительности которых ходит много споров. Мнения охватывают широкий спектр в зависимости от применения — но правда, как обычно, не здесь и не там, а где-то посередине.
Стоит отметить, что архитектура «Эльбрус» — это не x86 и не ARM. В основе этих чипов лежит VLIW, отличающаяся тем, что каждая ее инструкция содержит несколько параллельных операций — это делает VLIW даже ближе к ГП, а не ЦП. Казалось бы, это должно означать, что приспособить под нее привычный софт — задача весьма нетривиальная. На деле же такая архитектура имеет динамический двоичный транслятор x86 на подобие того, что имеется и у Apple M1, что значительно упрощает запуск привычных нам программ. Но этим же обуславливается и тот факт, что быстродействия такого же, как у Intel и AMD, в таком случае ждать от «Эльбруса» не стоит.
Что же тогда по производительности? Возьмем, например, «Эльбрус-8С1» 2016 года выпуска, изготовленный по 28-нм техпроцессу и имеющий 8 ядер с частотой в 1.2 ГГц. Согласно тестам, в «естественной» среде обитания при работе со специальными дистрибутивами Linux он может производить порядка 3500 миллионов операций в секунду. Принимая во внимание конфигурацию и год выпуска, надо заметить, это весьма недурно.
Буквально несколько месяцев назад МЦСТ представил Эльбрус 16S. Это 16-нм чип, работающий на частоте 2.0 ГГц и обеспечивающий до 1.5 терафлопс вычислений. Интересно, что Эльбрус-16S поддерживает четырехпроцессорные реализации с объемом оперативной памяти до 16 ТБ, что невозможно даже на топовом оборудовании серверов AMD и Intel.
Но что насчет развития «Эльбруса» на пользовательских ПК? Учитывая сложность адаптации и немалую стоимость на рынке, шансы на то, что история компьютеров с такими процессорами получит долгоиграющее продолжение, очень невелика: вероятнее всего, «Эльбрус» так и останется рабочим инструментом для правительственных серверов и техники для военных.
POWER — процессоры от IBM
Когда-то еще в 2000-ых процессоры от IBM активно использовались в так называемых Power Mac. Но уже с 2005 года Apple перешла на чипы Intel — что, однако, вовсе не означает, что IBM перестала производить собственные ЦП.
Например, еще в Xbox 360 использовался процессор на базе архитектуры Power. Но даже когда в Xbox One Microsoft отказалась от чипов IBM, компания не перестала делать собственные чипы — но теперь сосредоточилась на производстве процессоров для серверов.
Один из самых быстрых суперкомпьютеров в мире — Summit в Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США — основан на архитектуре IBM POWER9 и работает в связке с ускорителями NVIDIA Tesla. Чипы семейства POWER9 — это 12-ядерные ЦП, изготовленные по 14-нм техпроцессу, которые могут обрабатывать 96 потоков — по 8 на одно ядро. Для сравнения: Intel и AMD могут обрабатывать по 2 потока на ядро максимум.
В августе 2020 компания представила процессоры на базе архитектуры нового поколения, разрабатываемой уже более пяти лет, — IBM POWER10. Считается, что POWER10 может обеспечить в 3 раза большую эффективность, чем POWER9. Эти чипы базируются уже на 7-нм техпроцессе, имеют от 15 до 30 ядер SMT8, включают в себя новые ядра AES для ускорения аппаратного шифрования, поддерживают PCIe 5.0. Производством чипов займется Samsung. Их выход на рынок ожидается совсем скоро — во второй половине 2021 года.
SPARC — открытая архитектура ЦП, используемая Oracle
Архитектура SPARC — открытого типа, что означает — пользоваться ей может каждый, кто хочет заниматься разработкой процессоров. Чем и воспользовались в свое время как российский МЦСТ, так и Oracle. Причем в случае последних интересно то, что SPARC M8 аппаратно поддерживает язык SQL, а также работу с основными криптографическими протоколами: AES, SHA, DES, MD5.
SPARC M8 — это 32-ядерный 256-поточный ЦП, работающий на частоте до 5 ГГц, имеющий 64 МБ кэша L3. Все это делает чипы от Oracle лучшим решением при работе с базами данных, во многом опережающих Intel и AMD, и именно поэтому сейчас они получили широкое применение в серверах под управлением ОС Solaris.
Как уже упоминалось, ту же практику использования открытой архитектуры SPARC перенял и МЦСТ — но уже с меньшим успехом. 4 ядра процессора на частоте 1 ГГц, контроллер памяти DDR2, техпроцесс 90 нм выглядели очень слабо даже на момент своего выхода на рынок в 2015 году — неудивительно, что в результате инициативу свернули и полностью сосредоточились на процессорах «Эльбрус».
SHAKTI: индийские чипы на открытой архитектуре
Другая открытая архитектура ЦП — RISC-V — легла в основу разработок Индийского технологического института. Проект финансирует Министерство электроники и информационных технологий Индии. Разработка процессора Shakti стартовала в 2016 году и была представлена в 2018.
Новейшие процессоры серии Shakti E построены по 180-нм техпроцессу и работают с тактовой частотой до 100 МГц. Они представляют из себя базу для встраиваемых решений типа роботизированных платформ, контроллеров для управления двигателями, датчиков и прочего. Но это не единственная разработка компании. Например, класс I представляет собой 64-разрядные ЦП с частотой от 1,5 ГГц до 2,5 ГГц, поддерживает многопоточные вычисления и предназначается для мобильных девайсов, систем хранения данных и активного сетевого оборудования. В то же время его улучшенная версия — класс S — предназначена для серверов и рабочих станций.
Институт также разрабатывает и другие экспериментальные классы. В то время как Shakti IP разрабатывается при государственном финансировании, компания InCore Semiconductors производит индивидуальные чипы Shakti для ограниченной клиентуры из частного сектора.
Конечно, пройдет еще некоторое время, прежде чем индийская полупроводниковая промышленность догонит Intel или даже Zhaoxin. Но фундамент к тому, чтобы она заняла свою нишу на рынке, определенно заложен.
Послесловие
Intel и AMD продолжают доминировать на рынке процессоров для настольных ПК, и за пределами Китая сейчас фактически единственная конкурентоспособная альтернатива — Apple M1. Однако процессорные архитектуры по всему миру не заканчиваются на x86 или ARM. Свои решения предлагают IBM и МЦСТ, Индия и Китай. Со временем рынок процессоров имеет все шансы стать еще разнообразнее — даже при условии, что лидеры останутся теми же.
