Микроэлектроника на сегодняшний момент является самой сложной областью человеческой деятельности. Текущий технологический уклад основан на нанометровых кремниевых (и не только) структурах, количество вложенных материальных и интеллектуальных средств в микроэлектронную индустрию колоссально. Вся эта сложность порождает громадный стек технологий и высокую специализацию в цепочке разделения труда, необходимого, чтобы произвести то устройство, с которого вы сейчас читаете данную статью. И как следствие, высокий порог входа в понимание того, как научиться создавать конкурентоспособные микропроцессоры. В российских реалиях добавим к этому общую слабость индустрии, сильно оторванной от мировой системы разделения труда, что вкупе с врождённой закрытостью большинства наших предприятий приводит к ситуации, когда осознание масштаба проблем и способов их решения в обществе и государстве достаточно слабое. Серия данных статей призвана глубже познакомить читателя с тем, как устроен процесс разработки высокопроизводительных Систем на Кристалле (СнК или SoC – System on Chip).

3 июля в ТАСС состоялась пресс-конференция, посвященная открытию исходных кодов некоторой части системного ПО для микропроцессоров Эльбрус. Само по себе событие сложно не воспринимать положительно, вне зависимости от цели и полезности того, что было выложено на публику. Но вот выступления некоторых участников пресс-конференции, носили, не побоюсь этого слова, инопланетный характер. И если представитель Минпромторга и исполнительный директор ассоциации разработчиков программных продуктов «Отечественный софт» не выходили за рамки присущего такого рода мероприятиям дежурных заявлений в духе «за всё хорошее, против всего плохого, углубить и расширить», то люди, очень похожие на представителя МЦСТ Константина Трушкина и главу ассоциации АРПЭ Ивана Покровского, безусловно, заинтересовали бы агентов K и J. Но т.к. в эпоху санкций и ограничений люди в чёрном не смогут прилететь в Москву, придётся разоблачать пришельцев самостоятельно.

Технологии искусственного интеллекта активно развиваются и всё больше входят в нашу жизнь. Появление моделей уровня ChatGPT продемонстрировало огромные возможности современного ИИ уже сегодня, вызвав эффект разорвавшейся бомбы.

Но применение и развитие технологий искусственного интеллекта невозможно без специализированного аппаратного обеспечения. Доступ к такому оборудованию определяет принципиальную возможность участвовать в конкурентной гонке по разработке технологий искусственного интеллекта как на уровне отдельных компаний, так и для государств в целом. Поэтому потребности в железе растут, а в отрасль вливаются огромные деньги. Прогнозы по размерам и перспективам роста рынка AI Hardware есть разные, но в среднем они выглядят примерно так:

Пробелы в новых ограничениях на поставку литографического оборудования в Китай — ASML, SMEE, Nikon, Canon, EUV, DUV, ArFi, ArF Dry, KrF и фоторезист.

Введение санкций против России и, как следствие, отказ компании TSMC исполнять заказы отечественных дизайн-центров, привёли к ситуации, когда вопрос «где и как производить отечественные чипы» стал ребром. Самым передовым, потенциально доступным промышленным техпроцессом в России, является 90 нм, что в большинстве случаев не подходит для производства современной  микроэлектроники. Поэтому, постройка нового завода на территории России, способного создавать чипы на более современных техпроцессах, стала как никогда актуальной. Для осуществления такой задачи необходимо наличие множества специфичных компетенций, химии, оборудования. Но без преувелечения ключевым элементом любой полупроводниковой фабрики является литограф (вернее даже, литографЫ).  Именно характеристики литографа в первую очередь определяют размер техпроцесса, именно литографы являются самым дорогостоящим оборудованием, вокруг которого, по сути, строится завод. В данном обзоре хотелось бы рассмотреть текущую ситуацию с доступностью литографического оборудования в России – что имеется/разрабатывается у нас и что потенциально возможно купить на стороне.

Уходящий 2022-ой год, стал, безусловно, межевым для отечественной микроэлектроники. Введенные санкции лишили российские дизайн-центры доступа к заводам по производству разрабатываемой ими продукции, в первую очередь, к мощностям флагмана отрасли в лице тайваньской компании TSMC. Фактически, это означает, что на данный момент в России становится невозможным производить сколь либо современную кремниевую микроэлектронику, особенно в части высокопроизводительных решений. Краткий профессиональный разбор ситуации с обзором наших текущих возможностей ещё в марте этого года сделал уважаемый @CorneliusAgrippa. Если резюмировать – на данный момент Россия имеет возможность промышленно производить чипы по технологии 180 нм на заводе Микрон, с перспективой наладить 90 нм в ближайшее время (правительство поставило задачу сделать это до конца 2022-го года). Создание на имеющейся на Микроне линии промышленной технологии на 65 нм и ниже фактически невозможно. Причина в том, что завод Микрон работает на пластинах диаметра 200 мм, а технология производства на 65 нм сопровождалась параллельным переходом на пластины диаметром 300 мм. Поэтому, для такого перехода требуется, по сути, постройка нового завода, хотя имеющееся на Микроне литографическое оборудование потенциально позволяет создание 65 нм техпроцесса.

Ушедший день порадовал нас всплеском новостей, связанных с многострадальной судьбой отечественной индустрии микроэлектроники. Сначала новостные ленты запестрели статьёй в Коммерсанте «Электронику начнут с чистого нуля» с описанием планов правительства по развитию отрасли. И хотя подробностями статья нас не побаловала, но общая канва и некоторые тезисы, как, например : «признание отставания технологий на 10-15 лет от мирового уровня» (оптимисты) и «принятие решения отказаться от иностранных архитектур при проектировании электроники» наводят на грустные мысли о соответствии реалиям данного плана (надеюсь, что это ошибочное восприятие).

Но более интересным, на мой взгляд, было интервью Московскому Комсомольцу кандидата на пост главы РАН Красникова Геннадия Яковлевича. В каком-то смысле это «предвыборная» статья, где Геннадий Яковлевич обрисовывает своё видение проблем РАН и методов их решения. Скажу честно, сама по себе тема РАН мне мало интересна, т.к. по моему личному убеждению РАН само по себе не способно сколь-либо серьёзно изменить ситуацию в отрасли микроэлектроники и быть драйвером положительных изменений. Но дело в том, что Геннадий Яковлевич является как раз профильным представителем направления микроэлектроники в данном многоуважаемом заведении, являясь председателем совета директоров АО «Микрон» - по сути, главного чипмейкера страны. Поэтому большАя часть статьи посвящена описанию ситуации и текущим проблемам отрасли. И здесь многие заявления, выглядят, мягко говоря, странно. Конечно, есть вероятность, что результат такого качества статьи – это следствие журналисткой обработки. Но т.к. это мне сложно установить, а статья вышла от лица кандидата на пост РАН, придётся Григорию Яковлевичу принимать критику на свой счёт.

Долгое время, начиная, фактически, с 80-х годов 20-го века и до нынешнего момента, архитектура x86 доминировала на рынке десктопных, а потом и серверных решений и ноутбуков. Для многих жителей планеты Земля слова «компьютер» и «компьютер на базе процессора x86» стали синонимами. Но в последние годы позиции архитектуры x86 перестали выглядеть столь незыблемыми. Виной тому несколько причин: недооценка компанией Intel и в итоге проигрыш мобильного рынка процессоров компании ARM; скукоживание рынка десктопных решений опять-таки по причине роста мобильных устройств; потеря технологического лидерства Intel в разработке самых передовых нанометров, где пальму первенства захватила компания TSMC; недостаточная гибкость бизнес-модели компании Intel, являющейся классической Integrated Device Manufacturing компанией во времена, когда сложность разработки растёт и требует всё большего разделения труда. В итоге, на горизонте у архитектуры x86 появились конкуренты, бросающие ей вызов. В первую очередь это архитектуры Arm и RISC-V. Но несмотря на все сложности текущего положения архитектуры x86, есть важнейший фактор, который ещё долго будет мешать конкурентам скинуть её с трона серверного и десктопного рынков. Этот фактор – колоссальная по объёму программная экосистема, разработанная за десятилетия существования x86. В данной статье хотелось бы кратко осветить вопрос, почему переход с одной процессорной платформы на другую столь болезнен, почему нельзя просто взять и перекомпилировать весь необходимый софт на новую архитектуру и где нас ожидают подвохи и подводные камни.

Вокруг вопроса наличия аппаратных закладок в процессорах циркулирует большое количество слухов и спекуляций. Угроза их присутствия в современных процессорах очень часто является едва ли не основным лейтмотивом в обосновании необходимости использования только отечественной компонентной базы в России. Более того, зачастую, некоторые горе-эксперты, подвязавшиеся зарабатывать славу на ниве темы отечественной микроэлектроники, постулируют наличие недокументируемых возможностей в зарубежных CPU как вопрос самоочевидный. В данной статье хотелось бы обрисовать общую картину того, какова ситуация с потенциальным наличием аппаратных закладок в реальности и насколько эта угроза представляет проблему.

На прошедшей неделе достаточно незаметно для прессы произошло эпохальное событие в истории российской микроэлектроники – 15 декабря на ежегодной конференции компании Байкал Электроникс был представлен процессор серверного класса Baikal-S. Пока широкая общественность бурно обсуждала отчёт о тестировании Сбербанком серверов на базе Эльбрус-8С, смакуя различные детали этой горячей истории, люди, чуть более погруженные в индустрию, с нетерпением ждали анонса Baikal-S.

Почему так? Чем же так эпохален этот процессор?

Может быть, он безоговорочно рвёт на тестах конкурентов из Intel/AMD, заставляя менеджеров данных компаний лихорадочно учить кириллицу? Нет, это вполне себе «средненький» серверный процессор уровне Intel Xeon Gold 6148 или того же злополучного Intel Xeon Gold 6230.

Возможно, у него есть какие-то невообразимые новинки в функционале, до которых не смог  додуматься никто в мире? Опять-таки нет, функционал процессора абсолютно стандартен и соответствует аналогичным решениям на базе архитектуры ArmV8.

В чём же тогда уникальность данного процессора, в чём прорыв, спросит читатель? Ответ очень прост – именно в том, что это первый в новейшей истории России конкурентноспособный general-purpose high performance CPU. Причём конкурентноспособный во всех смыслах – по цене, по производительности, по потребляемой мощности. Никаких уникальностей и «аналоговнет». Просто хороший чип, способный достойно соревноваться с конкурентами, с понятными рыночной нишей и перспективами. На конференции Baikal-S был назван (абсолютно верно на мой взгляд) «рабочей лошадкой». Это та самая «рабочая лошадка», которая в состоянии заменить сотни тысяч и миллионы процессоров уровня Xeon, работающих сейчас в датацентрах и на предприятиях всей России(и не только). И сделать это так, чтобы слово «импортозамещение» вызывало у людей не ухмылку и чувство неполноценности, а гордость за страну.

В вопросе развития отечественной микроэлектронной индустрии один из ключевых вопросов – экономический. Ведь разработка микропроцессоров – удовольствие  не из дешевых. В данной статье я попытаюсь на базовом уровне разобрать сколько стоит разработка современного general-purpose CPU  и какие партии необходимы отечественным дизайн-центрам, чтобы выйти на окупаемость.

Себестоимость микропроцессора, который в итоге дойдёт до вашего компьютера/ноутбука/сервера, можно грубо разделить на 3 составные части:

После полученных на предыдущие статьи о микропроцессоре Эльбрус откликов мне стало понятно, что для полноты картины не хватает рассмотрения вопроса – а что же делать? Можно ли каким-либо образом улучшить Эльбрус в качестве general-purpose CPU (на что намекали представители МЦСТ) и насколько? Можно ли его применить в каких-то локальных нишах? Давайте попытаемся разобрать данные вопросы.

November 10, 2020 was in many ways a landmark event in the microprocessor industry: Apple unveiled its new Mac Mini, the main feature of which was the new M1 chip, developed in-house. It is not an exaggeration to say that this processor is a landmark achievement for the ARM ecosystem: finally an ARM architecture chip whose performance surpassed x86 architecture chips from competitors such as Intel, a niche that had been dominated for decades.

But the main interest for us is not the M1 processor itself, but the Rosetta 2 binary translation technology. This allows the user to run legacy x86 software that has not been migrated to the ARM architecture. Apple has a lot of experience in developing binary translation solutions and is a recognized leader in this area. The first version of the Rosetta binary translator appeared in 2006 were it aided Apple in the transition from PowerPC to x86 architecture. Although this time platforms were different from those of 2006, it was obvious that all the experience that Apple engineers had accumulated over the years, was not lost, but used to develop the next version - Rosetta 2.

We were keen to compare this new solution from Apple, a similar product Huawei ExaGear (with its lineage from Eltechs ExaGear) developed by our team. At the same time, we evaluated the performance of binary translation from x86 to Arm provided by Microsoft (part of MS Windows 10 for Arm devices) on the Huawei MateBook E laptop. At present, these are the only other x86 to Arm binary translation solution that we are aware of on the open market.

10 ноября 2020 года произошло во многом эпохальное событие в индустрии микропроцессоров - компания Apple презентовала новый Mac Mini, главной фишкой которого являлся чип собственной разработки Apple M1. Данный процессор, без преувеличения, является знаковым достижением для экосистемы ARM - наконец-то был сделан чип, обошедший конкурентов из Intel в той нише, где архитектура x86 доминировала десятилетия.

Но для нас главным интересом является не сам процессор M1, а технология двоичной трансляции Rosetta 2, разработанная с целью запуска legacy x86 кода, не успевшего переехать на архитектуру ARM. Компания Apple имеет большой опыт в разработке решений по двоичной трансляции и является признанным лидером в данной области. Первая версия двоичного транслятора Rosetta появилась в 2006-ом году, когда помогла компании Apple совершить переход с архитектуры PowerPC на x86. И хотя в этот раз гостевая и целевая платформы отличались от тех, которые были в 2006-ом, очевидно, что весь опыт, накопленный инженерами Apple за эти годы, был учтён и вложен в следующую версию Rosetta 2. Тем интреснее было сравнить решение от Apple с аналогичным продуктом Huawei ExaGear (ведущего свою родословную от Eltechs ExaGear), разрабатываемого нашей командой. Заодно, мы оценили производительность двоичной трансляции из x86 в ARM от компании Microsoft (входящей в состав MS Windows 10 для Arm устройств) на лэптопе Huawei MateBook E. На текущий момент, это все известные нам решения по двоичной трансляции из X86 в ARM, доступные на широком рынке.

В ответ на мою статью про тупиковость развития линейки процессоров Эльбрус в качестве базовой платформы для отечественных general-purpose CPU, пользователь @alexanius (Алексей Маркин) написал свою статью-ответ, где привёл возражения моим тезисам. Дабы не превращать дискуссию в формат форумной перепалки, я попытаюсь структурировать изложенные возражения, максимально опустив малозначимые на мой взляд детали и не относящиеся к делу реплики. Также мы оставим на совести Алексея некорректные высказывания и переходы на личности. Это мишура, которая не поможет нам глубже понять суть проблемы.

Итак, если суммировать, то в моей статьей были приведены следующие недостатки Эльбруса:

Предыдущая статья про микропроцессор Эльбрус вызвала живой отклик читателей Хабра. Изначально я планировал написать только статью о технических проблемах VLIW-архитектур на конкретном примере Эльбруса и имел мало желания углубляться в вопрос дальше, ввиду его куда большой скользкости и дискуссионности. Но сказать «А» и не сказать «Б» было бы, наверное, не совсем правильно. Поэтому в данной статье я попытаюсь изложить исключительно СВОЙ взгляд на проблематику того, какие процессорные Архитектуры (в контексте general purpose CPU) надо развивать и поддерживать рублем в России.

Последние месяцы ознаменовались бурными баталиями в отечественной индустрии разработки микроэлектроники и причастных. Государство, наконец-то пристально обратив своё око на данную, мягко скажем крайне проблемную отрасль, посулив крупные инвестиции на её развитие, в первую очередь на разработку мозга любой вычислительной техники - процессора. Прения по поводу , как правильно потратить выделенные средства, из тишины министерских кабинетов выплеснулись наружу и дошли до прессы. Не вдаваясь в политические моменты, всегда присущие такого рода дебатам, хотелось бы сконцентрироваться на технической стороне вопроса и обрисовать позицию, почему ставка на легендарный микропроцессор Эльбрус - это тупик для развития отечественного процессоростроени