У нас тут своя архитектура

«Байкал» и «Эльбрус», или Особенности национального процессоростроения

Процессор Baikal-T1
Процессор Baikal-T1
Фото: «Байкал Электроникс»

Несколько недель назад в новостных сюжетах в очередной раз всплыла тема импортозамещения в самой, пожалуй, современной отрасли микроэлектроники — процессорах. Новый российский процессор Baikal-T1, построенный на ядре MIPS P5600, представила компания «Байкал Электроникс», дочерняя структура известного российского разработчика суперкомпьютеров «Т-Платформы». «Лента.ру» попробовала разобраться, какой процессор можно считать российским и зачем вообще нужен отечественный процессор.

Российская микроэлектронная промышленность — достаточно традиционный объект для шуток (чтобы не сказать издевок) еще с советских времен: выбранный в СССР в 1980-х годах курс на копирование западных образцов фактически привел к краху советской микроэлектроники. Анекдот про микропроцессор, отправленный в адрес заказчика тремя железнодорожными платформами, родился как раз в те годы.

Буквально за день до анонса Baikal-T1 рунет с упоением обсуждал, казалось бы, продолжение анекдота — ноутбук HT-ЭльбрусS, выпускаемый другим отечественным разработчиком процессоров, компанией МЦСТ: эта десятикилограммовая машина при цене 150 тысяч рублей способна работать на одной зарядке аккумулятора «не менее 1 часа». Правда, вскоре выяснилось и то, что модель эта — 2012 года и, главное, относится к классу защищенных ноутбуков, то есть способна выдержать падение на бетон, работу под дождем и другие неприятности. В качестве примера конкурентов HT-ЭльбрусS можно привести 15-дюймовый Getac X500, стоящий более 300 тысяч рублей и способный выдержать электромагнитный импульс ядерного взрыва, и «портативные ПК» немецкой Bit Tradition, одна из моделей которой — Bit-RPC 1522-MIL — весит около 20 килограммов и может похвастаться батареей на 30 минут работы.

Впрочем, наличие конкурентов — еще не ответ на вопрос, нужны ли вообще отечественные процессоры и компьютеры, а также можно ли считать существующие продукты отечественными.

Свои комментарии по российской составляющей устройств дали компании «Байкал Электроникс», МЦСТ и КМ211, а также один из мировых лидеров по разработке современных процессоров — британская компания Imagination Technologies, владеющая процессорной архитектурой MIPS. Все три российские компании занимаются разработкой современных процессоров, хотя и в разных направлениях: МЦСТ целится на рынок рабочих станций и серверов, КМ211 больше ориентирована на применение в системах безопасности и автоматизации, а «Байкал Электроникс» заняла промежуточное положение, представив чип для производительного сетевого оборудования.

Большой путь к маленькому процессору

Разработка современного процессора — длинный и сложный процесс. Начинается он с выбора архитектуры — набора команд, которые данный процессор сможет исполнять. От архитектуры зависит не только производительность процессора, но и его совместимость с программным обеспечением: ПО, выпущенное для одной архитектуры, на другой чаще всего работать не будет.

Последнее обстоятельство обусловило то, что распространенных процессорных архитектур в мире не так много; почти весь рынок поделен между тремя лидерами — Intel x86, ARM и MIPS. Первая уже не одно десятилетие доминирует в настольных ПК и ноутбуках, а две оставшиеся нашли свое призвание в мобильных устройствах и встраиваемых промышленных компьютерах. Интересно, что компании ARM Holdings и Imagination Technologies — разработчики архитектур ARM и MIPS — не выпускают процессоры сами, предпочитая продавать лицензии.

Говоря об архитектурах процессоров, необходимо понимать, что их нельзя напрямую сопоставлять друг с другом — каждая из них обладает своими сильными и слабыми сторонами, определяющими сферу ее применения. Например, на рынок ПК среди разрабатываемых сейчас российских процессоров претендуют только «Эльбрусы», но и они очень сильно отличаются от привычных пользователям процессоров архитектуры x86. Основное назначение «Эльбрусов» — это работа в компьютерах на промышленных и государственных объектах, то есть там, где Windows и Microsoft Office стараются не использовать в любом случае, а потому совместимость с этим ПО не является критичным моментом. Baikal-T1 и вовсе предназначен для сетевого оборудования и систем автоматизации, — сравнивать его с процессорами для ПК столь же нелепо, как грузовой КамАЗ с легковым Mercedes: аудиосистема у второго намного лучше, но в тех задачах, для которых предназначен первый, это роли не играет.

Исполняются команды на ядре процессора — схеме, обеспечивающей все необходимые вычислительные ресурсы. Хотя ядро, поддерживающее конкретную архитектуру, можно создать самостоятельно, чаще всего его тоже покупают у разработчика архитектуры. Но такое ядро — это еще не готовый чип, а всего лишь исходные коды, внешне похожие на исходные коды компьютерной программы.

На следующем этапе ядро «обвешивают» дополнительными периферийными модулями — например, контроллерами USB или Ethernet, если это требуется — добавляют ядро графического процессора, отвечающего за вывод картинки на монитор, и так далее. Часть модулей разрабатывается самостоятельно, часть может быть лицензирована у других компаний — опять в виде исходных кодов.

Предпоследний этап разработки — переход от абстрактных кодов к чертежам конкретного чипа. Для современных процессоров, работающих на частотах до единиц гигагерц, он также весьма нетривиален — в процессе необходимо учитывать огромное количество нюансов и ограничений. По словам Тони Кинг-Смита, исполнительного вице-президента Imagination Technologies, «срок от получения лицензии на ядро до воплощения его в кремнии постоянно сокращается, но все равно в среднем составляет от 9 до 18 месяцев», а сам процесс требует усилий группы высококвалифицированных разработчиков.

И лишь после прохождения всех этих этапов запускается конвейер полупроводниковой фабрики, на выходе которого мы и видим знакомые чипы.

Пятый пункт

Дискуссии о национальной принадлежности процессоров традиционно крутятся вокруг двух фактов. Во-первых, на данный момент в России нет современного полупроводникового производства, а потому выпускаются отечественные процессоры, как правило, на мощностях тайваньской TSMC — одного из крупнейших производителей чипов в мире, не занимающегося собственной разработкой микросхем, а лишь предоставляющего услуги по их выпуску. Во-вторых, многие из процессоров построены на базе архитектуры и ядер, разработанных западными компаниями — например, Baikal-T1 использует ядро MIPS P5600.

Впрочем, в случае с МЦСТ и КМ211 происхождение архитектуры уже не вызывает сомнений — обе компании используют собственные разработки, «Эльбрус» и «Кварк». В случае с МЦСТ иногда возникает небольшая путаница — ей приписывают использование в «Эльбрусах» довольно старой архитектуры SPARC v9, разработанной компанией Sun Microsystems еще в середине 90-х годов; МЦСТ действительно делает и SPARC-процессоры, но это — модели R500 и R1000, а не «Эльбрус».

В противовес подходу МЦСТ, «Байкал Электроникс» предпочитает использовать готовые процессорные ядра: у компании заключены соглашения как с Imagination, так и с ARM Holdings. Такой подход позволяет сконцентрировать ресурсы на выпуске финального продукта — и мировая практика показывает, что он весьма эффективен: ни один из крупных производителей процессоров не пренебрегает лицензированием чужих разработок, и многие из них используют ядра ARM или MIPS.

Однако лицензия на готовое ядро, как уже отмечалось выше, не избавляет компанию от серьезных трудозатрат. В обоих случаях для реализации проекта нужен интеллектуальный ресурс — группа разработчиков с глубоким пониманием архитектуры современных процессоров и принципов проектирования интегральных схем. И в случае с отечественными компаниями этот ресурс создается и поддерживается в России.

При этом необходимо признать, что производство самих чипов в России хоть и присутствует, но по своим возможностям радикально отстает от зарубежных мощностей. Однако в современном мире «бесфабричные компании», занимающиеся только проектированием и продажей микросхем, уже давно составляют подавляющее большинство — так, среди основных производителей процессоров только Intel и Samsung производят свою продукцию сами. Среди их конкурентов одни никогда своими фабриками не обладали, а другие — например, AMD — сознательно перешли к бесфабричной модели, выделив производство в отдельную компанию в рамках оптимизации своей структуры.

Разделение разработки и производства чипов — общемировая тенденция, и ставить их в жесткую зависимость друг от друга неправильно. Хотя хочется надеяться на появление и отечественного современного полупроводникового производства, заслуги разработчиков чипов его отсутствие никак не умаляет.

Вопросы безопасности

Востребованность отечественной замены импортного аналога можно рассматривать с двух точек зрения — с чисто коммерческой и с точки зрения обеспечения безопасности. Если коммерческая составляющая понятна и неспециалисту, то второй аспект является менее очевидным.

С одной стороны, тот факт, что цифровые войны в мире уже идут, оспорить трудно: после откровений Сноудена и информации об успешной атаке на иранскую ядерную инфраструктуру с помощью червя Stuxnet (и неудачной — на КНДР). С другой стороны, до сих пор в основном обсуждается роль в этих атаках программного, но не аппаратного обеспечения.

Для хакеров, в том числе работающих на государство, уязвимости ПО остаются наиболее привлекательными — они обеспечивают максимум возможностей и по проникновению в нужную систему, и по действиям в ней. Тем не менее, современные процессоры настолько сложны и многофункциональны, что в них тоже может найтись место для «закладок», облегчающих работу спецслужб.

Скажем, многие процессоры оснащены генератором псевдослучайных чисел (ГПСЧ), который часто используется различными системами шифрования — и надежность этого кодирования зависит от степени случайности выдаваемой генератором последовательности. Технически возможно внести в чип процессора изменения, делающие последовательность на выходе ГПСЧ предсказуемой, а значит, зашифрованные с его помощью данные — сравнительно легко декодируемыми третьей стороной, знающей про эту особенность конкретного ГПСЧ.

При этом изменения в работу ГПСЧ могут быть внесены как на этапе производства конкретной партии процессоров, так и программно — с помощью недокументированных команд, которые могут быть выполнены, например, невинно выглядящим штатным обновлением какой-либо программы.

Обнаружить подобную закладку в готовом изделии практически невозможно — современный процессор содержит в себе миллиарды транзисторов, и даже просвечивая чип рентгеном, точно определить функции каждого из блоков нереально. Более того, первый тип закладки в некоторых случаях может быть внедрен таким образом, что обнаружить его не удастся даже при рентгеновском анализе блока ГПСЧ.

Это — лишь один пример, но и из него очевидно, что игнорировать возможность аппаратных закладок в тех или иных изделиях электроники было бы наивно. Причем касаться этот вопрос может и государств, и крупных коммерческих компаний — так, недавно выяснилось, что Агентство национальной безопасности США несколько лет следило за Siemens и другими европейскими компаниями.

Конечно, зарубежное производство чипов также представляет определенный фактор риска — однако настолько малый, что им можно пренебречь. Во-первых, как подчеркнули в «Байкал Электроникс», соответствие заказа и финального изделия строго контролируется, а потому внесение изменений на этом этапе невозможно. Во-вторых, внедрение «закладки» осложняется тем, что фабрика не обладает полной документацией на процессор — так что даже поиск в нем нужного блока может оказаться нетривиальной задачей. В-третьих, как отмечают в Imagination Technologies, для контрактного производителя чипов допуск посторонних лиц к данным клиентов — колоссальный репутационный риск.

Планы на будущее

Безопасность на государственном уровне — вопрос, конечно, важный, но в конечном успехе на судьбу разработчика намного сильнее влияет успех его продукции на открытом рынке. На данный момент российские компании представлены на нем крайне слабо — основными потребителями их продукции являются государственные структуры. Впрочем, многие из них надеются, что в ближайшие годы ситуация может поменяться.

Константин Трушкин, представитель компании МЦСТ, видит препятствие в малой серийности изделий и ограниченной поддержке со стороны ПО, однако считает, что компании удастся его преодолеть: «при выходе на объем порядка десяти тысяч изделий можно будет снизить стоимость решений до уровня, доступного не только для организаций, но и для частных лиц». При этом, по его словам, МЦСТ в значительной степени надеется на федеральные целевые программы, которые позволят отечественным разработчикам успешнее конкурировать с иностранными.

Дмитрий Пустов, сотрудник компании КМ211, во многом соглашается с Трушкиным, также считая, что основное препятствие для российских разработчиков — ориентация на мелкосерийное производство вместо массового рынка, в том числе и зарубежного. При этом у КМ211 уже на данный момент основные клиенты — это коммерческие компании, занимающиеся разработкой решений в области промышленной автоматизации и обеспечения безопасности.

Андрей Малафеев, работающий в «Байкал Электроникс», также поддерживает точку зрения о необходимости выхода на мировой рынок — по его словам, производство современной микроэлектроники просто невозможно замкнуть в одной стране. Для Baikal-T1 в качестве приоритетных рассматриваются более полудесятка стран — от ОАЭ до Германии; в дальнейшем для расширения своего присутствия на рынке компания планирует представить процессоры для ПК и мобильных устройств.

В Imagination Technologies дополняют, что для успеха российских разработчиков ключевым является не только факт выхода на мировой рынок, но и подготовка квалифицированных кадров в России. По словам Тони Кинг-Смита, пока в России всего несколько университетов преподают полноценные курсы по разработке интегральных схем, в то время как эти знания должны быть доступны во всех вузах, готовящих специалистов по информатике. Чтобы помочь наладить учебный процесс, недавно Imagination Technologies перевела на русский язык и обеспечила бесплатный доступ к учебнику «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера» Дэвида Харриса и Сары Харрис, фактически покрывающему значительную часть университетского курса.

Очевидно, что до безоблачного существования разработчикам российских процессоров пока далеко, — фактически большинство из них лишь в начале пути, выпускают продукцию небольшими партиями для госсектора или под узкоспециализированные коммерческие проекты. Тем не менее рост числа компаний, работающих в этой отрасли, равно как и их стремление выйти на массовый рынок, в том числе международный, позволяет надеяться, что уже через несколько лет об отечественных процессорах будут говорить с куда меньшим скепсисом.

подписатьсяОбсудить
00:02 Сегодня

Ехай прямо, навсегда

Какие сюрпризы приготовили главные гонки 2016 года
00:01 19 сентября 2016
Готовящаяся к вспышке звезда Эта Киля в центре туманности Гомункул

Яркая смерть

Когда вспышка сверхновой уничтожит жизнь на Земле
Сергей Нарышкин Пятый куратор
Станет ли Сергей Нарышкин последним руководителем СВР
Нехватка легкости
«Вертолетам России» не хватает в программе легкой коммерческой машины
3D-винтовка для мировой революции
Сможет ли напечатанное оружие завоевать мир
Семь лет битв
Как шла самая кровопролитная война XVIII века
Башку с плеч!
Раскрыты подробности первой успешной операции по пересадке головы
Ехай прямо, навсегда
Какие сюрпризы приготовили главные гонки 2016 года
Перемога!
Какой оказалась главная украинская стратегия
Потрачено!
Как пираты переводили компьютерные игры
«Корейцы пьют даже больше русских»
История жителя Владивостока, поселившегося в Сеуле
Джентльмен из песочницы
10 ярких поступков детей, поставивших на место знаменитостей и политиков
Не ЗОЖ, но хорош
В Instagram полюбили ироничный аккаунт противницы правильного питания
Мамин жим лежа
10 звезд Instagram, которые вернулись в форму после беременности
Джимхана и тиранозавр
Самое крутое автомобильное видео сентября
Ядовитый гараж
Собираем гербарий уникальных и тайных творений BMW Motorsport
С мотором в багажнике
Вспоминаем заднемоторные седаны в честь юбилея Skoda 105/120/125
Джентльмены, покупайте ваши моторы!
Непростой Тест: чьи двигатели стоят на спорт- и суперкарах?
Стенка на стенку
Джоконда, покемон и Корлеоне с Чебурашкой — лучшее от уличных художников Москвы
«За годы ожидания мы выдохлись. Живем сейчас где попало»
История покупателей жилья, заселенных в недостроенные дома в Подмосковье
«Мне угрожали, обещали закатать в асфальт»
История валютной ипотечницы, которая прошла оба кризиса и ни о чем не пожалела
Что-то пошло не так
Как выглядят населенные насекомыми города, жизнь без неба и море над головой
Кто купил Америку
Десять человек, которым на самом деле принадлежат земли США