Состояние и перспектива отечественных микропроцессоров

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время микропроцессорные системы заняли очень обширную область в человеческой деятельности, их применение находят все в новых и новых областях науки и повседневной деятельности. Аналогично и компьютерам, развитие микропроцессорных систем идет по двум направления: улучшение аппаратных средств и улучшение программного обеспечения [1–3]. Если рассматривать улучшения аппаратных средств, то среди многих направлений работы стоит выделить следующие.
Быстродействие. При повышении быстродействии микропроцессора, стоит учитывать, тот факт, что увеличению быстродействия микропроцессорной системы препятствует не центральный процессорный элемент, а внешние устройства. Поэтому на данный момент основной задачей увеличения быстродействия является улучшение характеристик внешних устройств.
 
1. Проектирование процессоров
Специалисты различают архитектуру процессора и микроархитектуру процессора.
Архитектура процессора — это система команд, которую он поддерживает.

1.1. Российская архитектура, российская микроархитектура
Это полностью отечественный продукт. Такие процессоры труднее продвигать на мировой рынок и наоборот — на этих процессорах сложнее использовать разработанное за рубежом программное обеспечение.
К этой категории относятся МЦСТ «Эльбрус», КМ211, Мультиклет и ряд других архитектур.

1.2. Лицензированные процессорные ядра
Россияне сами компонуют закупленные за рубежом ядра на кристалле, добавляют свои вспомогательные блоки. Написанное за рубежом программное обеспечение более-менее гарантированно работает. Процессор можно использовать для продвижения российских аппаратных блоков за рубежом (например, блок обработки видео).
По такой схеме созданы «Байкал» (MIPS и ARM64), «Миландр» (ARM), «Модуль» (ARM), частично «ЭЛВИС» (MIPS и ARM).

1.3. Международная архитектура, российская микроархитектура
Занятный компромисс, при котором и написанный за рубежом софтвер работает, и при этом можно говорить «мы спроектировали не только систему на кристалле, но и само процессорное ядро». По трудоёмкости создания схема близка к первому пункту (российские архитектура и микроархитектура), а при продвижении на мировой рынок нужно вдобавок доказывать заказчикам, что архитектура реализована точно.
Тем не менее при наличии больших ресурсов игра стоит свеч. К этой категории относятся «КОМДИВ» (MIPS), частично «ЭЛВИС» (MIPS).

2. Преимущества разных процессоров
«Эльбрус» и «КОМДИВ» относятся к процессорам, которые можно применять в «больших» компьютерах, но электроника ими далеко не исчерпывается. Ниже пойдёт речь ещё и о процессорах для встроенных систем (станки, принтеры, телевизоры) и о микроконтроллерах (инструменты, холодильники).

2.1. МЦСТ
АО МЦСТ (ранее Московский Центр Спарк-Технологий) разрабатывает две линии процессоров — оригинальной отечественной архитектуры «Эльбрус» и международной архитектуры SPARC.
МЦСТ Эльбрус — российская архитектура, российская микроархитектура.
Сильные стороны:
• распараллеливаемые военные/научные/инженерные вычисления с плавающей точкой (возможный пример использования: геологоразведка);
• аппаратные особенности, позволяющие реализовывать высокозащищённые системы.
Слабые стороны:
• отставание от «переднего края» по технологиям формирования физического уровня (процессор 8С сформирован по техпроцессу 28 нм, например);
• отсутствие свободного компилятора gcc для платформы e2k, закрытость оптимизирующего компилятора lcc и набора архитектурнозависимых правок на системное ПО (по состоянию на осень 2020 года).

2.2. НИИСИ
Сильные места НИИСИ: радиационная устойчивость и неафишируемый проект высокопроизводительной микроархитектуры.
НИИСИ разрабатывает две линии процессоров — обе по архитектуре MIPS. Кроме того, НИИСИ также подготовила часть кадров для процессорной команды Байкал Электроникс, которая тоже использует MIPS.

2.3. Байкал Электроникс
«Байкал Электроникс» — наиболее понятная российская процессорная компания для международного рынка.
Несмотря на то, что Байкал лицензировал процессорные ядра у Imagination Technologies и произвёл свой микропроцессор на Тайване, что менее «суверенно», чем Эльбрус, роль этой компании в истории может быть довольно высока. Команда «Байкала» отладила процесс проектирования системы на кристалле из высокопроизводительных компонент, а именно суперскалярного с внеочередным порядком исполнения команд процессорного ядра MIPS P5600, которое было независимо сертифицировано в 2014 году как рекордсмен по метрике Core Mark для одного потока команд.

2.4. НПО «ЭЛВИС» и «ЭЛВИС-Неотек»
Основные ниши: космос и умные камеры.
Группа компаний «ЭЛВИС» выросла из советской космической электроники, конструируя приборы ещё для станций «Салют». Они создали свою собственную микроархитектуру микропроцессора общего назначения с системой команд MIPS и свой собственный процессор для обработки сигналов (звук, видео, радар). Затем они решили не изобретать велосипед с микропроцессором общего назначения и лицензировали процессорные ядра средней и высокой производительности у ARM и MIPS, а также заключили сделку по разработке общей микросхемы с Imagination Technologies, которая также разработала часть микросхемы в Apple iPhone.

2.5. Миландр
«Миландр» выпускает микроконтроллеры для суровых условий эксплуатации.
Микроконтроллеры имеют множество применений — от медицинских приборов до дворников на автомашине и управления двигателями. «Миландр» лицензировал процессорные ядра микроконтроллерного класса у британской компании ARM и сделал на них микроконтроллеры для суровых условий со своими периферийными устройствами.
«Миландр» — одна из немногих профильных компаний, которая активно старается продвигать свои разработки не только на специальные применения, но и в гражданский сектор. Например, у них есть микропроцессор для счетчиков электроэнергии с 24-битным сигма-дельта АЦП. Микроконтроллеры на ядре Cortex-M3 в пластиковом корпусе «Миландр» выпускает по рыночной цене.

2.6. Модуль
Потенциальные сферы применения: цифровое телевидение, авиация и космос. Как и «Миландр», «Модуль» является лицензиатом ARM, причём плата с их процессором на основе ARM стала широкодоступной для разработчиков. Также созданы оригинальное нейропроцессорное ядро NMC4, включающая его СБИС К1879ВМ8Я и PCIe-плата МС127.05 на её основе.

2.7. КМ211
Ниши: смарткарты и чисто российский микроконтроллер.
KM211 спроектировала встроенный микропроцессор КВАРК, который может использовать Линукс, и микроконтроллер «Кролик». Обе разработки используют как российскую архитектуру, так и российскую микроархитектуру, что делает KM211 уникальным проектом типа «Эльбруса», но на рынке «малых» процессоров.
Команда КМ211 имеет большой опыт разработки очень маленьких процессоров для «умных карт», которые трудно взломать. КМ211 изначально были связаны с компанией KM Core, связанной с Украиной.

2.8. Мультиклет
Процессоры с универсальной мультиклеточной архитектурой и микроархитектурой российского происхождения. Предыстория создания отмечена как «Лучший продукт года» в 2003 г. на конференции IEEE в Далласе (США), а также рядом других зарубежных и отечественных наград. На 2015 г. созданы два процессора СнК MultiClet P1 и MultiClet R1, которые позиционируются как производительные, низкопотребляющие DSP процессоры (последний обладает более развитой периферией и динамической реконфигурацией, позволяющей в максимальной степени использовать возможности четырех клеток процессора).

2.9. КБ «ГеоСтар навигация»
Ниша: модули для ГЛОНАСС
Производит чип «ГЕОС-3». Это весьма перспективный рынок объёмом около $200 млн: с введением системы «Платон» надо оснастить до 7 млн грузовиков тахографами со встроенным ГЛОНАСС. В этих тахографах может использоваться чип «ГЕОС-3». Со слов главного директора КБ «ГеоСтар навигация» Анатолия Коркуша, по состоянию на март 2018 года машины оснащаются зарубежными аналогами, которые дешевле.

2.10 IVA Technologies
Входящая в ГК «ХайТэк» компания IVA Technologies в сентябре 2018 года сообщила о создании тензорного микропроцессора IVA TPU Syntacore
Компания Syntacore, имеющая офис в Санкт-Петербурге, занимается разработкой дизайна процессоров открытой архитектуры RISC-V.


3. Производство микросхем в России
В России и Белоруссии есть пять крупных микропроцессорных производств — зеленоградские Микрон и Ангстрем (банкрот в 2019), секретная фабрика в Курчатове/НИИСИ, вспомогательное производство в Воронеже и фабрика Интеграл в Белоруссии.
Также помимо крупных производств в России есть несколько мелких с технологиями уровня 1,5-10 мкм (для Роскосмоса и ко), но они не выполняют коммерческие заказы и информации по ним очень мало. Так что общее количество заводов подсчитать сложно.
Микрон и Ангстрем используют оборудование, купленное у ST, AMD и IBM. На Микроне уже реально производятся микросхемы по нормам 90 нанометров на 200-мм пластинах (SRAM и Эльбрус). Техпроцесс 65 нм неспешно доводят, первый опытный образец был выпущен ещё в 2014 г., в 2017 году чистый КМОП-процесс наконец заработал. На Ангстреме — 600 нм на старой линии, 130 нм от AMD и 90 нм от IBM на 200 мм пластинах запустили к началу 2016 года.

3.1. Микропроцессор 1891ВМ3
Микросхема 1891ВМ3 представляет собой двухпроцессорную систему на кристалле с общим для обоих процессоров внутренним кэшем второго уровня, контроллером оперативной памяти и набором периферийных контроллеров для доступа к внутренним узлам компьютера и внешним каналам и линиям связи.
Структурная схема 1891ВМ3, представленная на рис. 1, содержит:
• два универсальных процессора CPU0 и CPU1 с тактовой частотой 500 МГц;
• общую кэш-память второго уровня L2 cache объемом 512 Кбайт;
• системный коммутатор SCOM;
• контроллер МС оперативной памяти DDR SDRAM;
• контроллер MPI внешней периферийной шины PCI;
• контроллер внешней периферийной шины SCSI для доступа к магнитным и оптическим дискам;
• контроллер канала Ethernet 10/100;
• контроллер канала PS/2 для связи с клавиатурой и графическим манипулятором;
• контроллер последовательных каналов RS-232;
• контроллер каналов удаленного доступа RDMA c выходом на LVDS links;
• контроллер сопряжения системного и периферийного интерфейсов MSI;
• контроллер внутренней периферийной шины EBus для доступа к ПЗУ, таймерам, системе прерываний и ГМД.

3.2. Микросхемы сигнальных процессоров серии "Мультикор"
Микросхемы сигнальных процессоров серии "Мультикор" — это однокристальные программируемые многопроцессорные "системы на кристалле" на базе IP-ядерной (IP-intellectual property) платформы "Мультикор", разработанной в ГУП НПЦ "ЭЛВИС".
Процессоры серии "Мультикор" сочетают в себе лучшие качества двух классов приборов: микроконтроллеров и цифровых процессоров обработки сигналов (DSP), что позволяет решать в рамках ограниченных габаритов одновременно обе задачи: управления и высокоточной обработки информации, включая сигналы и изображения.
Микросхемы спроектированы специалистами ГУП НПЦ "ЭЛВИС" совместно с центром проектирования "АНГСТРЕМ-М" (топологическое проектирование) и "АНГСТРЕМ-СБИС" (разработка блока PLL). Информация о микросхемах серии представлена в таблице 2.
В качестве процессорных блоков используются следующие типы IP-ядер из библиотеки платформы "Мультикор":
• процессорные RISC-ядра с архитектурой MIPS32, выполняющие функции центрального процессора системы CPU (Central Processing Unit);
• высокопроизводительные ядра процессоров-акселераторов для цифровой обработки сигналов (DSP — Digital Signal Processing) с плавающей/фиксированной точкой ELcore-xx (ELcore = Elvees's core).
Архитектура микросхем "Мультикор" по организации потоков данных и инструкций поддерживает пиковую производительность на большинстве задач обработки сигналов/изображений реального времени. Это обеспечивается малым количеством стадий процессорного конвейера, а также наличием многоканального интеллектуального контроллера DMA с поддержкой режимов самосинхронизации ресурсов микросхемы и 32/64-разрядного по данным порта внешней памяти со встроенным SDRAM/FLASH/SRAM/ROM-контроллером.
Телекоммуникационный микропроцессор NVCom-01
Телекоммуникационный микропроцессор NVCom-01 ("Навиком") является программируемой трехпроцессорной "системой на кристалле" со встроенной функцией 48-канальной ГЛОНАСС/GPS-навигации.
Микросхема "Навиком" обеспечивает аппаратно-программную поддержку функций обработки навигационного сигнала ГЛОНАСС/GPS, процедур цифровой обработки сигналов, ряда коммуникационных процедур (Витерби, турбокодирования, корреляции и др.), обработки изображений.
Микросхема спроектирована по технологии 0,13 мкм на базе IP-ядерной платформы "Мультикор", размеры кристалла 8,8 9,5 мм мм, 60 млн транзисторов.
Возможности микропроцессора позволяют использовать его в широком диапазоне областей применений:
• абонентские терминалы мультистандартных систем профессиональной связи (от стандарта TETRA до систем 3G) со встроенной функцией навигации;
• портативные ГЛОНАСС/GPS-приемники, в том числе для подвижных платформ (автомобилей, железнодорожного транспорта);
• аппаратура цифрового телевидения (DVB) и радио (DRM);
• IP-камеры с "интеллектуальным зрением", IP-телефония;
• аппаратура беспилотных летательных аппаратов (БПЛА);
• специальные применения.
Микропроцессор NVCom-01 позволяет замещать высокопроизводительные DSP-процессоры зарубежного производства, в том числе микросхемы ADSP TS201 (ADI), ряд микросхем серии OMAP (TI), навигационные микросхемы SiRF Atlas-III (SiRF).


4. Российские микропроцессоры сегодня: начало пути
Рынок микропроцессоров с пометкой «Сделано в России» сегодня находится в зачаточном состоянии, даже, по мнению самых патриотичных его представителей. Однако он все же есть — пусть почти только в виде предложения, а не спроса. Он не структурирован, разобщен, испытывает комплекс неполноценности и все еще недостаточно обласкан государством. Но у него за последнее время явно появились определенные перспективы развития, связанные в первую очередь с курсом государства на импортозамещение.
Классическая архитектура и ее рынок. Назначение процессора (его сферу применения) во многом определяет его архитектура. Это понятие несколько размыто из-за разного его определения программистами и разработчиками железа, но, не углубляясь в технологические дебри, ее можно описать просто как внутреннее устройство, организацию.
Российские создатели процессоров используют либо собственную оригинальную архитектуру, зачастую унаследованную с советских времен, либо лицензируют всемирно распространенные стандарты. В последнем случае речь преимущественно идет о разработанных в соответствии с концепцией RISC (то есть для процессоров с сокращенным набором команд) архитектурах ARM (от англ. Advanced RISC Machine) и MIPS (отангл. Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages).
Архитектуры для новых рынков. В «Байкал Электроникс» (разработчик процессоров «Байкал») выбор архитектур для своих процессоров объясняют показателями динамики мирового рынка портативной техники — гаджетов, «умных» телевизоров и пр. По оценкам компании, его рост составляет около 20% в год, по сравнению с 5% рынка персональных компьютеров. «При этом имеются предпосылки дальнейшего увеличения этого разрыва», — считают в организации.
Выбор архитектур для процессоров «Байкал» основывается на показателях динамики мирового рынка портативной техники. Для портативных устройств основными потребительскими характеристиками являются энергопотребление и производительность. И по сравнению с x86 наилучшее соотношение этих показателей достигается на процессорах с архитектурой ARM и MIPS.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Если не принимать в расчет редких и явно специфических потребителей российских изделий, то мейнстримом для серверного («классического») рынка была и остается не нуждающаяся в дополнительном представлении архитектура Intel x86, реализованная также в продукции ее партнера по обмену технологиями — AMD.