Зачем нужны российские процессоры «Байкал» и «Эльбрус», если аналоги от Intel мощнее и дешевле в несколько раз?

С 2014 года государство объявило курс на импортозамещение в технологической сфере, что больше всего интересно российским производителям микроэлектроники. От советского наследия осталось не так много производств, но они есть и выпускают оборудование. Мы расскажем, почему это важно для страны и почему российские процессоры все равно нужно выпускать, хоть на рынке есть более дешевые и мощные зарубежные аналоги.

Почему так сложно создать процессор?

Изобретение транзистора в середине прошлого века перевернуло всю электронику – устройства становятся все меньше и имеют больше функций. Компьютеры теперь уже не занимали всю комнату – это уже было несколько стоек с платами. С середины 1960-х годов появляются микросхемы – хоть они по современным меркам и были совсем простыми, заменяли целые блоки с аппаратурой.

Но по-настоящему серьезным прорывом стало создание больших и сверхбольших интегральных схем, и в итоге – микропроцессора. Это микросхема, в которой на одном кристалле кремния физически располагаются все основные блоки процессора. Технология за десятилетия становилась все более совершенной – и к настоящему моменту процессор в обычном домашнем компьютере на порядки мощнее, чем суперкомпьютеры 1970-х.

blank

Intel 4004 – он считается первым в мире коммерческим однокристальным микропроцессором

Прогресс привел к удешевлению процессоров настолько, что их можно встретить едва ли не в каждом бытовом электроприборе. Хороший пример – фирменный блок питания для Apple MacBook, в котором установлен 16-битный процессор, контролирующий основные параметры тока.

Процессоры во всем мире изготавливаются примерно по одной схеме – это планарная технология. Суть, если очень кратко, можно свести к таким пунктам:

  • из кристаллического кремния специальными сверхточными инструментами вырезается пластина (обычно круглая). В ней, помимо очевидных параметров (толщина, диаметр) принципиально важна даже ориентация кристаллов.
  • на пластину наносят несколько составов – слой полупроводника (с помощью осаждения атомов) и слой маскирующего покрытия;
  • с помощью одного из видов литографии (их 7, от оптической до нанопечатной) на слое диэлектрика формируется рельеф – это, условно говоря, и есть транзисторы. Чем более совершенный техпроцесс, тем выше разрешающая способность литографии и тем меньше размер транзистора;
  • пластина проходит еще несколько этапов, в том числе добавляют дополнительные слои металла;
  • готовую пластину нарезают на отдельные процессоры, которые затем проходят обязательный контроль производительности.

На самом деле этапов в разы больше, и они гораздо сложнее. Уровень технологии хорошо прослеживается по разрешающей способности оборудования для литографии – если в 1970-е все начиналось с размера транзистора в 10 мкм, то сейчас самые современные процессоры в массовом сегменте электроники изготовлены по техпроцессу 7 нм, что примерно в 1500 раз меньше.

blank

Диск после литографии

Это означает, что на одном квадратном миллиметре кристалла процессора современного смартфона (например, Samsung Galaxy S10 Lite – построен на Qualcomm Snapdragon 855) содержится в 1500 раз больше транзисторов, чем на такой же площади процессора 1970-х годов.

То есть, оборудование крайне сложное – и поэтому дорогое, работать с ним может небольшое число людей, а цены на процессоры падают так быстро, что создавать с нуля независимое производство будет так дорого, что это вряд ли окупится. Но проблема еще и в другом. Прежде чем разрабатывать «железную» часть процессора (ядро), нужно разработать его архитектуру, продумать дополнительные периферийные модули и написать программное обеспечение.

Поэтому даже у крупных производителей от получения лицензии на ядро до старта производства проходит от 9 до 18 месяцев. Если же говорить о российских производителях, их шансы на успех исчезающе малы.

Российские производители и процессоры

В СССР было налажено производство микропроцессоров – это были, в основном, клоны процессоров Intel, а использовались они в производстве советских ЭВМ. До настоящего времени дожили не все эти производства, в России остались:

  • компания «Микрон» в Зеленограде – производит интегральные схемы на заказ, RFID-метки, контроллеры и другую электронику. Сейчас компания дает 70% российского экспорта электроники;
  • «Ангстрем» – выпускает несколько видов электроники, в том числе есть кристальное производство (но с техпроцессом 600 нм). Не стоит путать с «Ангстрем-Т» – этот завод построили с нуля для производства кристаллов по техпроцессу 90 нм, но в итоге в прошлом году его признали банкротом;
  • МЦСТ (Московский центр спарк-технологий) – производит самые известные в России процессоры «Эльбрус». Уже доступен техпроцесс 28 нм, что можно считать прорывом для России;
  • «Т-Платформы» – производит известные процессоры «Байкал» (28 нм), суперкомпьютеры, технику для государственных органов. Сейчас, судя по всему, находится на грани остановки – из-за уголовного дела против директора, по некоторым данным, на предприятии массовые увольнения;
  • ФНЦ НИИСИ РАН – известен процессором КОМДИВ-64 (65 нм);
  • ПКК Миландр – производит микросхемы, в том числе, и для бытовых приборов вроде «умных счетчиков»;
  • НПЦ «ЭЛВИС» – производит несколько моделей процессоров, в том числе и защищенных от радиации.

Большинство производителей выпускают микроэлектронику исключительно под заказ – типовых продуктов у них немного. Но некоторые из них стали широко известны в СМИ, в том числе благодаря достаточно высокой стоимости.

Так, МЦСТ производит процессоры «Эльбрус» – пока это самые продвинутые процессоры из всех, что производятся в России. Их изготавливают по техпроцессу 28 нм (не 7, как в Qualcomm, но тоже очень неплохо), последние модификации имеют 8 ядер и таковую частоту в 1500 MHz. Процессор позволяет распараллелить вычисления, и это фактически увеличивает его производительность.

Первые «Эльбрусы» стоили сотни тысяч рублей, но сейчас при условии заказа в несколько тысяч единиц можно купить полноценный компьютер на базе процессора «Эльбрус» за 30 тысяч рублей.

blank

Процессор «Эльбрус-8С»

Другой пример – процессоры «Байкал», которые уже дошли до коммерческой версии и продаются по 4000 рублей за штуку. 2-ядерный процессор BE-T1000 с тактовой частотой в 1200 MHz уже сейчас можно купить за 4 290 рублей. Правда, к нему придется докупить дополнительное оборудование и отладочные платы.

Также есть несколько других небольших производств, которые занимаются изготовлением узкоспециализированной электроники, и часто для военных заказчиков (поэтому доступной информации там быть не может). Но в целом уровень производства в России все еще отстает от мировых лидеров, и в большей степени ориентируется на государственного заказчика.

Насколько они российские?

Истории о российских производителях электроники часто разбиваются о критику касательно страны производства процессоров. Так, в России производство кристаллов на данный момент развито не очень – даже «Эльбрус» и «Байкал» производятся на мощностях компании TSMC на Тайване. Исключительно российское производство пока ограничено техпроцессом в 65 нм – более точного производства в России еще нет.

blank

Здание фабрики FAB 15 компании TSMC, Тайвань

Но, как было сказано выше, изготовление физического ядра процессора – лишь меньшая из задач. Более того, TSMC занимается производством пластин процессоров едва ли не для всех крупных производителей электроники, включая Intel (не все, но, например, модели Atom), Qualcomm, AMD, NVIDIA, ARM, Apple и многих других, и занимает более 55% рынка контрактного производства микросхем в мире.

Остальная же часть процессоров – исключительно российского происхождения. Самое главное – права на топологию микросхем (то есть, сама конструкция процессора) остаются в России, поэтому их называют российскими производителями. Например, архитектуру, схемотехнику и топологию процессора «Эльбрус-8С» разрабатывают специалисты российского Института электронных управляющих машин, поэтому этот процессор проходит по требованиям государственных контрактов.

Изначально сама идея производить в России процессоры была связана с вопросами безопасности – некоторые данные просто нельзя обрабатывать на компьютерах с процессорами Intel или AMD, которые сохраняют риски утечки данных.

Так что даже процессоры с ядрами тайваньского производства – уже большой шаг к импортозамещению. Но, увы, пока российские достижения не дошли до бытового использования и вряд ли дойдут в обозримом будущем.

Кому все это нужно

Итак, российские процессоры имеют более чем скромные параметры по сравнению с топовыми моделями от Intel, AMD и Qualcomm, при этом дороже зарубежных аналогов в разы, а использовать их в домашнем компьютере не получится еще долгие годы. Так зачем они нужны?

Ответ на этот вопрос складывается из нескольких частей:

  • собственное производство микросхем – это вопрос престижа страны, а также гарантии поставок даже при самых жестких санкциях (правда, в нынешнем виде – пока санкции не дойдут до Китая);
  • требования к производительности, экономичности и тепловыделению не так важны, как требования к защищенности. Российские производители готовы выпускать процессоры с защитой от радиации, а российское производство гарантирует защиту информации;
  • в некоторых задачах российские процессоры сопоставимы по производительности с зарубежными или даже превосходят их.

Последний пункт можно рассмотреть на примере процессора «Эльбрус-4С». На первый взгляд, 4 ядра и тактовая частота в 800 MHz при техпроцессе 65 нм – это далеко не уровень настоящего времени. Но архитектура этого процессора (разработанная в России), позволяет распараллеливать задачи не на уровне самого процессора, а на уровне компилятора – специальной программы, которая передает конкретные команды на процессор. Другими словами, благодаря более оптимальному распределению задач производительность процессора выше, чем у аналогичного по тактовой частоте.

С другой стороны, российская разработка не способна без адаптации работать с обычными операционными системами и приложениями х86. Конечно, их можно запустить и на «Эльбрусе», но по производительности такая система будет уступать конкурентам.

Говоря проще, российские процессоры окажутся быстрее в тех задачах, под которые их создавали. Например, «Эльбрус-4С» справился с шифрованием данных по российскому алгоритму (по ГОСТ) быстрее, чем Intel Core i7-2600. Но американская разработка оказалась быстрее в «стандартной» процедуре архивации и распаковки данных.

Поэтому российские разработки точно найдут своего потребителя – пока это государственные структуры, которые нуждаются в сертифицированных по российским стандартам компьютерах. А вскоре клиентами могут стать и телеком-операторы, поскольку наступит время исполнения так называемого «Пакета Яровой».

Но в домах у россиян и в их смартфонах российские разработки пока точно можно не ждать – они не в состоянии догнать мировых лидеров ни по производительности, ни по цене.