Отечественные процессоры

Одно неверное решение

Если говорить о мировом уровне, то первая значимая электронно-вычислительная машина –  ЭНИАК – была задумана в 1942 году, запущена и продемонстрирована – в 1946. Создание этой американской машины стало началом эры двоичных вычислительных машин.

Спустя два года, в 1948,   Сергей Лебедев начал работу над своей вычислительной машиной, которая впоследствии была названа  Малой электронной счетной машиной . Примерно в то же время Исаак Семенович Брук зарегистрировал патент на изобретение электронной счетной машины. Фактически этот патент ознаменовал начало советской вычислительной техники.

Любопытно

«Малой» машина Лебедева лишь называлась: на самом деле это была конструкция, которая содержала тысячу ламп и занимала большую площадь.

Ее быстродействие  составляло порядка пятидесяти операций в секунду. Первоначально МЭСМ задумывалась как макет или модель Большой электронной счетной машины (БЭСМ), первое время буква «М» в названии означала «модель».

Машина Брука называлась М1, и ее быстродействие было до двадцати операций в секунду, но она состояла всего из 730 ламп.

подробнее

Уже в 1952 году Лебедев завершил разработку  ЭВМ  БЭСМ1 с производительностью 8 тысяч операций в секунду.  

Это было золотое время советской вычислительной техники, на которое пришлось, к примеру, создание  троичной электронной машины «Сетунь».

Тем не менее в конце 50-х гг. возникла необходимость каким-то образом унифицировать разрабатываемые архитектуры – в первую очередь, из-за недостатка программного обеспечения. К сожалению, было принято очень неоднозначное решение, последствия которого мы ощущаем и сейчас.

Был выбран путь унификации с американской архитектурой  IBM360 .

Аргументы были разные. Например, надеялись, что такое решение даст возможность брать готовое программное обеспечение и использовать продуманную архитектуру, а значит, резко нарастить скорость производства советского программного обеспечения.

В результате работы по собственным, советским архитектурам для гражданского использования свернули и для развития Единой Системы ЭВМ (так назывались советские машины, совместимые с IBM360) создали  Научно-исследовательский институт электронных математических машин . 

Лебедев, который разрабатывал собственные архитектуры, конечно, сопротивлялся такому решению. Он отстоял свое право заниматься разработками самостоятельно, в первую очередь, для оборонной промышленности.

Однако гражданская сфера в основном была занята системами  ЕС ЭВМ , которые основывались на архитектуре IBM360. Страна получила программное обеспечение из-за рубежа, задача была частично решена.

Но надежды на использование «готового» ПО с Запада в полной мере не оправдались: развитие мейнфреймов IBM на Западе продолжалось, а новое ПО было совместимо только с новыми машинами IBM. Мы были вынуждены идти в фарватере зарубежной  архитектуры , заниматься реверс-инжинирингом, и потеряли возможность обогнать Запад с помощью каких-то оригинальных архитектурных решений. Это привело к тому, что мы по определению отставали от темпов разработки западных ЭВМ, и к тому, что оригинальные советские архитектуры были в массовом производстве не востребованы.

«Эльбрус»

Всеволод Бурцев – ученик Лебедева – создал серию супер ЭВМ «Эльбрус» уже после смерти своего учителя. Это были ЭВМ с необычными архитектурными идеями: аппаратное обеспечение было тесно связано с высокоуровневыми языками программирования. Для «Эльбрусов» изначально использовалась технология защищенных вычислений, которая позволяла  отлаживать ошибки и ускоряла процесс разработки программного обеспечения. Именно благодаря этой технологии и удалось разработать  систему противоракетной обороны Москвы и уложиться в сроки. Эта система содержала порядка миллиона строк кода, это очень много по тем временам.

Затем разработали «Эльбрус 3» под руководством Б.А. Бабаяна, но, в том числе из-за распада СССР, его опытный образец собрать успели лишь частично. Этот суперкомпьютер должен был достичь скорости в 1 млрд операций в секунду.

В этот момент история советской вычислительной техники закончилась, потому что на наш рынок хлынули компьютеры, созданные по новейшим западным технологиям.

После СССР

После перестройки Россия оказалась на периферии развитых стран, так как не могла произвести свою собственную, конкурентоспособную на гражданском рынке продукцию. Наши компьютеры отставали по технологическим причинам. Среди прочих проблем мы не могли производить достаточно чистый кремний и микросхемы в нужном количестве.

Развитие российской вычислительной техники, можно сказать, впало в «кому»: большинство коллективов разрушились, удержались лишь отдельные команды за счет оборонного заказа. АО « МЦСТ », которое разрабатывает современные процессоры «Эльбрус», не исключение.

В 90-е годы компания вынуждена была заниматься приработками, но АО «МЦСТ» в каком-то смысле повезло – удалось наладить сотрудничество с фирмой  Sun Microsystems . Она наняла сотрудников АО «МЦСТ» для того, чтобы они помогали разрабатывать зарубежные процессоры. Мы получили возможность набираться зарубежного опыта разработки и быстро поднять техническую квалификацию в проектировании на уровень, который позволил разрабатывать собственные процессоры. Мы выпустили  три модели процессоров архитектуры SPARC, благодаря чему получили государственный заказ и смогли удержать фирму на плаву. В начале 2000-х по заказу от Министерства обороны АО «МЦСТ» впервые разработало процессор архитектуры «Эльбрус» в виде микросхемы: функционируя на тактовой частоте 300 МГц, он обладал производительностью в 11,7 раза больше, чем МЦСТR500 на частоте 500 МГц. В 2007 удалось пройти государственное испытание и сдать уже работающий компьютер, оснащенный всем необходимым.

Тем не менее основной объем рынка – это обычные пользователи, а на широком рынке в России, как и во всем мире, мы имеем  олигополию зарубежных производителей.

Сегодня. Семь «но»

Эти  вендоры широко известны: Intel и AMD. И это первое «но».

Но королей не свергнуть

В мире разработано колоссальное количество ПО для процессоров Intel и AMD. Это очень сильно цементирует их положение на рынке. Но в последнее время наметилась тенденция к тому, чтобы трон крупнейших корпораций пошатнулся. Фирма ARM, которая исторически занималась разработкой процессоров для телефонов и встраиваемой техники, начала выпускать продукцию, по производительности сравнимую с Intel и AMD. В этом году Apple объявили о том, что они переходят полностью на процессоры архитектуры ARM. Microsoft разрабатывает новую версию операционной системы Windows, которая работает на процессорах с этой архитектурой. У разработчиков программного обеспечения появляется необходимость поддерживать несколько архитектур. Для нас это положительная тенденция.

Но цена высокая

Сегодня программного обеспечения для российских процессоров недостаточно. Из-за этого на них маленький спрос и, как следствие, высокая цена. Наши процессоры будут продаваться тогда, когда будет ПО, работающее на них. Возможности процессоров «Эльбрус» сейчас ограничены тем, что необходимо  перекомпилировать и оптимизировать программное обеспечение для работы на них.

Это не так сложно. Существует  реестр российского программного обеспечения , а также законодательная база, которая обязывает госзаказчиков покупать софт из этого реестра. На мой взгляд, необходимо ввести меры, которые обяжут разработчиков ПО создавать версии для российских процессоров, а также стимулирующие льготы тем, кто это сделает.

Но мы отсталые

Мы отстаем от Запада технологически. Например, процессоры «Эльбрус» разработаны  по литографической технологии 28 нанометров , в то время как зарубежные процессоры – по технологии 10-7 и даже 5, а вскоре 3 нанометра. Характеристики у такой продукции выше. С точки зрения функционала, доступного конечному заказчику, производительность наших процессоров соответствует зарубежным пяти-, восьмилетней давности. А они и сейчас оправдывают реальные запросы потребителей.

Сегодня наша задача состоит не в том, чтобы ставить рекорды. Мы стремимся удовлетворить конкретные потребности заказчика. Производительности наших процессоров для этого достаточно. Нужно менять сознание заказчиков, чтобы они ставили функциональные задачи, а не требования к технологиям, характерные для зарубежных процессоров.

Но кто разработает?

Допустим, мы смогли восстановить баланс между ПО и разработкой отечественных процессоров. Кто и как займется разработкой и производством? Моментальных решений нет, но постепенно все возможно. Например, сегодня в России уже есть довольно много команд инженеров, которые могут разрабатывать материнские платы самого разного класса, вплоть до плат для самых современных зарубежных процессоров. Надо поддерживать их развитие.

В России существует нормативная база, которая объявляет компьютер российским, если материнская плата смонтирована в России. Это позволяет нам загрузить российские заводы, но пока не требует российского проектирования. Нам необходимо более тонкое законодательное регулирование,  стимулирующее отечественную разработку материнских плат. Это же относится к самим процессорам: сегодня есть только две градации российских процессоров и не создан еще механизм «тонкого» учета доли российской интеллектуальной собственности.  

Но выгоднее заказать за рубежом

Производственные линии, которые могут монтировать  печатные платы , в стране также есть. Россия может сама обеспечить все свои потребности в компьютерах. Но это не очень выгодно – делать заказы в  Китае дешевле, в частности, за счет массовости производства. Однако рубли, потраченные на российское производство, вернутся в виде налогов, зарплат, прибыли акционеров – эти деньги останутся в стране.

Но где взять элементы?

И снова нет простого ответа. Многие элементы можно купить, но не все – какие-то в любой момент могут прекратить поставлять. В России почти нет современных полупроводниковых фабрик. Самая тонкая норма в стране – 90 нанометров. Intel и AMD начала 2000-х гг. имели такую.

В современном производстве уже появляются даже пятинанометровые чипы. Нам нужно строить фабрики. Это необходимо, государство это понимает.

Но фабрик нет

Что делать? Ответ: все равно нам нужно разрабатывать свои процессоры. Это необходимо как минимум ради сохранения кадров и их компетенций и ради завоевания рынка. Нужно развивать экосистему ПО, сообщество разработчиков компьютерных компонентов и готовых компьютеров, использующих российские процессоры, и менять картину мира в головах у заказчиков.

Положение с ИТ-разработками в России далеко не безнадежно: у нас есть неплохие аппаратные ресурсы, свои процессоры, софт и возможность производить российские компьютеры. Но пока не удалось свести все это вместе: организовать процесс создания совместимых друг с другом программных и аппаратных средств и их распространение. Это вопрос сегодняшнего дня, над которым уже работает правительство.

Какие еще можно извлечь уроки из всей этой ситуации? Если мы выбираем в качестве основы для архитектуры процессоров зарубежный стандарт, то мы становимся заложниками принципов, заложенных в него другими. Такого выбора в вычислительной технике, наверное, в будущем лучше избегать. Нужно разрабатывать свои стандарты и делать это на таком уровне, чтобы не ограничивать самим себе развитие базовых вычислительных средств, прежде всего, микропроцессоров. Об этом, в частности, говорил президент В.В. Путин в послании Федеральному собранию в 2018 году: надо формировать собственные цифровые платформы, естественно, совместимые с глобальным информационным пространством.