Отечественные микропроцессоры. Были! Есть. Будут?

⇡#SPARC

Эти RISC-процессоры собственной разработки компания Sun представила в конце 80-х годов прошлого века. Через пять лет после их анонса в России была создана организация «Московский центр SPARC-технологий» (МЦСТ, MCST, ныне АО «МЦСТ»), которая и занималась разработкой отечественных процессоров на этой архитектуре. Несмотря на то, что архитектура была лицензирована множеством компаний по всему миру, основными разработчиками CPU оставались всё же Sun и, в меньшей степени, Fujitsu. Последние поколения процессоров SPARC интересны тем, что они работают на высоких частотах (до 4-5 ГГц), поддерживают исполнение до 8 потоков на ядро, а также отличаются большим числом ядер (до 32). Фактически такие мощные решения сейчас разрабатывают только две компании — Oracle (SPARC M8) и Fujitsu (SPARC64 XII).

Правда, тут есть некоторые нюансы. Например, обе компании ориентируются на корпоративный и государственный сектора. Компания Oracle позиционирует SPARC-решения как отличное средство для работы с Java и собственной базой данных, а Fujitsu использует SPARC в суперкомпьютерах для внутренних нужд Японии, в том числе военных. Так что ситуация чем-то напоминает историю с Itanium — вероятно, новые CPU делаются только для исполнения контрактных обязательств по поддержке не слишком многочисленных, зато богатых и требовательных заказчиков. Не забывайте, что многие действительно крупные и критические программные комплексы могут работать не просто годами, а десятилетиями. Как нельзя кстати и тот факт, что все новые вариации SPARC-процессоров обязаны соответствовать эталонной спецификации SPARC V9 Level 1, выпущенной в 1993 году (это, впрочем, не значит, что разработчикам запрещено добавлять новые функции).

Фото: elbrusworld.com

С этим связан и другой нюанс. Основной ОС, наилучшим образом поддерживающей SPARC, долгие годы была Solaris, хотя существовали и другие проекты. При этом три года назад Oracle объявила о расширенной поддержке Linux, что можно трактовать и как отказ от Solaris. Ещё один хитрый момент — незадолго до того, как ее поглотила компания Oracle, Sun выложила в открытый доступ и IP-блоки последних на тот момент SPARC-процессоров, и коды Solaris. На практике действительно полезным OpenSPARC для себя сделали китайцы: в суперкомпьютере Tianhe-2 были CPU Galaxy FT-1500. Всё это сказано к тому, что на данный момент SPARC нельзя назвать популярной архитектурой и с точки зрения «железа», и в плане поддержки ПО. Рассчитывать на поддержку сообщества не стоит, хотя в нашем случае — «военка» и госзаказ — она скорее не нужна.

⇡#МЦСТ R-xxxx

Первый отечественный SPARC-процессор МЦСТ R-100 (или R-80), который должен был прийти на смену загадочному «Электроника Эль-90», был готов к 1998 году. Это был одноядерный CPU с частотой 80 МГц и производительностью около 22 Мфлопс (62 MIPS). Изготавливался он по техпроцессу 500 нм на фабрике Atmel (купленой у ES2) во Франции, содержал порядка 2,1 млн транзисторов и потреблял примерно 3 Вт. Несмотря на то, что он прошёл госприёмку, серийное производство запущено не было. Вместо этого тот же самый процессор стали переделывать под техпроцесс 350 нм, что привело к появлению в 2001 году CPU МЦСТ R-150, первые партии которого были сделаны на израильской TowerJazz. Параметры всех последующих изделий на этой платформе можно узнать в "Википедии". Отметим, что поддержка SPARC V9, то есть 64-битной архитектуры, появилась только в R1000, а в дальнейшем часть партий изготавливалась на мощностях TSMC.

Фото: CNews.ru

Последний на данный момент чип R2000 МЦСТ представила этой весной. Разработка велась с 2014 года. R2000 — это восьмиядерный 64-битный процессор SPARCv9 с рабочей частотой до 2 ГГц и FP32-производительностью в 64 Гфлопс. Изготавливаться он должен на TSMC по техпроцессу 28 нм и потреблять 25 ватт. Впрочем, самое главное то, что новый CPU получил двухканальный контроллер памяти DDR4-2400. Другой свежий проект, но на базе SPARCv8, а точнее ядер серии LEON4, разрабатываемых в Европе для аэрокосмических нужд, появился в прошлом году. В России эти ядра используются в составе чипа 1906BМ016 от АО «НИИЭТ». Данное изделие может иметь частоту до 100 МГц и выпускается по 180-нм техпроцессу. Впрочем, в данном случае «тонкость» не так важна, потому что это сбоеустойчивая микросхема для нестандартных условий работы.

⇡#MIPS

MIPS — это ещё одна RISC-архитектура, появившаяся в середине 80-х годов прошлого века. До последнего времени она была весьма успешной и применялась в основном во встраиваемых системах. Была она популярна и в университетской среде — как отличная база для изучения строения и проектирования микропроцессоров и их программирования. Однако на текущий момент ситуация не такая радужная: компания уже несколько раз была перепродана, как и её патенты. Можно услышать жалобы на ослабление поддержки разработчиков, да и в целом перспектива дальнейшего развития стала какой-то неопределённой.

Как и ARM, MIPS лицензирует свои наработки сторонним производителям, так что зоопарк решений просто огромен. И как и ARM, ядра MIPS нередко используются в качестве ядер общего назначения, тогда как основная работа, обработка данных или вычисления происходят в совсем других, кастомных блоках. Таких SoC великое множество, в том числе есть и отечественные, но отдельно перечислять их нет смысла. На досуге можете поинтересоваться, к примеру, какое ядро главное в столь любимых многими Raspberry Pi и почему их SoC уже практически достигли предела своего развития в рамках заданной цены на чип.

⇡#Серия Л1876

Собственно CPU на базе MIPS в России появились в серии Л1876: 32-битный процессор на базе лицензированного ядра R3000 имел частоту 16 или 25 МГц, к концу 90-х был переведён на нормы 1,2 мкм, потреблял до 4 Вт. Разработан он был в НИИСИ РАН, а производился на линиях "Ангстрема" как минимум до середины 2000-х. На форумах можно даже найти стоимость CPU вместе с SDK в те времена, которая в пересчёте на современные рубли должна составить около 30 тысяч. Впрочем, с моделью Л1876ВМ1 есть небольшая неразбериха, так как кое-где упоминается, что под этим индексом проходил клон i386, а вовсе не MIPS-процессор.

⇡#"КОМДИВ-32" и "КОМДИВ-64"

Дальнейшим развитием MIPS-совместимых решений занимался всё тот же НИИСИ РАН. И, надо сказать, успешно. Имена обеих серий говорящие — сразу понятно, что они не предназначены для гражданских нужд и какая у них разрядность. KOMDIV-32 продолжает развитие чипов на ядрах R3000 с середины 2000-х. Да, все они относительно слабые, так как их частота не превышает 125 МГц, зато почти все процессоры имеют радиационно стойкое исполнение и производятся в России по техпроцессу не тоньше 250 нм. А вот KOMDIV-64 намного более интересные. Они имеют до двух ядер MIPS IV с частотой до 1 ГГц и заявленную производительность до 80 Гфлопс в варианте с сопроцессором. Вообще, тут, как обычно, царит какая-то неразбериха. Вот тут указано, что старшая модель 1890ВМ9Я имеет инструкции 128/256 бит и работает на частоте до 2,5 ГГц, на сайте производителя ничего такого нет, а, скажем, вот здесь при поиске вообще выдаётся 128 бит и 250 МГц.

В любом случае, даже если отбросить эту загадочную историю с векторными расширениями (а похоже, что там именно они), это уже не просто CPU, а неплохие и достаточно современные SoC с контроллерами PCI, Ethernet, USB, SATA и рядом дополнительных шин в старших версиях. Да и в целом набор встроенных интерфейсов позволяет подключать разнообразные устройства и контроллеры. Также стоит отметить поддержку двухканальной DDR3-800/1200 в последних модификациях и возможность создания кластеров из данных CPU. Для встраиваемых и промышленных систем этого более чем достаточно. Пару лет назад был показан армейский компьютер «Восход» с KOMDIV-64. Сами процессоры последнего поколения производятся по 65-нм техпроцессу на зарубежных фабриках, но, как и прошлые версии, они со временем должны переехать на производственную базу в РФ.

Армейский компьютер «Восход» с CPU КОМДИВ-64

⇡#"Байкал-Т1"

Про этот процессор разработки компании «Байкал Электроникс» и плату ПАК BFK 3.1 есть отдельный материал с тестами производительности. Так что просто кратко напомним характеристики. Благо продукт этот гражданский, из-за чего никто не скрывает (ну почти) все его особенности. Итак, SoC «Байкал-Т1» имеет два 32-битных ядра на архитектуре P5600 Warrior (MIPS32 Release 5) с аппаратной виртуализацией и FPU, который поддерживает 128-бит SIMD. Теоретическая пиковая производительность составляет 12 Гфлопс FP32 при максимальной частоте 1,5 ГГц. Здесь тоже есть некий математический сопроцессор, но о нём разработчики предпочитают много не говорить. Одноканальный контроллер памяти поддерживает DDR3-1600 ECC объёмом до 8 Гбайт.

Однако интересен он скорее набором интерфейсов: PCI-E 3.0 x4, USB, SATA, гигабитный Ethernet и, самое главное, контроллер 10GbE. В довесок есть GPIO и пачка стандартных шин для низкоскоростных контроллеров и устройств. Данная SoC отлично подходит для индустриальных, сетевых и встраиваемых решений (список по ссылке явно неполон). Модель BE-T1000 (1,2 ГГц) доступна в рознице по цене 4 тысячи рублей, или $65. Выпускается она на TSMC по 28-нм техпроцессу и потребляет не более 5 Вт.

⇡#ARM

Про ARM можно сказать в общих чертах всё то же, что и про MIPS: популярная архитектура, великое множество вариантов ядер и огромное число продуктов на их основе. Правда, сейчас ARM всё-таки чувствует себя получше MIPS — даже первый суперкомпьютер на базе этих CPU должен уже скоро появиться, и это после стольких лет ожидания. Хотя с ноутбуками, например, всё до сих пор не слишком гладко. В России, как в мире, основная масса ARM-ядер используется во всяческих микроконтроллерах — это серия Cortex-M. Они хоть и важны, но не так интересны. Есть у нас, конечно, SoC с Cortex-A9: изделия "Элвис". Но у них «фишка» вовсе не в ARM. Единственным проектом по созданию собственной высокопроизводительной системы-на-чипе занимается всё та же «Байкал Электроникс».

⇡#"Байкал-М/С"

На сайте информации о серии BE-M1000 (Baikal-M) совсем мало, а про Baikal-S и вовсе нет. Впрочем, вариант S от M будет отличаться только более простой конфигурацией GPU, так как ориентирован он на серверные инсталляции, в отличие от M, который создаётся для клиентских решений. На Computex-2017 были рассказаны некоторые подробности об устройстве этих SoC, которые представитель компании подтвердил в личном разговоре. Итак, изделия будут содержать до 8 64-битных ядер ARM Cortex-A57 (ARMv8-A) с поддержкой векторных расширений NEON и до 8 GPU Mali-T628 (MP8). Для всех типов ядер будет общий L3-кеш и двухканальный контроллер памяти DDR3/DDR4 ECC. Также говорится об аппаратном кодеке H.264/H.265.

Фото: PC Watch Japan

Заявленные частота ядер и TDP — до 2 ГГц и до 30 Вт соответственно. Однако основной интерес представляет набор внешних интерфейсов: 14 линий PCI-E, два SATA-3, по два контроллера 1GbE и 10GbE, 2 × USB 3.0, 4 × USB 2.0 и пачка других стандартных шин. Производство — как обычно: 28 нм у TSMC. Доступны новинки будут в следующем году. Да, есть задержка с их выходом рынок, но мы уже убедились, что разработчик способен доводить начатое до конца.

Фото: PC Watch Japan

⇡#RISC-V

О молодой архитектуре RISC-V, которая постепенно становится популярной, мы уже неоднократно писали. Причём рост её, похоже, обеспокоил даже ARM, которая создала специальный сайт, описывающий недостатки новичка. Сайт в итоге поспешно удалили, но Интернет всё помнит. И зря, пожалуй, так как претензии не совсем уж безосновательны. Да, RISC-V — изначально полностью открытая архитектура, которая позволяет разработчикам самостоятельно добавлять свои расширения, что в теории грозит фрагментацией. К тому же само ядро бесплатно, а вот доведение его до ума и связка с другими IP-блоками — отнюдь нет. Да и экосистема в целом пока далека от той, что есть у ARM или MIPS. Тем не менее есть надежда, что RISC-V потеснит и ARM, и другие классические архитектуры. В России решения на базе RISC-V разрабатывают Syntacore и CloudBEAR.

⇡#Syntacore

Syntacore является одним из сооснователей головной организации RISC-V Foundation. Компания занимается разработкой 32-битных ядер на базе этой архитектуры, их кастомизацией под нужды конкретных заказчиков (DSP, акселераторы, оптимизация) и подготовкой ПО для разработки софта. Её ядра одними из первых были реализованы «в кремнии». Она же одной из первых продемонстрировала работу Linux на многоядерном CPU RISC-V. В портфолио компании есть три версии ядра для микроконтроллеров: SCR1, SCR3 и SCR4. Причём SCR1 является полностью открытым решением. Старшая модификация SCR5 рассчитана уже на работу с обычными ОС: 32/64-бит, 1-4 ядра, частота от 1 ГГц, 28 нм TSMC.

⇡#CloudBEAR

С CloudBEAR ситуация интересная. На сайте указано, что компания занимается разработкой и кастомизацией 32/64-битных ядер RISC-V для микроконтроллеров и многоядерных CPU. В Интернете можно найти названия ядер — BM350 и BI651-MC — и… слайды непубличной презентации с их предварительным описанием, которые мы здесь приводить не будем. Кроме того, нельзя не упомянуть ещё об одном проекте с RISC-V — платформе Anthill для работы на FPGA от МИЭТ. Но это всё-таки не коммерческий продукт — по крайней мере пока что.