На эту тему не писал, наверное, только ленивый.Сколько охов и ахов можно услышать по поводу того, что тайваньская TSMC, которая еще пока вроде бы делает наши процессоры “Эльбрус” и “Байкал”, со дня на день откажется их производить под давлением американцев! А у нас еще не освоен 65-нм техпроцесс. В то время как “Эльбрусы” и “Байкалы” делаются на TSMC по 16-нм технологии, и если она нас выкинет, то мы остаемся без процессоров, и все, туши свет и сливай воду, приехали! Ну и далее поиски виноватых, стенания, что их уровень в 5-7 нм мы достигнем не ранее, чем через 7-10 лет, соображения, что надо договариваться с китайцами, которые уже практически освоили 28-нм техпроцесс – в общем, все, что могут сказать непрофессионалы, знающие вопрос чаше всего понаслышке.
Я не претендую на лавры крутого профессионала в этой области и знатока ситуации с заказами изделий микроэлектроники у внешних фирм. Но я более 30 лет в практической электронике, в далеких нулевых годах написал и выпустил четырехтомник “Микроконтроллеры? Это же просто!”, который знают сегодня почти все специалисты по микроконтроллерной тематике. И в течение 40 лет являюсь разработчиком-практиком, в том числе и в схемотехнике. Поэтому многое знаю не понаслышке. И кроме того, люблю думать и анализировать. И вас приглашаю к такому анализу.
Начну с того, что тема с рекордно низкими нанометрами в технологии изготовления микропроцессоров – это в большóй степени маркетинговая уловка. Смотрите, у меня в компьютере, на котором я набираю этот текст, стоит четырехядерный процессор Core 2 Quad Q6700 c 65-нм ядром Kentsfield. Архитектура старенькая, анонсированная году в 2007-2008. Я разогнал его с 2,7 до 3 ГГц (дурные привычки не лечатся), процессор греется, как маленький чайничек, но кулер справляется. И если на нем запустить хорошо известную многим программу cpu-z, то тест производительности в однопроцессорном потоке показывает результат 268 ед., в многопроцессорном – 1062 ед.
Зачем я об этом? А вот зачем. На работе у меня стоит компьютер с четырехядерным Core I3-8350, самым могучим среди I3 8-го и 9-го поколений. Штатная частота его – 4 ГГц. На этом же тесте этот компьютер показал 502 ед в однопроцессорном потоке и 1857 ед. в многопроцессорном. Core I3-8350 выполнен по нормам 14 мкм, т.е. структура его элементов почти в 5 раз тоньше, чем у Q6700. А что с приростом быстродействия? При однопроцессорном потоке 502/268=1,873, при многопроцессорном – 1857/1062=1,749. То есть, переход с 65 нм до 14 нм обеспечил прирост производительности процессора всего на 75-87%, т.е. менее чем в 2 раза. А мы еще не учли, что Core I3-8350 работает на частоте, на треть более высокой, чем Q6700. Если это учесть, то прирост производительности – всего 30-35% при равной тактовой частоте.
Понимаю, многие скажут, что есть другие тесты, более крутые, лучше отражающие прирост производительности в “тяжелых” приложениях и играх. Но, милые мои, “Эльбрус” и “Байкал” не для игр нам нужны, и не для редактирования видео, а для серверов. А там – все намного проще, процессор должен быстро перебирать чудовищные объемы информации, а не отрабатывать сложную математику для построения реалистических картинок. Поэтому тест cpu-z лучше отражает сравнительную производительность серверных процессоров, чем так называемые синтетические тесты.
Кстати, я даже не знаю, какая часть прироста производительности обеспечена усовершенствованием внутренней архитектуры, а какая – заурядным увеличением объема кэш-памяти или ее усовершенствованием. У Core I3-8350, хоть объем кэша не больше, но он трехуровневый, что, по словам Intel, обеспечивает прирост производительности. Но какой – она дипломатично не уточнила.
Да, тепловыделение у 14-нм Core I3-8350 при равной частоте, если верить программе AIDA64, в 2,5-3 раза ниже, чем у 65-нм Q6700. Это – единственный выигрыш, сопоставимый с пятикратным уменьшением структуры элементов. И то, вдвое меньший, чем кратность уменьшение толщины структуры.
Итог – в серверных приложениях переход с технологии 45-65 нм на технологию 14-16 нм дает выигрыш в производительности при равном числе ядер менее чем вдвое. Может, чуть меньше, может, чуть больше, но именно чуть. Т.е. ответ от сервера займет, к примеру, не 1 с, а 2 с. Для подавляющего большинства серверных применений это абсолютно некритично, там нет необходимости быстро и реалистично рисовать картинки, а время ожидания по степени важности – величина второго порядка.
Вы скажете – у нас и 65 нм нет. Прямо сегодня нет, но вот-вот будет в Зеленограде. Не через 7-10 лет, и даже не через 3 года, а в 2022-2023-м. Гораздо бóльшая проблема – корпусирование микропроцессоров. Но и ее решат, здесь нет тонких технологий, нужно купить оборудование у китайцев (если у них есть) или сделать его совместно с ними. На это тоже не надо 10 лет.
Еще кто-то может возразить – если использовать более тонких техпроцесс, можно сделать больше ядер, и такой процессор будет быстрее того, у которого ядер меньше. Да, это так. Но есть еще один путь – не делать 50-ядерный процессор, а сделать 20-ядерные, и поставить на материнке их три. Производительность такой системы будет по крайней мере не ниже, чем у системы с одним 50-ядерным. А если кто не знает – “Эльбрус” с советских времен разрабатывался для возможности работы в многопроцессорных системах, наши специалисты понимали неизбежность перехода на многопроцессорность гораздо раньше, чем это поняли Intel и AMD.
Кстати, на АлиЭкспрессе можно найти двухпроцессорные платы под серверные процессоры XEON, если кто думает, что мои слова о многопроцессорных системах – из области фантастики.
На мой взгляд, самая серьезная проблема не отсутствии процессоров, выполненных по 10-14 нм технологиям, а в ПО для многопроцессорных систем. Нужна операционная система, которая может работать и с двумя многоядерными процессорами, и с двадцатью, и с двумя сотнями. Нужны языки программирования, которые сразу "развалят" программу на много процессоров, столько, сколько есть в системе. Нужно, чтобы эта ОС и языки "дружили" между собой. На базе имеющегося системного ПО создать это, как мне кажется, невозможно. Нужно приступать к этой работе "с чистого листа", а не тянуть старую программную архитектуру, латая ее то там, то здесь.
Сухой остаток – нам важно освоить технологию 65 нм, которая уже почти освоена. И научиться корпусировать процессоры, что тоже не есть задача на пол-десятилетия. Тогда мы достигнем безопасности серверного сектора, как сегодня имеем продовольственную безопасность.
Когда-то, в середине 90-х, я привозил на минский “Интеграл” наше оборудование, и имел один очень интересный разговор с сотрудниками соседней лаборатории. Они с гордостью сказали мне, что они сделали 486-й процессор (кто постарше – в курсе, что это, и каково его место в иерархии х86). У меня стоял “Пентиум”, и я с некоторым пренебрежением спросил: ребята, а кому этот ваш уже слегка устаревший процессор нужен? На что получил ответ – во-первых, мы сделаем их сколько надо, а не сколько нам продадут. А во-вторых, в нем гарантировано нет встроенных “багов”, которые позволят его отключить или заблокировать каким-то сигналом извне. Я вспомнил об этом разговоре, когда услышал, что все компьютеры иракской армии во время наступления американцев подозрительно синхронно стали неработоспособны. Так что для компьютерной безопасности вовсе не надо стремиться выйти на разрекламированный маркетологами уровень 5-7-12-16 нм, даже 65 нм снимет почти все проблемы. А 65 нм – это, в общем, сегодня-завтра.
Но и это еще не все. Несмотря на то, что TSMC почти поддержала американские санкции, и почти прекратила делать “Эльбрус” и “Байкал”, реально она производить их не прекратила. И почти наверняка не прекратит. Причина проста, цитирую источник:
“Позвольте вам кое-что прояснить - в том числе и причину, по которой мы будем получать микрочипы в любых количествах и в любое удобное для нас время.
Современная микросхема - это очень сложный продукт. Основой этого продукта является подложка из сапфирового стекла, сегодня заменить ее на мировом рынке полупроводниковых приборов просто нечем. Не будет подложки - не будет микросхемы, это аксиома.
Так уж исторически сложилось (мы тут точно не виноваты), что Россия является мировым монополистом по производству подложек из сапфирового стекла - на нашу долю приходится 80% мирового производства этого важнейшего компонента.
А кто же производит подложки из сапфирового стекла в России? Два человека из Ставрополя, организовавшие предприятие "Монокристалл" еще в 1999 году - и когда уже в 2016 году они имели долю мирового рынка в 30%, это казалось невероятным - как же так, неужели сиволапая Россия способна создать сверхвысокотехнологичное производство, да еще и без какой-либо западной поддержки? …
Иначе говоря, подложки из сапфирового стекла являются ключевым компонентом для производства ВСЕХ микрочипов и процессоров в мире - на российских подложках создают процессоры и Интел, и АМД. Любой новомодный чип - это российская подложка, а искусственные сапфиры, выращенные в России для этих целей, являются самыми качественными и чистыми - любые примеси в этом деле убивают производство наповал.
Нет, конечно, если очень-очень постараться, то можно заменить российскую подложку на что-то другое из иного материала. К примеру, на кремний - правда, такие чипы не способны выдавать нужные параметры. И дохнут такие чипы тоже на удивление очень быстро. И в космос их не отправить, и в вооружение не воткнуть - и связь с ними будет хорошая, но недолгая.
Если вы таки считаете, что 80% мирового производства - это не так уж и монополия, давайте перейдем к следующему пункту нашего меню - а там самый настоящий "сюрпрайз" для западных любителей санкций.
Есть такая специальная химия травления микросхем с использованием ультрачистых компонентов - и ее выпускает только одна страна в мире. Догадаетесь с трех раз, какая именно?
Это уже точно монополия, причем тотальная - на долю России приходится 100 (сто!!!) процентов производства ультрачистых редкоземельных элементов для этой химии. И вот эту адскую смесь точно не заменить, ибо при использовании менее чистой химии готовые изделия начинают выдавать такую ахинею и ересь, что хоть святых выноси и зови экзорциста.
И вот теперь давайте представим, что тайваньцы и американцы перекрывают России поставки процессоров и других микросхем. В ответ Россия запросто перекрывает тайваньцам и американцам кислород, перестав поставлять ключевые компоненты для производства - как думаете, долго ли продержится мировой рынок полупроводниковых приборов?
Неделю? Две? А дальше, извините, у медведя лапу сосать?
Хотите еще? Да легко!
Технологию производства самых мощных процессоров знаете? На подложку из российского сапфира поочередно наносятся слои кремния. Это двухмерный процесс, все происходит хоть и очень быстро, но довольно-таки печально.
В свое время, в самом начале нулевых, русская команда, предлагавшая стартап в Британии на производство микрочипов из арсенида галлия, оббила все пороги инвесторов - и что бы вы думали? Под давлением Интел и АМД ни один инвестор на этот стартап не подписался. В итоге в 2016 году разработчики вернулись к себе в Пермь и теперь работают на благо Министерства обороны России, выпуская изделия на основе арсенида галлия.
Знаете, в чем главное отличие арсенида галлия от традиционного кремния? Он дороже. И еще, в отличие от кремния, арсенид галлия позволяет создавать не двухмерную, а трехмерную архитектуру полупроводниковых приборов - в результате энергопотребление снижается до четырех раз, а быстродействие увеличивается до восьми раз; и здесь разработчикам уже плевать на модные нанометры, потому что даже при имеющихся в России отсталых технологиях производства можно создавать процессоры выше мирового уровня по характеристикам. Кстати, их выпускает АО "ЭОС" - если кому интересно, почитайте про их К6500, будете приятно удивлены. Диапазон работ при температурах от минус 70 до плюс 125. …
Да, проще всего бегать по России-матушке в рубище и лаптях и орать "Нам всем хана!!!". А есть другой путь - надавить на наших чиновников и заставить их проявить не стадный инстинкт, а политическую волю - в этом случае свои суперпроцессоры мы получим в течение полутора-двух лет, вся основа для их производства в России уже создана.”
Как-то так. Но есть одно маленькое “но”. Если на TSMC придет письмо за подписью нашего премьер-министра с информацией, что в случае отказа производить российские процессоры Россия введет эмбарго на поставки сапфира и химии, то этого будет вполне достаточно для того, чтобы она отказалась поддерживать санкции в отношении России. Но чтобы такое письмо возникло, кто-то должен прийти на прием к премьеру с подготовленным вариантом документа и объяснить необходимость подписания этого письма, т.к. премьер наверняка это не отслеживает, ибо это относительно мелкий вопрос в сравнении с вопросами поставок углеводородов, металла, пшеницы, …, а также совокупности финансовых вопросов. И вот на этом этапе может возникнуть ситуация, когда никто из чиновников не возьмется за решение этой задачи – зачем лишний раз вылазить к премьеру, а вдруг что-то пойдет не так, как это еще потом аукнется? В общем, перестать поставлять можем, но перестанем ли?
Ну да ладно, идем дальше. Как вы думаете, китайцы, глядя на нашу спецоперацию Z, не мечтают ее повторить на Тайване? Еще как мечтают! Правда, они понимают, что один на один против США они еще не выстоят. А с Россией за спиной – выстоят. Поэтому и поддерживают нас изо всех сил, хоть иногда и помалкивают на этот счет – зачем лишний раз будить чудо-деда на батарейках? Так что недолго осталось TSMC быть независимой от Китая, наш президент наверняка пообещал другу Си, что как только решим свою проблему, перейдем к решению китайской. Развивать тему не буду – я на переговорах президентов не присутствовал, лишь домысливаю, и озвучиваю совершенно очевидный для меня факт.
Еще одно соображение по поводу микроэлектроники. У нас есть свои процессоры. Именно свои, производимые в Зеленограде. Не такие крутые, как нынешняя продукция Intel и AMD, но вполне справляющиеся с задачами в военных самолетах, вертолетах, на кораблях, в ракетах и в космических аппаратах. Они называются КОМДИВ, я о них узнал отсюда, кому интересно – почитайте. Достойные процессоры. И прекрасно работают в перечисленной выше технике.
Ну и еще раз насчет нанометровых технологий. Тоже наверное не все знают, но 90% мировых микросхем производится по технологии 90-300 нм. Это все цифровые микросхемы малой и средней степени интеграции, все аналоговые микросхемы – усилители, преобразователи и т.д. Это делается на десятках заводов в мире, в том числе и на наших зеленоградских заводах, и на минских “Интеграл’е” и “Транзистор’е”. Именно делается много лет, а не будет освоено к какому-то там году. Наверное, в СССР микросхем производилось поболее. Но ситуация вынудит нас выйти на тот уровень и превзойти его, а это более чем реально.
И еще раз далее. В мире более десятка крупных производителей микросхем – Филипс, TI, Максим, Сименс, STM, Аналог Девайсес и т.д. Номенклатурный ряд всего, что они производят – огромен, наивно думать, что мы можем повторить любую микросхему. Но это и не нужно, надо делать только то, что критично для военно-космического комплекса. А остальное – купить. Где? Да в Китае. Китай – ведущий мировой производитель радиоэлектроники, не микросхем, а изделий. И все микросхемы идут туда. Ну или по крайней мере половина того, что все изготовители компонентов производят. Небольшими партиями это все легко приобретается на АлиЭкспресс. Про большие – не знаю, но снабженцы заводов наверняка это уже прорабатывают.
Такая вот ситуация в нашей электронике, как мне видится. Может, я что-то не учел, не принял во внимание. Озвучте в комментариях. Но главное – не надо охов и ахов по поводу того, как нам может подгадить TSMC. Нам нужно отработать процесс 65 нм, а не 10-14. А 65 нм – это почти решенная задача, причем в нынешней ситуации окончательное решение ее по максимуму ускорится. Ну и работа над принципиально новым ПО.