Американский инженер украинского происхождения — о российских процессорах и технологиях

Юрий Панчул

Микроархитектор и проектировщик цифровых микросхем на уровне регистровых передач. Разработчик блоков микропроцессорных и графических ядер, а также сетевых микросхем. Организатор и соавтор образовательных проектов в области микроэлектроники.

Работал в компаниях MIPS Technologies, Imagination Technologies и Juniper Networks. Основал стартап C Level Design, который получил инвестиции от Intel Capital и был куплен Synopsys.

Делал образовательные проекты в сотрудничестве с Imagination Technologies, «Роснано» и Высшей школой экономики / МИЭМ. Организовывал школы проектирования электроники в МИЭТ и на выставке ChipEXPO в Сколково.

В интервью мы обсудили:

• Зачем нужно импортозамещение микроэлектроники в России? В процессорах действительно могут быть «закладки»?
• Реально ли создать в России процессор, который будет пользоваться спросом на мировом рынке?
• Процессор нужно не только разработать, но и произвести. Могут ли это сделать в России?
• Множество российских процессоров базируются на лицензируемых ядрах. А есть ли отечественные решения?
• Почему собственная архитектура уменьшает шансы российских процессоров на успех за рубежом?
• Как массовый переход на Linux поможет разработчикам российских процессоров?
• «Трудный путь, которым достигается прогресс в России». Почему создатели процессора «Байкал» оказались в суде?

«Найти „закладку“ в процессоре не сможет никакой антивирус»

— Зачем России нужно импортозамещение микроэлектроники?

— Импортозамещение может быть полезно для трёх целей: поддержки критической инфраструктуры, выращивания команд разработчиков, а также обкатки российских технологий перед завоеванием ниш на мировом рынке.

— А почему так важно обеспечить критическую инфраструктуру отечественными процессорами? В них действительно могут быть спрятаны «закладки»?

— Отрицать техническую возможность создания таких «закладок» может только человек, который никогда не видел исходный код процессора на языке описания аппаратуры и не имеет представления о маршруте проектирования микросхем. Например, можно спроектировать небольшой блок внутри процессора — конечный автомат, который будет отслеживать данные в регистрах общего назначения или буферах при записи в кэш. При попадании туда байтов ключевой фразы — например, из текста полученного электронного письма — блок может останавливать процессор.

Такой аппаратный блок принципиально нельзя увидеть программными средствами, его не сможет найти никакой антивирус. Шифрование не поможет, потому что на регистры или строки кэша всё придёт в уже расшифрованном виде. Можно ли сфотографировать слои чипа электронным микроскопом и вручную искать несколько тысяч вредоносных транзисторов среди миллиарда других? Это поиск иглы в стоге сена без магнита.

Конечно, можно надеяться, что производители процессоров не будут таким заниматься. Но службы безопасности принимают в расчёт только технические возможности, а не субъективное доверие к тем или иным компаниям. И не только службы безопасности. Вполне возможно, что интерес «Росатома» к МЦСТ частично объясняется тем, что RTL «Эльбруса» написан в России.

«Аналог хромбуков можно построить на основе российских процессоров»

— Насколько реально создать в России процессор, конкурентоспособный на мировом рынке?

— Главная проблема для компании, чей продукт не является уникальным, — это цена её чипов. Цена же напрямую связана с тиражами. Если компания тратит на разработку и производство продукта 20 миллионов долларов, а тираж составляет 100 тысяч, то чисто арифметически каждый чип не может стоить меньше 200 долларов. Чтобы снизить цену до приемлемого для рынка уровня, фиксированные расходы нужно «размазать» на тиражи в десятки миллионов.

Это проблема, в частности, относится к российским компаниям «Байкал Электроникс» (с процессорами для компьютеров) и НПЦ «Элвис» (с чипом «Скиф» для планшетов). Хотя в обеих компаниях работают опытные инженеры и их продукция может быть адекватна технически, им сложно конкурировать с чипами от Qualcomm и MediaTek, тиражи которых составляют миллиарды.

Импортозамещение и субсидирование цен государством могут помочь увеличить тираж процессоров от «Байкала» и «Элвиса». Эти чипы можно использовать там, где они способны составить достойную конкуренцию западным изделиям. В частности, в компьютерах на основе операционной системы Linux для государственных учреждений и общеобразовательных школ. К слову, самые используемые компьютеры в американских школах — это хромбуки с операционной системой Chrome OS на основе ядра Linux. Существуют хромбуки с ARM-чипами от MediaTek. Такое же решение можно построить на основе процессоров от «Байкала» и от «Элвиса».

Лауреат Нобелевской премии Пол Кругман в своей книге «Возвращение Великой депрессии» (оригинальное название — The Return of Depression Economics and the Crisis of 2008. — Ред.) описал стратегию, которую применяли японские власти и компании для экономической экспансии в 1950–1980-е годы. Правительство страны назначало те или иные отрасли приоритетными, раздавало субсидии и ограничивало импорт. Японские банки снабжали технологические компании долговременными займами. Поначалу производители обкатывали свои несовершенные изделия на внутреннем рынке и только потом выходили на экспорт. Так они завоевали рынок автомобилей, видеомагнитофонов и полупроводников.

«Мировой уровень — это не обязательно самый последний техпроцесс»

— Могут ли российские компании не только разрабатывать, но и производить микроэлектронику мирового уровня? Например, на предприятиях «Микрон» и «Ангстрем»? И так ли важен передовой техпроцесс для выхода на мировой уровень?

— Мировой уровень — это не обязательно самый последний техпроцесс. Пресса очень много пишет про чипы на 3 нанометра, а чипы на 5 и 7 нанометров уже стали обыденностью. Но это относится не ко всем рынкам. Например, самые популярные в мире микроконтроллеры STM32 выпускаются на технологиях от 130 до 40 нанометров. Они не обязательно устаревшие — в последние варианты чипов могут вносить новые решения для периферии, процессорных ядер и аналоговой части. Но микроконтроллерам не требуется производительность как у чипов для смартфонов или роутеров. Вдобавок они могут быть предназначены для работы в тяжёлых условиях — например, рядом с горячим автомобильным двигателем, где микросхемы на 3 нанометра могут оказаться ненадёжными.

Российские фабрики «Микрон» и «Ангстрем» вполне способны справиться с производством таких микроконтроллеров. Правда, помимо уже описанной проблемы с тиражами, эти предприятия сталкиваются ещё и с проблемой процента годности (yield). Процесс производства микросхем — многостадийный, и на каждой стадии получается определённый процент брака. Искусство полупроводникового производства — это максимизировать количество годных чипов с каждой пластины, опять же для снижения цены.

— Множество российских чипов базируются на лицензируемых ядрах от иностранных компаний. А есть ли какие-то отечественные решения? И какие архитектуры оптимально использовать для производства российских процессоров?

— Здесь важно понимать разницу между архитектурой и микроархитектурой. Архитектура — это система команд. Так процессор видит программист. Микроархитектура — это вид с позиции проектировщика, схемотехника, устройство аппаратных блоков.

Отечественные решения действительно имеются. Фабрика «Микрон» выпустила микроконтроллер на основе ядра от российской компании Syntacore с открытой архитектурой RISC-V. Это идеальная комбинация для многих российских проектов. Архитектура такого чипа определяется международным комитетом, и при этом микроархитектура его ядра и системы на кристалле спроектированы в России. То есть Syntacore является полноценным автором ядра, а «Микрон» — автором системы на кристалле.

Кроме Syntacore, российские RISC-V-ядра проектирует компания CloudBEAR. Обе компании работают не только над ядрами микроконтроллерного класса, но и над высокопроизводительными ядрами. Они могут устанавливаться в процессоры среднего уровня производительности, например для Wi-Fi-модемов, или даже высокого уровня производительности — для смартфонов.

«Так ли нужен Windows?»

— А что вы думаете о перспективах проекта «Эльбрус», предполагающего разработку не только собственных процессоров, но и собственной процессорной архитектуры?

— Наличие собственной микроархитектуры и собственных исходников процессора защищает от теоретической возможности «закладок». Но так ли уж полезно иметь свою архитектуру, то есть систему команд?

Кроме этого, архитектура «Эльбруса» построена на основе принципа VLIW (Very Long Instruction Word), которая постулирует параллельное выполнение групп инструкций, определяемых компилятором. Идея VLIW стала применяться ещё в 1980-х годах, и она хорошо работает, когда известно точное количество тактов, нужное для каждой инструкции. В частности, тактов для обращений к быстрой статической памяти.

К сожалению, когда VLIW используется вместе с трёхуровневым кэшем, количество тактов для работы с памятью может меняться в очень широких пределах — от нескольких единиц до сотен. Это ломает преимущества VLIW для обычных вычислений и загоняет его в специальные ниши: цифровую обработку сигналов (Digital Signal Processing, DSP), сетевые процессоры (некоторые из которых используют VLIW) и суперкомпьютерные процессоры для вычислений с плавающей точкой, когда программист знает, что массивы, с которыми он работает, целиком находятся в кэше.

В дополнение к проблемам с VLIW, команда «Эльбруса» с самого начала пробовала эмулировать архитектуру Intel x86, чтобы сделать российский процессор, на котором работает Windows. В результате Windows на нём работает не очень быстро, и это подводит нас к следующему вопросу — так ли уж нужен Windows?

— Много где уже действительно начали отказываться от Windows. Например, КНР и страны Европы сейчас переводят госсектор на Linux. То же самое происходит и в России. Что это может дать разработчикам отечественных процессоров?

— Если перевести госслужбы и школы на Linux, то будет легче найти пользовательскую базу как для процессоров от «Байкала», так и для будущих высокопроизводительных процессоров от Syntacore и Yadro. В школах переход на Linux встречают в штыки, хотя в этой операционной системе есть всё необходимое для обучения. Многие преподаватели просто не хотят менять привычное. Впрочем, есть и реальные проблемы, которые стоит решить.

Процесс уже запущен — на это указывают попытки создать холдинг, в который входят «Байкал Электроникс» и разработчик дистрибутива для госсектора Astra Linux. Не менее важной является совместная работа «Байкал Электроникс» с производителями плат и компьютеров — но тут стоит вспомнить судьбу компании «Т-Платформы», из которой и вырос «Байкал».

«Многие ожидали, что бизнес „Т‑Платформ“ погибнет»

— «Т-Платформы» были одним из флагманов импортозамещения и стояли у истоков создания процессоров «Байкал», но сейчас переживают тяжёлые времена. Владелец Всеволод Опанасенко находится под домашним арестом, компания близка к банкротству, а Минпромторг требует вернуть ранее выделенную субсидию на сумму 3 миллиарда рублей. Что вы обо всём этом думаете?

— Действительно, компания «Т-Платформы» — пионер в нескольких областях российского развития. Но за каждым прорывом в технологиях и бизнесе её преследовали удары в юридическом поле. Сначала компания построила суперкомпьютер «Ломоносов», который был 13-м по мощности в мире. Затем «Т‑Платформы» поставили суперкомпьютеры в Германию и США, и у компании начались проблемы с американскими властями — её внесло в чёрный список Бюро промышленности и безопасности США (Bureau of Industry and Security, BIS). Многие тогда ожидали, что бизнес «Т‑Платформ» погибнет, так как они не смогут использовать американские технологии и торговать за пределами России. Но компания Опанасенко не согласилась с этим решением и смогла выиграть дело в американском суде.

В 2012 году из «Т‑Платформ» выросло дочернее предприятие «Байкал Электроникс». Эта компания смогла сформировать партнёрства с производителями западных средств проектирования (Synopsys) и IP-ядер (MIPS и ARM), а также ведущей тайваньской фабрикой TSMC. В то время многие вообще не верили, что российские специалисты могут решить проблемы лицензирования процессорных ядер и создать экспортируемый чип с суперскалярным процессором гигагерцевого класса с внеочередным исполнением инструкций.

До «Байкала-T1» в России представили суперскалярный процессор «Комдив-64» от НИИСИ, но у него не было внеочередного исполнения. Также «Байкал» стал одним из первых российских многоядерных процессоров с когерентностью кэшей. До «Байкала» такую многоядерность показал «Эльбрус», но у «Эльбруса» были когерентны кэши второго уровня, а у «Байкала» — кэши первого уровня. «Байкал Электроникс» раздала платы со своим процессором зарубежным тестировщикам, и те его восприняли как нормальный процессор с ожидаемой производительностью для своего класса (встроенный high-end). На «Байкале» были сделаны контроллеры станков с ЧПУ (числовое программное управление) и терминалы.

Планировались компьютеры в полицейские автомобили. Но с МВД произошёл следующий удар. То ли контракты были составлены неаккуратно, то ли были нереалистичные ожидания, то ли просто прошли сроки, но результатом было банкротство «Т-Платформ» и уголовное дело против гендиректора Всеволода Опанасенко. Судебный процесс продолжается и сегодня.