Российский процессор. О дороговизне и отсталости нашей электронной промышленности

Тут многие сокрушались на тему дороговизны и отсталости нашей электронной промышленности. Хотел бы немного прояснить некоторые важные вещи, т.к. я в некоторой степени был причастен к предмету( несколько лет участвовал в разработке центральных процессоров, также повидал глазами большую часть цепочки производства).

Интересующимся приятного чтения.

Итак, вот наш президент издаёт указ - чтоб завтра был «отечественный процессор», какие этапы должны быть пройдены яйцеголовыми учёными и инженерами, чтобы на выходе получить какой-либо продукт?

• Нужно детально описать цели создания данной аппаратуры, условия работы, задачи которые она должна решать, аппаратура не самоцель, а средство, нужно привести конкретные примеры эксплуатации, предсказать будущее хотя бы на несколько лет, описать то, что должно быть совместимо из старья.
• Как правило многие требования ставятся не на процессор, а на вычислительный комплекс, как таковой, и поэтому проектируя процессор надо сразу видеть вычислительный комплекс целиком, выяснить какая будет память и сколько её потребуется, какая периферия, какой будет потребляемая мощность, форм фактор( сервер или персоналка, или тонкий клиент, или суперкомпьютер), какой софт будет крутиться( учесть требования софта, особое внимание ОС реального времени которые обожают военные, а также виртаулизации), какие нужно поддержать операционные системы, нужна ли виртуализация на аппаратном уровне, и в каких количествах.
• После того как мы примерно представляем все сценарии использования данной аппаратуры, надо разбить её на логически цельные модули, к примеру на периферию, аппаратные вычислительные комплексы, ОС, драйвера, БИОС. Отдаём каждый компонент коллективу разработчиков. Периферию разобрать на ту которую обязательно делать самим, и на ту которая не является критическим узлом и её можно закупить готовую. К примеру нет смысла делать отечестванный мощный 3Д-ускоритель, или монитор с цастотой обновления 200Гц, супер принтер и тд.
• Нужно определиться со степенью локализации производства, на каком уровне мы можем остановиться. Одно дело спроектировать кристалл как Fabless производитель, другое дело иметь свою фабрику по производству кристаллов, третье дело производить своё оборудование для фабрик, а так же к примеру кремниевые пластины. То же самое касается всей рассыпухи на плате, свои резисторы, конденсаторы, катушки, микросхемы, источники питания, ПЛИС.

Насколько я могу судить - у нас государство сконцентрировалось на Fabless стратегии развития, с параллельными зачатками наладки своей фабрики( Ангстрем, Зеленоград, древняя линия AMD вот это всё). Поэтому, мы, вряд ли, увидим в ближайшее время полный набор отечественных компонентов. 

Сейчас для производства в основном мы сотрудничаем с Китайцами+Тайванем( производство кристаллов и печатных плат), и японцами( корпусирование кристаллов, сокеты, соединители ). 

Пайка компонентов на платы, как правило, производится уже у нас. Рассыпуха так же как правило Китай + Европа + Америкосия. 

Попытки локализовать производство рассыпухи как правило закончились на закупке у Китайцев, и изготовлении левых документов, возможно, конечно, что-то и изменится.

Теперь самые популярные вопросы:

1. Почему отечественные компьютеры такие дорогие? Даже если заводы будут наши, без реально массового производства цена будет очень кусачей, т.к. затраты на разработку очень высоки, изготовление 1000-10000 единиц, в сравнении с 1000000 всегда будет в разы дороже. Военная отбраковка кристаллов - либо полностью соответсвует ТЗ либо полностью брак, частично рабочие образцы не продают как 2х-ядерные(вместо 4х изначально), или с пониженными частотами( посмотрите линейки процессоров ADM Intel..., физически как правило там один и тот же кристалл, просто в одном случае дефектов мало и он может работать на высокой частоте, в другом случае наоборот, сбыть пытаются все произведённые кристаллы).
2. Почему отечественный производитель берёт отсталые технологии производства? Потому что не умея собирать самокат - невозможно сделать космическую станцию. Технологии осваиваются постепенно, нужен опыт, с уменьшением технорм растёт цена ошибки разработчиков, увеличивается сложность разработки печатных плат, подложки процессора( простой пример, если ЦП рассчитанн на 100Вт на напряжение 3В(древний КМОП уровня 93-95 годов), то ток по плате будет 33А, много да?, а теперь мы взяли тонкую технорму на ней напряжение уже 1.5В(2005 год примерно, сейчас вообще напряение как правило уже меньше 1В), при тех же 100Вт, ток получится 66А, плату изготовить сложнее, требования к источнику питания растут, напряжение начинает заметно падать по пути от источника питания до ЦП, помехи вырастают), также чем выше тактовая частота тем больше помех, больше потребляемая мощность, сложнее проектировать устройства.
3. Почему не сделают ЦП «под Винду»? Лицензию на архитектуру х86х64 нам никогда не продадут, да и архитектура обросла кучей устаревшего дерьма которое надо поддерживать, а со своей архитектурой - можно каждую версию всё переделать, для раннего старта идеально. Плюс мы можем свои пожелания реализовывать без каких-либо согласований с вероятным противником.
4. Почему на видео с Эльбрусом Doom 3 идет не так быстро, ведь ЦП зверь судя по параметрам? Потому что винда запускается в режиме двоичной трансляции - на ЦП крутится микро ось, которая на лету рекомпилирует то что должен исполнить виртуальный процессор под х86 в систему команд Эльбрус-а, ввиду существенных отличий архитектур, и систем команд - эффективность использования всей мощи Эльбруса заметно ниже, плюс пока есть много проблем с многопоточностью, поэтому одно ядро только работает, плюс ещё время на рекомпиляцию( там конечно есть кеш скомпилированных кусков кода, но иногда видны фризы - это когда внезапно кончился код ).
5. Почему Эльбрус сделанный Ангстремом Микроном заметно медленнее, чем Эльбрус сделанный на китайской фабрике, по той же технологии? Библиотеки примитивов из которых собирают кристалл( в основном блочная память, кеши, физические уровни интерфейсов). Или вы думаете из кристалла торчит помехозащищённые данные которые только в карман переложи, и фабрика вам и PCI-E и USB и любой другой интерфейсшину напечатает забесплатно? Многие вещи как правило на каждую технологию изготовления свои, и ты либо покупаешь под конкретный завод с конкретной технологией, либо пишешь сам. Насколько я помню, при покупке Микроном оборудования как раз на этом и встряли - оно есть работает, но без примитивов описанных в софте это просто дорогой лом. Ввиду малого опыта разработки и получилось, что всё медленнее чем у тех кто в теме уже давно.
6. Почему частота Эльбруса такая низкая? Во-первых архитектурная особенность это параллелизм архитектуры, т.е. частота низкая зато количество обрабатываемых данных высокое, в среднем нужно умножать частоту на количество параллельно выполняемых команд за такт, и сравнивать уже эти значения. Во-вторых чтобы поднять частоту надо удлиннить конвеер, добавить кучу обвеса, усложнить реализацию, у МЦСТ на это ресурсов нет, поэтому и не делают. Плюс разрабатывать высокочастотные кристаллы заметно сложнее. Частота конечно растёт, но не значительно. Как правило разрабы обещают Х МГц, при проектировании, после всех рассчётов физических проектировщиков кристалл - получается 0.7 * Х. Ну а при испытаниях физического образца получают 0.5 * Х.

В комментариях можете задавать вопросы, я так же постараюсь ответить в будущем. В планах у меня - написать пару не очень больших заметок, про разработку и производство электроники и кристаллов, чтобы народ понимал, что это такое.