RISC-ованная микроэлектроника
Своевременны ли инвестиции в западную архитектуру для микропроцессоров
В последнее время российское инфополе часто оживляют новости о запуске проектов на основе открытой архитектуры процессоров RISC-V. Любой старт в этой отрасли в современных условиях можно только приветствовать, однако оценивать открывающиеся перспективы нужно трезво, без иллюзий. О том, насколько эффективна западная процессорная архитектура, читателям RSpectr рассказал генеральный директор компании «Аэродиск» Вячеслав Володкович.
КАЛИФОРНИЙСКАЯ ОТКРЫТОСТЬ
RISC-V – открытая система команд и процессорная архитектура на основе концепции RISC с целевой ориентацией на сегмент микропроцессоров и микроконтроллеров. Создана в 2010 году в Калифорнийском университете Беркли.
В RISC-V реализовано 48 стандартных инструкций, сжатый формат C определяет 34 команды. Используется 6 типов кодирования инструкций. Архитектура реализуется со встроенными возможностями для расширения списка команд в целях охвата новых сценариев применения. При этом производительность самых производительных процессоров на RISC-V сопоставима с производительностью процессоров на ядре ARM v8 Cortex-A75.
RISC-V с 2015 года развивает и продвигает международный фонд со штаб-квартирой в Цюрихе – RISC-V Foundation. Он работает в партнерстве с The Linux Foundation, а с 2022 года в развитие архитектуры около 1 млрд долларов инвестировала компания Intel. В руководство и технические комитеты входят две российские компании: разработчики процессорных ядер Syntacore и CloudBEAR.
В 2022 году уход с нашего рынка традиционных поставщиков процессоров, а также ограничения на производство собственных продуктов в этом сегменте заставили сообщество искать альтернативы привычным решениям. Одним из наиболее очевидных направлений стал RISC-V.
О планах выпуска процессоров на этой архитектуре объявил производитель вычислительной техники «Аквариус». Затем об аналогичных намерениях сообщил зеленоградский завод «Микрон», который планирует выпустить первую опытную партию микроконтроллеров на архитектуре RISC-V для интернета вещей (IoT) уже в начале 2023 года. При этом экспериментальная партия уже увидела свет в 2021 году. Инвестиции в разработку составили, по оценкам источников, 80-90 млн рублей, а запуск производства коммерческих партий обойдется еще в 100-300 млн рублей.
К 2025 году «Микрон» планирует занять 30% рынка таких контроллеров в России, а затем начать экспорт микроконтроллеров в страны Юго-Восточной Азии
В стройные ряды RISC-V-энтузиастов влился и НИИ электронной техники (АО «НИИЭТ») из Воронежа, начав разработку микроконтроллеров на RISC-V для систем автоматизации производства, устройств интернета вещей и портативной электроники. Институт анонсировал разработку четырех микроконтроллеров в рамках комплексного проекта «Разработка и освоение в серийном производстве серии 32-разрядных микроконтроллеров». Проект субсидируется государством.
Наконец, эффект разорвавшейся бомбы произвела новость о выпуске в Китае первого в мире ноутбука на RISC-V-процессоре. «Вот оно, революция началась!» – таков был тон множества публикаций и комментариев.
КАК ДО «ЭЛЬБРУСА» РУКОЙ ПОДАТЬ
Прежде всего, обратим внимание на безопасность таких инициатив или даже на защищенность инвестиций в них. Дело в том, что хоть RISC-V и открытый, международный, демократичный, теплый и ламповый, но все-таки его родина – США, решения там принимаются в ЕС, а в числе инвесторов – сам Intel.
То, что сегодня открыто, завтра может оказаться закрытым наглухо. Риск запрета использования архитектуры компаниями из России существует. Да и глава фонда RISC-V после начала режима санкций в IТ-сфере подчеркивала, что у нее отсутствуют намерения кому-то что-либо ограничивать, но, если наступит необходимость, ограничения введут.
В этом свете при таких инвестициях надо уже на первом этапе развития проектов продумывать пути отступления: если с репозиториями кода, в принципе, вопрос решаем, то с предприятиями, производящими микросхемы, уже не все так просто.
Далее – несколько слов о техническом аспекте RISC-V. Это, безусловно, хороший выбор для создания узкоспециализированных, целевых процессоров.
Архитектура отлично работает в специализированных микросхемах, тонких клиентах, возможно, в мобильных устройствах. Но не на ПК общего назначения и тем более не на серверах
По своим частотным характеристикам RISC-V серьезно отстает от нашего «Эльбруса», а до серверного уровня развить его возможности можно как минимум через пять-десять лет. И выпуск того самого китайского RISC-ноутбука Roma не должен вводить в заблуждение.
ОТ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ ДО ВСЕГО
Вспомним об истоках RISC-V – архитектура является наследницей MIPS, которая потерпела фиаско в борьбе за производительность с конкурентами в лице CISC, RISC и ARM. Преимущество у MIPS было одно: низкое энергопотребление. После приобретения MIPS Technologies британская компания Imagination Technologies открыла систему команд. И вот уже на основе открытой системы команд MIPS студентами Университета Беркли в Калифорнии и была разработана сокращенная до 48 команд система команд RISC-V.
Эта архитектура специально разрабатывалась для создания процессоров встраиваемых устройств, микропроцессоров и микроконтроллеров в учебных целях. Затем в 2015 году разработчики архитектуры RISC-V начали фокусироваться в ее развитии под одну конкретную область, а именно интернет вещей (Internet of Things, IoT). В тот момент это была быстроразвивавшаяся область, и RISC-V прозорливо заняла нишу.
Дальнейшие вложения в развитие RISC-V со стороны хайтек-компаний, включая гигантов, были сделаны в перспективе перехода от IoT к концепции «интернета всего» (Internet of Everything). Актуальной задачей RISC-V, таким образом, стало создание микроконтроллеров с минимальным энергопотреблением, вплоть до уровня мощности небольшой ртутной батарейки.
В RISC-V открыта не вся архитектура, а только система команд. Вначале это был пул из 48 команд, сегодня он сократился до 32. Для понимания: современные универсальные процессоры работают на системах команд в несколько тысяч команд. Далее для новых целей потребовалось сделать форк ядра Linux, объемы наследованного кода которого сдерживали развитие RISC-V в пределах максимального энергоэффективного объема памяти в 32 Кб. Да-да, именно килобайта.
Проблему решило создание нового ультракомпактного языка Rust. Однако пришлось пожертвовать совместимостью со всем объемом написанного ранее кода на языке С в рамках развития концепции RISC-V. То есть для обеспечения совместимости нужно просто полностью переписывать код на Rust или при разработке микроархитектуры сделать ее полностью несовместимой с основным деревом разработки системы команд RISC-V.
Разговоры о неизбежности создания на основе RISC-V полнофункциональных процессоров общего назначения вызывают лишь скепсис, а иногда и возмущение
То есть, повторимся, это безусловно лучший выбор для инфраструктурного обеспечения узких специфических задач. А вот опираться на наработки в области создания контроллера для устройств типа калькулятора (или даже, скорее, умного термометра) для разработок серверного процессора – дорого, долго и есть вариант, что ничего не получится.
Увы, именно эту задачу сегодня многие определяют как перспективную в парадигме RISC-V, в том числе и определенная часть нашего IТ-сообщества. Между тем смотреть нужно в сторону своих разработок.
СВОИ ВЕРШИНЫ
В первую очередь нужно обратить внимание на линейку процессоров «Эльбрус». Прежде всего, это полностью оригинальная отечественная разработка, доступ к ядру которой никто и никогда нам не закроет. Все стадии производства полностью контролируются в нашей стране, что исключает риски каких-либо бэкдоров и незадокументированных возможностей.
В отечественных процессорах используется архитектура VLIW, максимально независимая от аппаратных решений, то есть от уровня железа. Все критически важные моменты в работе процессора реализуются на уровне кода. Это создает преимущества за счет возможности исправлять любые ошибки работы процессора и проводить его апгрейд путем обновления версии компилятора кода. За счет этого продлевается и срок эксплуатации старших линеек оборудования, причем без потери качества работы и уровня производительности.
Можно «растягивать» цикл жизни старого железа, что крайне важно в условиях ограничений на поставки оборудования
Все распространенные архитектуры и процессоры, созданные на них, так не могут. Что-то сломалось или устарело – меняем железо.
Кроме того, VLIW-архитектура используется и на Западе, что несколько обнуляет критику в ее адрес. Ее активно применяют для нужд оборонно-промышленного комплекса и в процессорах для компонентов сетевой инфраструктуры ведущих вендоров оборудования этого класса.
Единственная проблема сегодня: в развитие «Эльбрусов» невозможно вложиться в качестве инвестора или партнера в силу закрытости разработчика.
Очень много актуальных задач можно было бы решить путем выпуска открытой версии, запуска сообщества разработчиков, через стимулирование экосистемы партнеров в сегменте микроэлектроники, проведение регулярных вебинаров по продуктам.
