В 1985 году выходит первый процессор Acorn RISC Machine, тогда еще сырой, но на очень перспективной архитектуре APM. Сейчас в вашем смартфоне да и во многих лучших суперкомпьютерах мира трудятся именно ARM процессоры. Знакомые всем Snapdragon, MediaTek и конечно же Apple, все они успешно используют ARM в своих гаджетах. За многие десятилетия эти две архитектуры сумели пробить себе дорогу среди конкурентов и стать буквально монополистами.
Но это не значит, что на рынке нет других интересных кремниевых решений. Десятки миллионов людей по всеми миру продолжают играть на консолях с чипами PowerPC, а многие страны, такие как Россия и Китай, активно развивают собственные процессоры Эльбрус и Loongson. Сейчас, вооружившись знаниями, любой человек может сам сконструировать процессор на опенсорс архитектуре RISC-V. На связи МК, сегодня мы заглянем в мир необычных кремниевых чипов, активно развивающихся вместе с ARM и х86.
Китайские чипы х86
Но начнем мы со всем знакомой архитектуры х86. Про двух американских товарищей AMD и Intel знают все. Но производителей х86-чипов не два, а целых 4. И несложно догадаться, что еще два относятся к Китаю.
Олдовые ПК гики помнят, что еще 30 лет назад на рынке была компания VIA — неожиданно организованная на Тайване китайцем который 3 года провел в лабораториях Intel.
Компания известна в первую очередь по чипсетам, своего производства не было, но именно она продвинула шину PCI. В конце 90-ых она покупает американского производителя сопроцессоров Cyrix, что дает ей возможность производить х86-процессоры. В начале нулевых к тандему присоединилась Калифорнийская S3 Graphics – тогда еще Тайваньская VIA получает доступ еще и к видеокартам.
Но все еще полноценно конкурировать с AMD, Intel и Nvidia не получалось. Последней попыткой, предпринятой десять лет назад, был вывод на рынок процессоров VIA Nano с интегрированной графикой Chrome. Они совершенно не радовали производительностью, но зато были достаточно дешевыми и энергоэффективными — эдакие аналоги Intel Atom. Но массовыми такие процессоры не стали, и к 2013 году у компании все было плохо.
Не дать VIA исчезнуть вместе со всеми патентами помогло правительство Китая — совместно с городской администрацией Шанхая, куда пришлось переехать с недружественного острова, была организована компания Zhaoxin для производства х86-процессоров на внутренний рынок Китая. И, надо сказать, сотрудничество оказалось весьма плодотворным. В 2020 году в руки обзорщикам попали платы с процессором KX-U6780A, который смог приятно удивить.
Все универсально — есть поддержка DDR4 и PCI Express, то есть можно поставить обычную память и видеокарту. А так как это x86-процессор, то без всяких танцев с бубном на него устанавливается привычная Windows 10. Что касается характеристик, то на бумаге они смотрелись отлично: 8 ядер с частотой до 2.7 ГГц, поддержка инструкций SSE 4 и AVX, да и теплопакет в 70 Вт не выглядит пугающим.
Увы, на деле производительность была в среднем на уровне 2-ядерных Intel Skylake, то есть ближе к офисным ПК. Но все еще поиграть в онлайн-игры типа Dota 2, посидеть в интернете и посмотреть фильмы на таком процессоре можно без проблем, что и показали обзоры.
И все это, повторюсь, на обычной Windows без эмуляции и шаманских танцев. Более того, останавливаться на достигнутом VIA-Zhaoxin не планирует, и в этом году хочет выпустить обновленное семейство KX-7000 на 7-нм техпроцессе с поддержкой PCIe 4.0 и DDR5. Конечно, до уровня топовых Core i9 или Ryzen 9 такие решения скорее всего не допрыгнут, но все еще третий активный игрок на рынке x86 явно не помешает.
Четвертый производитель x86-чипов - Hygon. Ситуация тут схожа с VIA, однако на ее месте выступила AMD – в 2018 году было образовано совместное с китайцами производство процессоров на базе имеющихся у «красных» решений Ryzen и Epyc на архитектуре Zen. Так и появились два семейства: Dhyana для обычных пользователей с числом ядер до 8, и Dhyana Plus c количеством ядер до 32 и возможностью создания многопроцессорных серверов. Главным отличием этих чипов стал встроенный тормоз в виде криптографического движка – таково требование правительства Китая к государственным серверам. От этого выигрывали все: AMD получила деньги на дальнейшей развитие своих процессоров, а Китай – крутые «американские» чипы, заточенные под местные правила и гарантированно лишенные закладок.
Во всем другом чипы Dhyana максимально схожи с Ryzen и Epyc первых поколений, они даже внешне выглядят одинаково. При этом так как Ryzen имеют множество встроенных контроллеров, для работы PCIe и USB не нужен чипсет – и это можно заметить на китайских платах под процессоры от Hygon. По тестам тоже все ожидаемо: в задачах, связанных с шифрованием, Dhyana ощутимо проседают. Во всех других сценариях они выступают около обычных Ryzen 1000-ой линейки с поправкой на более низкие частоты.
В 2020 году перед самым началом экономической войны США и Китая, было объявлено, что Hygon совместно с AMD продолжит выпускать процессоры, переведя их на 7-нм техпроцесс – видимо, это адаптация уже более мощных Ryzen 3000. Но тут ситуация похожая на наш Эльбрус, о нем мы еще поговорим. В 2019 году правительство США запретила AMD делиться технологиями с Hygon и что с ними будет дальше, пока не известно.
Экзотика – open source архитектура RISC-V
Окей, с x86 все понятно – архитектура эта привычная, и многие обычные пользователи ПК даже не почувствуют разницу, если их Ryzen вдруг заменится на Zhaoxin. Давайте уйдем в экзотику и поговорим про полностью открытую архитектуру RISC-V. В отличие от софта, где open source уже не является чем-то удивительным, в железе все не так – например, японо-британская ARM зарабатывает миллиарды долларов в год на лицензировании своих ядер Cortex сторонним компаниям.
И это проблема: если вы не являетесь компанией уровня MediaTek или Huawei, у вас просто не хватит денег на покупку нужной лицензии, а с торрента гайд как собрать процессор в гараже вы не скачаете. Именно поэтому в России, например, есть лишь один производитель ARM-процессоров – это Байкал, который тратит на каждый свой ARM-чип миллиарды рублей.
Вот и получается, что если небольшая группа энтузиастов вполне может написать собственную утилиту или игру, которая может стать популярной, создать свой конкурентоспособный чип до последнего времени они не могли. Все изменилось в 2010 году, когда исследователями из отделения информатики Калифорнийского университета в Беркли была создана архитектура RISC-V.
Она базируется на двух столпах – это простота и полная открытость без всяких лицензий. В базовом обязательном наборе команд всего 53 инструкции – для сравнения, в современных чипах Intel их уже под тысячу, и количество неуклонно растет, удваиваясь за 13 лет. Разумеется, присутствуют расширенные наборы команд для различных применений, что позволяет сделать на базе RISC-V чип, подходящий для любых задач.
В итоге такой подход всем понравился: в 2015 году был создан международный фонд RISC-V. Через три года к нему присоединился Linux Foundation. В 2022 году даже Intel признала этот подход, вложив в развитие RISC-V миллиард долларов. В России уже есть микроконтроллеры на базе этой архитектуры – их создают на заводах Микрона для задач отечественного шифрования.
Всего на RISC-V уже создается несколько десятков микроконтроллеров, и, что важно, благодаря открытости и бесплатности в дело идут совсем небольшие игроки, такие как, например, ONiO – небольшой стартап, создающий на базе этой архитектуры собственные чипы для устройств умного дома, фишка которых – питание от откружающих беспроводных сетей. Да, они настолько энергоэффективные, что не требуют наличия батарейки.
Более того, архитектура RISC-V достаточно продвинута, чтобы уже создавать вполне взрослые чипы. Например, в 2019 году Alibaba представила свой 16-ядерный процессор XuanTie 910. Он поддерживает Linux, а удельная производительность каждого ядра выше, чем у ARM Cortex-A73 (это уровень мобильных процессоров из 2016 года). Есть даже новомодный встроенный нейропроцессор.
Две другие китайские компании, DeepComputing и Xcalibyte, пошли еще дальше и пару недель назад представили ноутбук на 4-ядерном RISC-V процессоре. Точных характеристик нет, но обещают поддержку Linux, памяти DDR4 и неплохое встроенное видеоядро. Он должен поступить в продажу уже осенью.
И глядя на такое стремительное развитие RISC-V хочется даже назвать ее архитектурой будущего. Посудите сами – open source софт стал максимально популярным, про тот же GitHub слышали буквально все. Так почему бы не выстрелить бесплатной и открытой архитектуре, особенно с учетом того, что в ее разработку вкладывают большие деньги даже крупные игроки кремниевого рынка?
SPARC – неудачный опенсорс
Однако реальность сурова – об этом невольно вспоминаешь, когда речь заходит об архитектуре SPARC. Она была разработана в конце 80-ых годов американской Sun Microsystems с прицелом на серверный сегмент рынка, и при этом также была открытой. Успех не заставил себя долго ждать: в 90-ых про SPARC и Fujitsu слышал любой сисадмин, и даже Microsoft хотела перенести свою серверную Windows NT на эту архитектуру, однако в итоге все же отказалась от таких планов. В конце нулевых открытость привлекла даже внимание МЦСТ – так появились отечественные процессоры, например, R1000, предлагающий в 2010 году 4 ядра по 1 ГГц и поддержку DDR2. Не самые выдающиеся характеристики – зато 90-нм техпроцесс позволял производить их в России.
Пик SPARC пришелся на 2011 год, когда суперкомпьютер Fujitsu K на архитектуре SPARC64 с 700 000 ядер стал самым быстрым суперкомпьютером в мире. И казалось что, у архитектуры отличное будущее в серверном сегменте – но нет.
В 2017 году Oracle, один из крупнейших поставщиков серверного ПО и оборудования, прекращает разрабатывать процессоры на архитектуре SPARC. Fujitsu планировала в 20 году показать обновление своей архитектуры SPARC64 XII, представленной в 2017 году, но не сделала этого до сих пор.
Судя по всему сейчас разработкой решений на этой архитектуре не занимается ни один крупный игрок, а жаль – в позднем SPARC есть интересные фичи: к примеру поддержка 8 виртуальных потоков на 1 ядре.
POWER10 – да, IBM продолжает создавать процессоры
Казалось бы, если такой мастодонт серверного рынка как SPARC находится на последнем издыхании, то куда уж там архитектуре Power. Пик ее популярности пришелся на начало нулевых – именно на ней работали процессоры G-серии в компьютерах Apple тех лет, и даже Sony с Microsoft в своих PS3 и Xbox 360 использовали ЦП именно на этой архитектуре.
Но, как мы знаем, уже в середине нулевых Apple перебралась на более быстрые и энергоэффективные x86 процессоры Intel, от которой сейчас открещивается отдав предпочтение собственным APM.
А игроделам на Power приходилось показывать чудеса оптимизации, чтобы заставить на консолях тех лет работать шедевры игропрома, включая GTA V.
Казалось бы – все, Power Off. А вот и нет, IBM так просто сдаваться не привыкла. Компания здраво рассудила, что раз в десктопах и консолях бой с x86 и ARM проигран – пора продолжать развивать серверный сегмент. И, надо сказать, IBM угадала. Последние ее процессоры представлены в 2021 году и основаны на архитектуре Power10. 7 нм, 15 ядер и 120 потоков, частота под 4 ГГц, огромный кэш L3 в 120 МБ, поддержка до 16 ТБ памяти DDR4 с пропускной способностью в 410 ГБ/с – выглядит внушительно.
И, к слову, серверы на базе Power10 действительно стали популярны – они отлично подходят для задач ИИ и при этом имеют хороший показатель производительности на ватт. Вполне возможно, что именно архитектура Power в итоге и выдавила опенсорсный SPARC с рынка.
Loongson – прямой конкурент десктопным Intel и AMD
Но что-то мы ушли в серверы. Да, там хватает интересных решений, но что насчет массового пользователя? Китайцы говорят – есть да. Компания которая изначально называла себя как Godson или крестный сын, а теперь уже Loongson или сын дракона уже 20 лет в стенах Академиии наук Китая пытается создать конкурента Intel и AMD. Несколько лет назад Loongson рассказала о архитектуре LoongArch.
Она поддерживает около 2000 инструкций, сочетает лучшие функции MIPS и RISC-V, а также включает в себя все необходимые расширения, в том числе векторные инструкции, а также виртуализацию и двоичную трансляцию. Разумеется, работать процессоры Loongson будут в основном под Linux, но благодаря трансляции x86 может появиться возможность запускать и Windows.
Год назад в руки энтузиастов даже попал процессор Loongson 3A5000. 4 ядра, 2.5 ГГц и 16 МБ кэша L3 – да звучит не очень бодро и в среднем китайское решение на 30% отстает от 10-летнего Core i7-2600. Но нужно учесть, что у последнего и потоков вдвое больше, и частота на треть выше.
Loongson двигается дальше и в июне анонсировала новую линейку чипов, 3C6000 и 3D6000. Первый получит уже 16 ядер и также частоту около 2.5 ГГц, при этом компания заявляет, что по IPC, или производительности на герц, новинки не будет отличаться от свежих Ryzen 5000. Второй же процессор получит вдвое больше ядер и будет по сути склейкой из двух 3C6000. Выйдут эти процессоры в 2023 году – тогда и узнаем, смогли ли китайцы догнать AMD и Intel.
Эльбрусы
Ну и под конец – конечно же Эльбрусы. Про них сказано много хорошего и много плохого – кто-то хейтит их за то, что они работают только на определенных дистрибутивах Linux и не поддерживают современные игрушки. Кто-то возражает, что архитектура e2k создана для работы, и в этом плане современные Эльбрусы хороши.
В любом случае одно неоспоримо – их уже стали использовать в России, например, компания «Норси-Транс» в 2020 году выпустила 5 тысяч систем хранения данных именно на Эльбрусах.
Так чем же интересны Эльбрусы? Во-первых, своей архитектурой e2k, которая, как и LoongArch, разработана с нуля и не опирается на популярные x86 или ARM. Это позволяет реализовывать интересные фичи: например, у эльбрусов нет микрокода как у x86-процессоров, компилятор переводит исходный код сразу в двоичный код, выигрывая тем самым время.
Также можно отметить возможность выполнять несколько операций за один такт операций, что обеспечивает высокую производительность при умеренной тактовой частоте, и поддержку трансляции архитектуры x86, благодаря которой два ядра Эльбруса можно превратить в одно ядро Core 2 Duo. В таком режиме на Эльбрус можно без всяких проблем поставить хоть Windows 10, хотя скорость работы радовать вас не будет. Более того, что важно, комплектующие для работы современных Эльбрусов, таких как 8с, вполне стандартны: нужна обычная память DDR4, более-менее новая видеокарта от AMD и любой жесткий диск или SSD.
Первые тесты топового пока еще инженерного Эльбрус-16С радуют. Он может похвастаться 16 ядрами на частоте в 2 ГГц, 32 МБ кэша L3, поддержкой DDR4-3200 и 32 линиями PCIe 3.0. В тесте перекодирования видео (стр. 93) в ffmpeg он не так уж и сильно отстает от 4-ядерного мобильного Core i7 и Apple M1 в режиме эмуляции. В тесте рендера в Blender ситуация схожая: да, современные чипы x86 и ARM лучше, но отставание уже не драматическое (стр. 117), как в случае, например, с китайским Loongson.
Так что Эльбрусы вполне могут стать заменой обычным десктопным ПК. Если конечно компания сможет приспособиться и переезд производства из Тайваньской TSMC в Зеленоградский Микрон не помешает планам. Они без проблем справятся с серфингом в интернете и просмотром фильмов, на них вполне можно заняться несложным редактированием видео и фото. Пожалуй, единственный камень преткновения – игры, но нужно понимать, что Эльбрусы позиционируются именно как рабочие машины.
Спасибо! Подписывайтесь на наши соосбщества:
ТГ - https://t.me/mknewsru
ВК - https://vk.com/mknews
