Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 1 2022
Николай НОСОВ  06 мая 2022

Гонка процессоров – взгляд из России

Рынок СPU в России принадлежит зарубежным компаниям, но последние достижения российских разработчиков вселяют оптимизм.

Когда процессоры были большими

Процессор – мозг компьютера, узел, куда поступают данные и команды, задающие действия с ними. На заре компьютерной эры таким узлом обычно был уникальный, созданный для выполнения конкретной задачи блок. Стремление к типизации и снижению стоимости компьютеров привело к появлению многоцелевых процессорных устройств. А успехи в миниатюризации – к появлению микросхем и микропроцессоров. Причем успехи были настолько велики, что слова «процессор» и «микропроцессор» практически стали синонимами.

Пионер создания микропроцессоров, компания Intel, в 1971 г. выпустила первую микросхему (Intel 4004), на кристалле которой расположила все основные элементы процессора. Четырехразрядный микропроцессор предназначался для использования в микрокалькуляторах. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 92,6 кГц и стоил $300. На смену ему пришли восьмиразрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, которые легли в основу архитектуры всех современных настольных процессоров x86.

В 2001 г. компания IBM выпустила первый многоядерный процессор – POWER4 (Performance Optimization With Enhanced RISC, т.е. оптимизация производительности на базе расширенной архитектуры RISC), имевший в одном корпусе два процессорных ядра. А в 2005-м компания AMD представила Athlon 64 X2 – первый двухъядерный процессор на одном кристалле для персональных компьютеров.

Борьба Intel и AMD 

Intel продолжила соревнование, создав в ноябре 2006 г. первый четырехъядерный процессор Intel Core 2 Quad – сборку из двух кристаллов в одном корпусе. AMD ответила выпуском в сентябре 2007 г. настоящих четырехъядерных процессоров на одном кристалле: AMD Opteron для серверов и AMD Phenom для домашних компьютеров.

Гонка процессоров вела к улучшению их основных характеристик: повышению тактовой частоты и производительности, снижению энергопотребления и совершенствованию технологии производства, прежде всего фотолитографии, позволяющей добиться высокой степени миниатюризации.

Важную роль играет архитектура – внутренняя конструкция и набор команд. Благодаря снижающему стоимость масштабу производства и огромному количеству работающих на таких процессорах программ для наиболее массовых офисных и домашних компьютеров архитектура x86 де-факто стала стандартом. А поддерживающие ее компании Intel («синие», по цвету логотипа) и AMD («красные») стали основными конкурентами. Успехи архитектуры признала соперничавшая с ними компания Apple, которая в 2005 г. начала сотрудничество с Intel и в 2006-м перешла с PowerPC на x86.

Intel и по сей день лидирует на мировом рынке процессоров x86. По данным немецкой компании Statista, в III квартале 2021 г. на долю Intel приходилось 60,5% рынка (рис. 1). Этот показатель хуже, чем четыре года назад, когда он превышал 80%. «Красные» догоняют, но еще сильно уступают на рынке процессоров для ноутбуков, где доля Intel достигает 75%.
 
Рис. 1. Использование процессоров x86 Intel и AMD в мире
Источник: Statista, 2022

Ожесточенная борьба идет и по показателю производительности. Так, по данным популярного китайского бенчмарка Master Lu, AMD стала абсолютным лидером на рынке стационарных ПК. В III квартале 2021 г. 64-ядерный процессор AMD Ryzen Threadripper PRO 3990X возглавил рейтинг. Причем вся призовая тройка состоит из процессоров AMD этого модельного ряда.

Лучше обстоит у Intel дело с процессорами для ноутбуков, где Intel Core i7-11800H coхранил лидирующую позицию, обогнав на более чем 82,4 тыс. баллов занявший вторую строчку AMD Ryzen 9 5900HХ.

Конечно, все подобные рейтинги достаточно условны: их результаты зависят от используемых для оценки тестов. Но нельзя не отметить общую тенденцию – резкий рывок AMD. Одна из причин успеха «красных» – разделение труда. AMD разрабатывает, но не производит чипы сама, переложив эту работу на тайваньскую компанию TSMC. A разрабатывающая и изготавливающая процессоры Intel столкнулась с проблемами в производстве. В июле 2020 г. «синие» объявили об очередной задержке с переходом на техпроцесс 7 нм, уже освоенный конкурентом. Борьба продолжается – в сентябре 2021 г. Intel представила нейроморфный процессор, в производстве которого задействуется предсерийная версия технологического процесса Intel 4 (ранее – 7 нм). А пока упор делается на отработанную технологию 10 нм (Intel 10): в ноябре 2021 г. на рынок вышли первые процессоры 12-го поколения Alder Lake, доступные и в настольном, и в мобильном сегменте.

Схватка тяжеловесов

В гонках «Формула-1» цена болида не имеет значения, главное – прийти к финишу первым. Схожая ситуация в рейтинге самых мощных компьютеров мира – Тop500. Неудивительно, что такой безоговорочный лидер 90-х, как американская компания Cray, сама разрабатывала процессоры для своих суперкомпьютеров. Причем центральный процессор легендарного Cray-1 состоял из 500 печатных плат, на каждой из которых с обеих сторон располагались по 144 микросхемы.

Но деньги тоже важны, а массовое производство существенно снижает стоимость микропроцессоров. В 10-х годах в лидеры вышли суперкомпьютерные системы компаний Intel, IBM и AMD, построенные на универсальных СPU, причем к 2018 г. доля Intel достигла 75%.

В настоящее время Intel по-прежнему лидирует по числу суперкомпьютеров, использующих ее процессор. А вот доля компании в совокупной вычислительной мощности компьютеров Тop500 уменьшилась (рис. 2). До 25% увеличилась доля AMD, до 18% – доля ARM (Advanced RISC Machines), причем на архитектуре этой компании построен лидер рейтинга – японский суперкомпьютер Fugaku, созданный Fujitsu. На архитектуру ARM делают ставку NVIDIA и Lenovо.
 
Рис. 2. Доли производителей CPU в суммарной вычислительной мощности суперкомпьютеров Тop500
Источник: Институт программных систем им. А.К. Айламазяна РАН

Взлет архитектуры ARM

Рост популярности архитектуры ARM – тенденция рынка последних лет. За счет высокой энергоэффективности архитектура победила на рынке смартфонов. Считается, что, выигрывая в рациональном использовании энергоресурсов и стоимости, процессоры с архитектурой ARM проигрывают x86 в производительности. Однако первое место суперкомпьютера Fugaku в Тop500 показывает, что просто «их надо правильно готовить». 

На перспективную архитектуру обратили внимание и другие мировые гиганты. В 2020 г. компания Apple объявила о переводе линейки Mac с процессоров Intel на процессоры на базе ARM. Таким образом компания привела к единой архитектуре свои продукты iPhone, iPad и Mac.

Созданные на ARM-архитектуре процессоры AWS Graviton предлагают лучшее соотношение цены и производительности для облачных рабочих нагрузок, запускаемых в Amazon EC2. При этом цена на облачные услуги становится ниже на 35%, чем при использовании процессоров Intel, и на 11% ниже, чем в случае процессоров AMD EPYC. А задействуемый Oracle в облачных сервисах 128-ядерный ARM-процессор Ampere Altra Max на треть дешевле флагманских Xeon и EPYC и снижает стоимость облачных услуг на 69 и 32% соответственно. Такие данные в ходе презентации построенного на архитектуре ARM процессора Baikal-S привел Григорий Хренов, технический директор разработавшей его компании «Байкал Электроникс». 

Российский рынок – все как в мире

Российский рынок процессоров в целом повторяет мировые тенденции. Если еще лет десять назад на рынке офисных, домашних компьютеров и ноутбуков доминировала продукция Intel, то сейчас позиции стала отвоевывать AMD (рис. 3).
 
Рис. 3. Продажи ноутбуков в России, шт.
Источник: GFK

На процессорах AMD EPYC построены вошедшие в 2021 г. в Тop500 новые суперкомпьютеры «Яндекса» («Ляпунов», «Червоненкис» и «Галушкин»), Сбера («Кристофари Нео») и МТС («Гром»). CPU Intel используют принадлежащий Сберу «Кристофари» и старожил рейтинга «Ломоносов-2» Московского государственного университета.

Как и во всем мире, на российском рынке смартфонов тоже господствует архитектура ARM. Причем она завоевывает и рынок серверов. Так, компания Huawei открыла первый в России дата-центр на ARM-технологиях. 

На российском рынке серверов помимо CPU архитектуры x86 (Intel и AMD) и ARM используются процессоры на разработанной IBM платформе POWER. Они устанавливаются, например, в серверы компании Yadro.

Между Эльбрусом и Байкалом

В условиях геополитической нестабильности зависимость от импортных процессоров вызывает озабоченность государства. Когда Китай совершил впечатляющий рывок на рынке суперкомпьютеров, а его флагман Tianhe-2 («Млечный путь-2») занял в июне 2013 г. первое место в рейтинге Top500, США запретили поставки процессоров Intel для этого проекта. В ответ Китай разработал свой многоядерный микропроцессор Sunway и в 2016 г. представил возглавивший рейтинг Top500 суперкомпьютер Sunway TaihuLight, полностью построенный на китайских технологиях. 

По пути импортозамещения пытается идти и Россия. С 2021 г. вычислительная техника может считаться российской и находиться в соответствующем реестре Минпромторга, только если в ней используется отечественный центральный процессор. Основные кандидаты – «Эльбрус» и «Байкал».

«Эльбрус» – полностью российская разработка, процессор с архитектурой VLIW, созданный компанией МЦСТ. При использовании VLIW (very long instruction word, «сверхдлинная машинная команда») одна команда процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно, причем задача распараллеливания перекладывается на компилятор. VLIW можно считать логическим продолжением идеологии RISC, где быстродействие увеличивается за счет упрощения отдельных команд, каждая из которых проще декодируется и быстрее выполняется. VLIW распространяет эти принципы на процессоры с несколькими вычислительными модулями. 

На процессорах «Эльбрус» работают серверы, рабочие станции, системы хранения данных. К достоинствам процессора можно отнести быстрый эмулятор архитектуры x86, что позволяет запускать на российском компьютере не только небольшой набор поддерживающих VLIW программ, но и все решения экосистемы x86, включая популярную ОС Windows.

Огромный объем программ, написанных для х86-компьютеров, не запустится на компьютерах с архитектурой ARM. Но это не останавливает разработчиков процессоров таких крупных компаний, как NVIDIA, Huawei, Fujitsu, Ampere и Marvell, рассчитывающих на создание новой экосистемы. 

По этому пути пошла и российская «Байкал Электроникс», представившая в конце 2021 г. поддерживаемую своими процессорами экосистему – полный стек импортозамещающих решений, от аппаратного обеспечения до операционных систем и прикладных программ. Помимо этого, спектр поддерживающих архитектуру ARM программ постоянно расширяется за счет мировых гигантов индустрии (рис. 4).
 
Рис. 4. Экосистема Baikal-M в 2021 г.
Источник: «Байкал Электроникс»

В декабре 2021 г. компания представила долгожданный серверный процессор Baikal-S. Он состоит из 48 ядер на архитектуре ARM v8.2, которые устойчиво работают на частотах до 2,5 ГГц. Процессор позволяет создавать односокетные системы для офисных серверов, двухсокетные – для СХД, VDI и гиперконвергентных систем. Четырехсокетные системы предназначены для суперкомпьютеров.

Процессор может использоваться в устройствах сетевой безопасности. Реализована аппаратная виртуализация – важнейший элемент работы в дата-центрах и облаках. Серийные поставки использующих новые процессоры готовых устройств планируется начать осенью 2022 г. «Мы сделали рабочую лошадку, на которой можно создавать универсальные серверные платформы», – подвел итог презентации нового процессора Г. Хренов.

По утверждению разработчиков, Baikal-S не уступает по производительности аналогичным процессорам основных конкурентов – Intel Xeon Gold 6148 и AMD EPYC 7351. Начались работы по созданию  российского процессора для облачных вычислений Baikal-S2 и процессора Baikal-L для ноутбуков и планшетов, в которых особое внимание будет уделяться экономии энергии. А на восьмиядерных процессорах Baikal-М уже предлагаются моноблоки.

О полном импортозамещении говорить не приходится – российские процессоры изготавливаются на тайваньской фабрике TSMC. Отставание в технологиях большое – если мировые лидеры освоили производство 5–10-нанометровых чипов и в ближайшее время собираются перейти на технологии 3 нм, то российский лидер, зеленоградское предприятие «Микрон» лишь наладило серийный выпуск продукции по нормам 90 нм и обзавелось мощностями, способными произвести процессоры с топологией 65 нм. Впрочем, размещение заказов у сторонних производителей – обычная практика для разработчиков процессоров, а использование российских устройств снижает риски информационной безопасности. 

Отечественные процессоры «Эльбрус» и Baikal выглядят достойно. На них можно построить вычислительную систему, входящую в Тop500. Но не очевидно, что такое решение будет оправдано по габаритам, энергоемкости и финансам. Так, занимающие последние строчки мирового рейтинга суперкомпьютеры содержат около 3 тыс. топовых по производительности 20-ядерных процессоров Intel. При использовании Baikal или «Эльбрус» процессоров понадобится гораздо больше – наверное, порядка 10 тыс. – со всеми вытекающими из увеличения числа проблемами.

Небольшие отечественные высокопроизводительные суперкомпьютерные системы уже выпускаются, но только на процессорах «Эльбрус», поскольку альтернативы в виде процессоров Baikal-S до самого последнего времени не было. Достоинство процессоров от компании «Байкал Электроникс» – архитектура ARM, выглядящая предпочтительнее по энергоэффективности и поддержке современных приложений. Козыри процессоров «Эльбрус»: полностью отечественная архитектура, разработанная еще в советское время, и технические преимущества, связанные с возможностью тонкой оптимизации кода и использованием сверхдлинной машинной команды».

Сергей Абрамов, директор Института программных систем им. А.К. Айламазяна РАН

Нужна поддержка государства

Бизнес не спешит переходить на отечественные процессоры. В конце 2021 г. МЦСТ совместно со Сбером провела функциональное тестирование серверов на базе своей продукции, в ходе которого, в частности, сравнивались по производительности серверы с процессорами «Эльбрус-8С» (1,3 ГГц) и серверы на базе процессоров Intel Xeon E3-1270v6 (4,2 ГГц). В ходе тестирования «Эльбрус-8С» показал существенное отставание по производительности от продукции Intel. Поэтому Сбер исключил возможность в настоящее время использовать эти процессоры в своей экосистеме, но отметил, что МЦСТ представила законченный продукт, а при правильной подготовке для тестирования по методике Sberinfra на соответствие эксплуатационным требованиям банка многие выявленные недостатки серверов можно было бы устранить.

Труднопреодолимое препятствие – дороговизна, обусловленная прежде всего малым рынком сбыта. В декабре 2021 г. в Минцифры России состоялось совещание, посвященное возможности применения российских микропроцессоров в серверной инфраструктуре крупных заказчиков. Как сообщал «Коммерсантъ», на этом совещании представители крупного бизнеса заявили, что «готовы переходить на отечественную технику, только если она будет справляться со всеми сценариями использования и окажется не дороже зарубежных аналогов».

Сценарии использования и технические характеристики – это проблема разработчиков. Во всяком случае, судя по заявленным параметрам, Baikal-S вполне соответствует уровню мировых лидеров. А с ценой надо будет что-то делать. Хотя разработчики утверждают, что по соотношению цена/производительность процессоры будут конкурентными на мировом рынке, с выводами стоит подождать. И уж точно без поддержки не обойдется не поставляемый за рубеж «Эльбрус». У государства есть возможности стимулировать потребление российских процессоров, и, учитывая политику импортозамещения, надо полагать, оно ими воспользуется.
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!