Apie rusiškas mikroschemas ir procesorius - viskas gerai! 1 dalis

Как и обещал подписчикам, продолжаю тему IT. Очень простым языком, но буду зло разрушать некоторые мифы, отчего у либералов-западников истерика будет, а люди, знающие физику хоть на уровне школьной программы, всё поймут.

Вступление 

Итак, не смотря на внедряемые в мозг россиян мифы, мол в России не производят ничего, тем более процессоры, отсталые и т.д. По факту, наши современные микросхемы и процессоры производятся и идут в том числе на экспорт, поскольку при сопоставимых с конкурентами характеристиках значительно дешевле. Это известно среди специалистов, но плохо известно широкому обывателю, тут мы просто сильно отстаём в освещении своих достижений.

Я постараюсь немного исправить этот пробел, но поскольку статья популярная -- в ней будет множество упрощений и допущений.

Как обыватели, мы ошибочно сравниваем все процессоры со знакомыми Intel и AMD, с ведущими грандами. Да, они крутые, и достичь таких же впечатляющих характеристик пока никто не может. Когда-то давно с ними наравне был Cirrus - но он сошел с дистанции и ушел из сегмента процессоров для настольных ПК. Однако, люди знакомые с микроэлектроникой уже на этом абзаце улыбаются -- дело в том, что знакомые нам Intel и AMD занимают совершенно ничтожную долю мирового рынка, даже в категории "гражданские процессоры общего назначения". (Почему гражданские, об этом в следующих частях)

Далее я для упрощения забугорным словом "процессор" буду называть все микроконтроллеры с программируемой аппаратно или программно логикой, не забивая голову читателя деталями.

reklama

Процессоры есть везде. Мы привыкли что они в нашем компьютере, но нет, если оглянуться вокруг, они повсюду - даже в телевизоре, мультиварке и микроволновке.

Прежде, чем я вообще буду говорить о современных российских процессорах, читателю следует узнать о самом важном про процессоры, какие у них тонкие моменты. 

О гигагерцах и нанометрах

Пока познакомлю читателя с основами. 

Техпроцесс производства электроники мы привыкли измерять в нанометрах (нм). Грубо говоря, это влияет на размер одного транзистора в процессоре. Чем меньше нанометров, тем меньше каждый транзистор. А их в каждом процессоре от тысяч до миллиардов.

Чем это хорошо? Тем, что при том же энергопотреблении можно на кристалле разместить больше транзисторов -- они же совсем маленькие становятся. 

Но каждый из них потребляет энергию, и чем транзистор меньше, тем меньше энергии ему требуется для работы, а электричество нынче дорого.

Почему же мы не можем просто сделать за копейки один большой кристалл с "миллиардом" транзисторов по техпроцессу 90нм, а делаем их дорогие и маленькие 22нм? Технически всё возможно, но тут есть нюанс. В силу законов физики, каждый транзистор при работе выделяет тепло. Чем "толще" транзистор, тем больше побочного тепла каждый из них выделяет, и если процессор сделан по техпроцессу 22нм, то его еще можно охлаждать просто воздушным кулером, как в вашем домашнем компьютере. 

Точно такой же процессор, но "толщиной" 90нм будет греться, как забытая сковородка. Но есть и другая проблема, она состоит в частоте процессора.

Частота процессора. Еще один показатель, которым привык оперировать обыватель. Частота процессоров уже много лет не растёт, вы наверное заметили. Если в 90-х годах она росла, удваиваясь с каждой новой моделью, потом было замедление, а к 2010-му мы "зависли" в районе ~3 гигагерца (Ghz), и рост прекратился... И этому есть два объяснения. Первое простое -- снова тепло. Чем чаще мы "переключаем" каждый транзистор, тем сильнее он греется.

Кто видел видео про "оверклокеров" (люди, занимающиеся повышением производительности на нештатных токах и частотах), которые "разгоняют" процессоры до немыслимых частот, то заметили наверное, что там для охлаждения используются стаканы, куда периодически подливают жидкий азот. 

Вы бы наверняка не хотели дома со своим компьютером делать такое, чтобы почитать эту статью в браузере =) 

Тем более на таких частотах процессор работает крайне нестабильно и выдает кучу ошибок с неизбежным "синим экраном смерти"

Есть и вторая причина, связанная с первой. Она не так очевидна, поскольку внезапно связана, "та-дам", со скоростью света. 

Дело в том, что электрический ток в процессорах распространяется со скоростью света (почти, это грубое приближение, но будем считать так). Давайте посчитаем, вот у нас процессор 3 гигагерца. Т.е. 3 миллиарда тактов (тактовых отсчетов внутренней логики) за секунду. Считаем: 1 / 3000000000 = 3,3^-10 секунд на один такт. За это время со скоростью света электрон "пролетит" по проводам 0,0001км, т.е. всего 10 см.! 

reklama

Это немыслимо мало с учетом размера процессора и его изогунтых в 3-х измерениях внутренних дорожек, т.е. разные части процессора будут себя вести рассогласовано. Когда в одном конце кристалла начался новый такт с новой логикой, в другом конце еще не закончился предыдущий, еще не достиг своего блока вывода! Это очень плохо, это так же плохо, как у человека раздвоение личности.

С этим по-разному борятся, именно поэтому инженеры так любят хвастаться схемами блоков на кристалле процессора, вроде таких:

Особенно важно похвастаться количеством транзисторов на площадь кристалла. Вы ведь уже поняли про скорость света? 

Это не самая подробная схема, но каждый раз это победа инженерной мысли, и соответственно подробные схемы расположения логических блоков это коммерческая тайна.

Почему же огромная тактовая частота не важна? Вы уже догадались, процессоры давно перестали расти "вверх" (увеличивать частоту ради производительности) а стали расти "вширь":

иметь больше ядер практичнее с точки зрения роста производительности.

Мы все знаем про процессоры типа Pentium Core2Duo, Core i5 и т.д., у многих дома даже мощные i7 с частотой целых 3,4Ghz! 

А еще, мы знаем что есть элитная серия процессоров для серверов и суперкомпьютеров -- крутейшие процессоры серии Xeon, которые стоят немеряно, неприлично дорого. Если захотите прикупить компьютер с таким процессором домой, то лучше сказать жене что это обычный дешевый компьютер, а шумит он так сильно и такой большой, потому-что очень дешевый, "пары тысяч рублей на маленький тихий корпус не хватило..." У меня так знакомый профессиональный фотограф без палева объективы за десятки тысяч рублей покупает. 

Так вот, в среднем тактовая частота этой элиты, внезапно, всего 2,2Ghz. Задумайтесь. Прежде чем критиковать российский процессор Эльбрус за низкую частоту. 

Я даже закину удочку, а что, если я скажу вам, что по факту производительность Эльбруса сопоставима с вдвое более высокочастотными процессорами Intel из высокого и дорогого сегмента? 

Но, об этом в следующих частях.

Заключение Ч.1

Итак, уважаемый читатель, из первой части вы поняли, что современные процессоры и их производительность это тонкий баланс взаимоисключающих условий: 

"толщина" транзистора + количество транзисторов в самом процессоре + размер кристалла процессора + ограничение по скорости света + тактовая частота.

Найти тут баланс можно множеством разных способов, как это было сделано в России я расскажу позже, а пока на подходе Ч.2, в которой я очень просто расскажу как работает отдельный транзистор в процессоре, почему они до сих пор не 1нм "толщиной", при чем тут квантовая физика и физика высоких энергий из космоса. Да-да, это важно, но это будет рассказано простым понятным языком, не пугайтесь.

А последствия квантовой физики вы можете увидеть прям сейчас на своем компьютере, зайдя в BIOS (если умеете) -- там вы увидите пункт "Spread spectrum", которого для старых процессоров еще не было, а теперь, есть. Это она, родимая, борьба с квантовыми эффектами на процессоре вашего домашнего ПК.

И да пребудет с вами сила!

Ivan Rubila