О российских микросхемах и процессорах - всё хорошо, ребята

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. 

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.! 

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

Друзья, всем доброго времени суток, спасибо за положительную реакцию на первую часть. 

Итак, продолжаем, очень просто о сложном (отчего будут условности и упрощения). Продолжу основы, чтобы уважаемый читатель лучше разбирался в сути, и навсегда забыл привычку сравнивать отечественные процессоры, с Intel, мол у них гигагерц больше, техпроцесс тоньше. Просто процессоры бывают разные, для разных задач.

Кто пропустил -- ссылка на Первую часть.

Введение 

Итак в предыдущей части мы рассмотрели, как уменьшение размеров транзисторов в процессорах (уменьшение техпроцесса) дает положительный эффект (в гражданских процессорах). 

Чтобы лучше понимать в предмете (к концу третьей части, вы будете смеяться над критиками российских процессоров, причем сможете аргументировать), поговорим, почему уменьшение техпроцесса часто противопоказано, и что в будущем человечество (при существующих технологиях) "упрется" в 7 нанометров (нм). Чтобы понять все это, поговорим о "кирпичиках" процессора - миллиардах его транзисторов. 

Мы будем периодически проводить аналогию с краном с водой. На этой аналогии можно показать все проблемы 

Враги маленьких транзисторов. Слишком чувствительные

Все вычисления в процессорах как вы знаете состоят из нулей и единиц. 011000110101 и т.д. 

Как же их различают?

Дело в том, что в электронике нет никаких нулей и единиц. Есть пороговое значение напряжения, ниже которого считается, что это "логический 0", выше которого считается, что это "логическая 1". 

"Толстый" транзистор чувствительный как слон. Маленький же транзистор чувствителен, как жена-истеричка -- достаточно малейшего повода чтобы из спокойного состояния она перешла к психозу.

Процессору с современным малым техпроцессом требуются:

1. Суперстабильное питание, без малейших скачков и провалов. Привет от военных!

2. Отсутствие наводок и электромагнитных помех. Привет из космоса!

Иначе 0 может превратиться в 1 и наоборот. А это ошибка в программе, сбой, глюк. 

Вашему дешевому домашнему компьютеру ничего такого не грозит, наслаждайтесь, но в остальных двух категориях эволюция вынужденно пошла по другому пути. Там мегагерцы и "тонкие" транзисторы не нужны, и даже вредны. Но об этом будет в заключительной третьей части, когда буду говорить уже о конкретных процессорах. 

Сравним транзистор с водопроводным краном у вас на кухне. Старый кран для полного напора надо было открыть на два оборота. Вам поставили более продвинутый водопроводный кран, но теперь едва прикоснувшись, из него начинает хлестать струя полного напора. Вы теперь боитесь даже дышать возле него. 

Враги маленьких транзисторов. Квантовые эффекты

Представьте себе, что у вас в руках ракетка для тенниса, и вы играете со стеной. Любой человек в здравом уме скажет, что мячик от стены отскакивает. Всегда. 

Но вот однажды мячик не отскочил - он просто "как сквозь землю провалился". В данном случае сквозь стену. 

Это называется "туннелирование". Квантовый эффект, невозможный в макромире, при очень малых размерах вполне себе существует. 

Сравним транзистор с водопроводным краном у вас на кухне. Кран закрыт - вода не течет = 0. Кран открыт = 1. Вам поставили более продвинутый водопроводный кран, но почему-то когда вы его полностью закрываете -- вода продолжает тонко струиться. 
Хуже того, у ваших соседей началась такая же фигня.
(эффект влияет и на соседние транзисторы)

Враги маленьких транзисторов. Ток утечки

Любому транзистору и проводнику требуется слой диэдектрика. Диэлектрик ток не пропускает. Чем меньше техпроцесс, тем тоньше слой диэлектрика. 

Проблема в том, что ничего на свете не бывает идеального (особенно сделанном руками человека). В любом случае, в диэлектрике имеются дефекты. Если пара-тройка дефектов в "толстом" диэлектрике на малых токах роли не роялят, то в "тонком" диэлектрике это уже проблема, и возникают токи утечки. 

Инженеры по разному извращаются, экспериментируют с различными материалами, но факт -- практически половина тепла, выделяемого вашим процессором это ток утечки, т.е. это половина всей потребляемой процессором энергии.

Сравним транзистор с водопроводным краном у вас на кухне. Вам поставили более продвинутый водопроводный кран, с более продвинутыми тонкими трубами. Трубы эти настолько тонкие, что сквозь них сочится вода! 
Вы ставите еще более продвинутый кран, но воды стало сочиться еще больше...

Заключение второй части

Наука не стоит на месте, а компании гонятся за прибылями. Союз этих двух сил породил у нас иллюзию, что "чем больше гигарерц -- тем круче" (процессор Эльбрус на практике с этим спорит, об этом в следующей части). 

"Чем меньше техпроцесс -- тем круче". Да, выше энергоэффективность и выше производительность. Да, это конечно так, но порождает огромные проблемы. Инженеры из TSMC вычислили математически, что при идеальных условиях (а значит недостижимых) физически возможный предел -- это 5 нанометров. Далее нужны иные физические принципы для электронной логики, например, основанные на значении спина протона.

Но есть и другие процессоры. Вообще, их принято делить на три категории:

1. Commercial (у нас "приёмка 1") -- обычные гражданские для коммерческого использования. Именно такие на вашем компьютере, смартфоне, в микроволновке.

2. Military (у нас "приёмка 5") -- с ограниченным распространением для военной техники, оборонных производств, авионики и т.д. Очень дорогие.

3. Space (у нас "приёмка 9") --  Для космоса и ядерных электростанций. С самым ограниченным распространением. Изготавливаются по технологиям, уже не имеющим почти ничего общего с первой. Запредельно дорогие.

Если хотите приключений, начните настойчиво искать, у кого бы прикупить процессоров на сапфировой подложке -- познакомитесь с интересными и неулыбчивыми людьми.

В следующей части будет уже про конкретнее о самих процессорах, особенно применительно к категориям, описанным чуть выше.