Введение
В современных условиях невозможно представить какую-либо деятельность без использования информационных гаджетов и технологий, основу которых составляют микроэлектроника и компьютерная техника. Без продукции полупроводниковой промышленности – микрочипов не обходятся ни промышленные предприятия, ни государственные организации, ни потребительский сектор. Благодаря компьютерным и информационным технологиям происходит выполнение различных технологических операций, сбор и обработка данных, решение вычислительных задач, управление различными бизнес-процессами. В текущих условиях уровень развития микроэлектронной промышленности определяет не только технологический суверенитет государства, но и его национальную безопасность. До событий февраля 2022 года продукция российской микроэлектронной промышленности использовалась в основном в оборонно-промышленном комплексе (ОПК), тогда как потребности, связанные с производством и реализацией товаров народного потребления, удовлетворялись за счет импорта оборудования, комплектующих, готовой продукции. Отказ от сотрудничества с Россией ведущих мировых производителей микроэлектроники и процессорной техники поставили перед отечественными предприятиями микроэлектронной промышленности сложные задачи, одной из которых является непосредственное производство высококачественных процессоров, имеющих первостепенное значение для производства информационных технологий в сфере народного потребления. Данная статья посвящена важной сфере отечественной микроэлектронной промышленности – процессоростроению, возможности создания конкурентоспособных процессоров на основе архитектуры RISC-V.
Целью представленного исследования является краткий обзор предприятий микроэлектронной промышленности, обозначение задач, стоящих перед ними, описание и определение перспектив использования в отечественном процессоростроении архитектуры RISC-V для создания конкурентоспособных процессоров, в том числе на мировом рынке.
Материалы и методы исследования
В процессе написания статьи были использованы статьи российских специалистов в области микроэлектронной промышленности, в том числе в сфере создания архитектур и процессоростроения, интернет-материалы. На основе изученных и использованных в работе источников обосновано предложение использования в отечественном процессоростроении архитектуры RISC-V, что создает определенные возможности для создания отечественными предприятиями инновационной и конкурентоспособной продукции.
Результаты исследования и их обсуждение
Как справедливо отметил Георгий Лессар: «Полупроводниковая промышленность является важнейшей отраслью экономики, обеспечивающей мультипликативный эффект, стимулирующий инновации и рост производительности во всех без исключения секторах экономики» [5]. Ведущими игроками на мировом рынке микроэлектроники являются Intel, Toshiba, Samsung, Infineon, Micron [10]. Глобальным производителем полупроводников с долей 30% является тайваньская компания TSMC. Доля России на мировом рынке микроэлектроники составляет менее 0,8% [5]. В таблице 1 представлены ведущие российские предприятия в области микроэлектроники и производимая на этих предприятиях продукция.
Таблица 1
Основные предприятия отечественной микроэлектронной промышленности и выпускаемая на них продукция [5]
|
№ п/п |
Наименование и размещение предприятия |
Выпускаемая продукция |
|
1 |
НПО «Микрон», Зеленоград |
Интегральные микросхемы, системные решения для цифровой экономики |
|
2 |
ЗАО «Группа Кремний ЭЛ», Брянск |
Все типы полупроводниковых приборов |
|
3 |
АО «Ангстрем», Зеленоград |
Полупроводниковые приборы |
|
4 |
АО «НИИ полупроводниковых приборов», Томск |
Кремниевые пластины, полупроводниковые источники света |
|
5 |
GS Nanotech, Калининградская обл. |
Производство микро- и наноэлектроники |
|
6 |
Крокус Наноэлектроника, Москва |
Производство интегральных схем и магниторезистивной памяти с произвольным доступом |
|
7 |
ООО «НМ-Тех», Москва |
Производство и запуск технологических линий выпуска микроэлектронных компонентов для насыщения гражданского рынка современной электронной компонентной базой |
|
8 |
АО «НИИП» Росатом, Московская обл. |
Производство высокочистого монокристаллического кремния |
Предприятия отечественной микроэлектронной промышленности, как и ранее, работают на ОПК. Для потребительского сектора выпускают микрочипы для проездных документов и банковских карт. Наиболее развитым предприятием микроэлектронной промышленности является НПО «Микрон», который обладает в массовом производстве технологией 180 нм, 90 нм и в не сильно массовом производстве технологией 65 нм [5]. Вышеуказанные технологии – это уровень производства начала 2000-х годов. В то время как «южнокорейская Samsung и тайваньская TSMC уже освоили производство на 4 и 3 нм» [5]. Среди ведущих предприятий отметим, еще АО «НИИП» Росатом – единственное предприятие в России, которое занимается производством высокочистого монокристаллического кремния. Приходится констатировать, что в целом отечественным предприятиям пока так и «не удалось предложить ни внутреннему, ни глобальному рынкам востребованной и конкурентоспособной продукции» [5].
С одной стороны, полностью согласны с Апухтиным Юрием в том, для сокращения отставания от ведущих игроков на мировом рынке, отечественной микроэлектронной промышленности необходимо решить следующие задачи:
«- создать фирмы, способные разрабатывать собственную архитектуру процессоров, топологию изготовления чипов и собственное программное обеспечение, совместимое с западными аналогами;
- построить заводы по производству пластин чипов;
- построить заводы по производству корпусных чипов;
- построить заводы по производству процессоров» [10].
С другой стороны, не можем не отметить, что для решения вышеперечисленных задач необходимы значительные финансовые средства и время. «Печать собственных чипов по топовым техпроцессам у нас в стране будет ещё нескоро, а когда будет (скорее всего, в районе 2027-го года), то это будут, очевидно, ограниченные партии процессоров для нужд оборонной и ключевых систем государственной инфраструктуры» [8]. Однако, сложившиеся на сегодняшний день не простые условия дают хорошие возможности для отечественных предприятий микроэлектронной промышленности стать конкурентоспособными, в том числе и на мировом рынке. Да, не получится быстро решить задачу по строительству заводов по производству чипов и процессоров. Но, можно стать вполне конкурентоспособными, в том числе и на мировом рынке по разработке процессоров. Тем более, что у отечественных компаний накоплен хороший опыт в создании процессоров, например, таких как «Эльбрус» и «Байкал» [11].
Нельзя не согласиться с Розановой Н.М. и Бойковой Е.В. в том, что во многом конкурентоспособность компаний обусловлена реализацией конкурентных преимуществ в постоянно меняющихся условиях [2, 4]. Для эффективного функционирования и дальнейшего развития предприятия отечественной микроэлектронной промышленности должны адаптироваться к постоянно меняющимся условиям внешней и внутренней среды, создавать и внедрять инновационную продукцию, то есть использовать любые возможности. Одной из таких возможностей является создание процессоров на основе архитектуры RISC-V (Reduced Instruction Set Computing), разработанной в 2010 году в Университете Беркли [13]. Примером для подобного развития может служить положительный опыт Китая, который имея схожие с нашими проблемы в процессоростроении, вложил огромные средства, в том числе в указанную архитектуру, чтобы сократить зависимость от зарубежных стран. Да, Россия неконкурентоспособна в производстве современных полупроводников и процессоров, но это не касается архитектуры, на основе которой создаются процессора. Этот фактор необходимо использовать. В сложившихся непростых условиях считаем оправданным мнение, «что в условиях жёсткой мировой конкуренции за эффективность вычислений, систему команд процессора нужно создавать исходя не из логического её удобства для человека, а исходя из аппаратной эффективности – возможности эффективной аппаратной реализации тех или иных команд» [8]. Как раз данному условию отвечает архитектура RISC-V, на базе которой возможно создание отечественных экспортных процессоров для различных рыночных сегментов. В самом названии данной архитектуры заложена простота построения, что обусловливает хорошие перспективы для ее дальнейшего использования. Несомненно главным достоинством рассматриваемой архитектуры, построенной на использовании простых инструкций и небольшого количества регистров, является ее открытость, что позволяет ее использовать и модифицировать без каких-либо ограничений [7]. Неслучайно все ведущие мировые компании (Apple, Google, Intel) заинтересованы в создании на базе данной архитектуры процессоров и уже формируют их значительный рынок, строя заводы по производству процессоров [8].
Реализованные в архитектуре RISC-V решения по безопасности [13]
Таблица 2
Сравнение архитектур Arm, E2K, RISC-V [1]
|
Наименование показателя |
Архитектура Arm |
Архитектура E2K |
Архитектура RISC-V |
|
Производительность |
Высокая, обладает возможностью работы на высоких частотах |
Высокая, обусловлена высокой параллельностью выполнения инструкций |
Высокая, благодаря модульности, позволяет создавать оптимизированные процессоры |
|
Энерго эффективность |
Является стандартом энергоэффективности в мобильных устройствах |
Средняя, ввиду наличия мощных компонентов |
В целом высокая, но зависит от конкретной реализации |
|
Доступность и поддержка |
Широко распространена, имеет большое сообщество разработчиков |
По сравнению с Arm и RISC-V ограничен в распространении и поддержке |
В перспективе обещает оставаться доступной и открытой, пока имеет меньшую экосистему и ограниченное количество готовых решений |
Основными достоинствами RISC-V являются:
1. Небольшой объем кода.
2. Высокая эффективность и производительность.
3. Гибкость. В зависимости от конкретных требований есть возможность выбирать и настраивать различные уровни функциональности.
4. Совместимость с существующими архитектурами.
К несомненным достоинствам рассматриваемой архитектуры необходимо отнести реализованные в ней некоторые решения по безопасности (рисунок).
Как уже было сказано выше, у отечественных предприятий микроэлектроники накоплен хороший положительный опыт в сфере процессоростроения. Так, процессор «Эльбрус» построенный на архитектуре Е2К прекрасно работает в компьютерах на промышленных и государственных объектах, но не подходит для создания мобильной электроники. Для мобильных устройств мировые производители используют архитектуру Arm, разработанную компанией Arm Holdings. «Байкал» предназначен для работы сетевого оборудования и систем автоматизации [11]. В таблице 2 представлено сравнение вышеуказанных архитектур по таким важным показателям, как производительность, энергоэффективность, доступность и поддержка
В целом все представленные в таблице архитектуры являются энергоэффективными и высокопроизводительными для различного применения. Главным достоинством архитектуры RISC-V является ее открытость, что обусловливает широчайшие возможности для разработчиков процессоров. В качестве дальнейших перспектив развития рассматриваемой архитектуры отметим следующие:
1. Дальнейшее развитие своей экосистемы.
2. Применение в IoT и микроконтроллерах.
3. Использование в высокопроизводительных вычислениях.
4. Применение в автономных системах [12].
5. Развитие новых приложений [3].
В тоже время, несмотря на все преимущества RISC-V, не следует забывать о его недостатках, таких как необходимость расширения своей экосистемы, адаптация инструментов разработки и недостаточное количество квалифицированных специалистов. Важно продолжать исследования и разработки в этой области, чтобы реализовать все потенциальные преимущества RISC-V и минимизировать возможные риски и угрозы.
В целом, RISC-V является одной из наиболее перспективных процессорных архитектур в настоящее время. Процессоростроение на основе рассмотренной архитектуры, дальнейшее его развитие может привести к созданию новых возможностей и технологий в различных областях и сферах деятельности.
Заключение
Любая кризисная ситуация это не только потери, но и открывающиеся возможности. В результате введенных санкций, у отечественных предприятий микроэлектронной промышленности появилась реальная возможность встать на путь инновационного и конкурентоспособного развития. Российской экономике для успешной работы современных информационных технологий необходимы высококачественные компьютеры, основу которых составляют отечественные высокопроизводительные процессоры. Чем мощнее процессор, тем лучше и быстрее компьютер будет справляться с возложенными на него задачами, тем эффективнее будет информационная технология [6]. Важнейшее значение для производства процессоров имеет архитектура. Под архитектурой понимается организация и структура компонентов процессора, которая определяет его функциональность, способности и характеристики. Считаем целесообразным использование в отечественном процессоростроении архитектуры RISC-V, которая является открытой и получает все большую популярность в современном мире. Будущее архитектуры RISC-V выглядит очень перспективным для различных сфер жизнедеятельности [9].
Благодаря поддержке таких компаний как Apple, Intel, Google растет рынок процессоров, создаваемых на базе архитектуры RISC-V [8]. В связи с чем открываются очень хорошие перспективы для конкурентоспособного и инновационного развития отечественных компаний микроэлектронной промышленности. «В России нужно разрабатывать хотя бы один процессор с архитектурой RISC-V, чтобы с его помощью протаскивать российские технологии на международный рынок» [8].
На наш взгляд, именно RISC-V является очень перспективной для создания инновационных технологий на базе потенциальных процессоров на данной архитектуре для различного применения, а значит тем фактором, который может помочь в обеспечении конкурентоспособного и инновационного развития отечественных компаний микроэлектронной промышленности.