logo
Статья
/ Юрий Бялый
К 2015 году, когда США ввели ограничения на поставки в КНР высокотехнологичной продукции двойного назначения, Китай уже был готов к независимому производству всей гаммы электронной продукции разного уровня сложности — от сотовых телефонов до суперкомпьютеров

Стратегические «прорехи» в хозяйственно-экономическом развитии России. Часть VII

Суперкомпьютер Sunway TaihuLightСуперкомпьютер Sunway TaihuLight

Но все-таки каким образом КНР всего за два десятилетия сумела практически «с нуля» добиться в сфере суперкомпьютинга реального статуса главного мирового конкурента США? Почему и как это у Китая получилось?

Китай, во-первых, принял специальную государственную программу разработки и создания компьютерной техники, находящуюся под особым контролем ЦК КПК и высшей государственной власти, а далее начал выделять на ее реализацию огромное финансирование.

Китай, во-вторых, для реализации этой программы призвал вернуться на родину — причем на «большие американские зарплаты» — огромное число специалистов-китайцев, которые работали в крупнейших компьютерных корпорациях и университетах США, Великобритании и других стран.

Китай, в-третьих, привлек в страну чрезвычайно выгодными предложениями филиалы самых передовых глобальных компьютерных корпораций: IBM, Apple, SUN, Hewlett-Packard и др., которые начали строить в КНР лаборатории и заводы по производству микроэлектронных компонентов для мировых рынков, и направил в эти лаборатории и на эти заводы китайских ученых и инженеров для приобретения необходимого опыта.

Китай, в-четвертых, создал в Шанхае особый Государственный центр разработки высокопроизводительных интегральных схем (Shanghai High Performance IC Design Center) и начал форсированно осваивать и разрабатывать (причем с прицелом не на сиюминутную, а на долгосрочную перспективу) высшие технологии сложной микросхемотехники, как в части физического производства компонентов («компьютерного железа»), так и в части алгоритмов обработки информации и сопутствующего математического обеспечения.

Китай, в-пятых, построил у себя — не без помощи заинтересованных американских корпораций, приглашенных в страну, — самые современные роботизированные компьютерные заводы.

Китай, далее, активно занялся моделированием, разработкой и освоением промышленного производства собственных микропроцессоров, графических ускорителей, микроконтроллеров, карт памяти и т. д., а также собственной операционной системы и собственных программных стандартов.

В результате к 2015 году, когда США ввели ограничения на поставки в КНР высокотехнологической продукции двойного назначения, Китай уже был готов к практически независимому производству всей гаммы электронной продукции разного уровня сложности — от сотовых телефонов до суперкомпьютеров.

В частности, процессоры китайского суперкомпьютера Sunway TaihuLight, недавнего мирового чемпиона в топ-500, созданы с оригинальной архитектурой ShenWei, собраны по оригинальной системе межпроцессорного соединения узлов Sunway Network и работают в оригинальном программном стандарте параллельного программирования — операционной системе SunWay Raise OS 2.0.5 на базе Linux.

В результате китайские суперкомпьютеры сегодня практически на равных конкурируют с лучшими американскими и по производительности (в том числе, готовясь к «штурму» скоростей вычислений более 1 эксафлопс), и по способности работать с невероятными объемами структурированной и неструктурированной информации в десятки и сотни эксабайт.

Причем, напомним, в мировом рейтинге топ-500 китайских «суперов» уже больше, чем американских, и работают они уже не только в ведущих оборонных и научных центрах страны, но и во множестве китайских мегакорпораций в самых разных отраслях национального хозяйства. Однако эти мегакорпорации в Китае, вновь напомним, находятся — при любом их официальном частно-рыночном статусе — под неусыпным контролем профильных отделов Компартии Китая и профильных ведомств государственной власти…

А вот действующие российские суперкомпьютеры пока что, увы, по-прежнему собираются из зарубежных «кубиков» микропроцессоров, графических ускорителей, контроллеров, коммуникаторов, элементов памяти и пр. И в значительной мере — из других микродеталей зарубежного производства вроде резисторов, емкостей и т. д., которые специалисты по компьютерному «железу» называют «рассыпухой». В частности, почти все суперкомпьютеры России и стран СНГ (а также машины, к ним приближающиеся по производительности) используют процессоры Intel (многоядерные процессоры Intel Xeon Gold, Intel Skylake и др.) и графические ускорители Intel (в том числе Intel Xeon Phi), NVidia Tesla, NVidia Pascal P100 и др.

Но, разумеется, собрать из таких «кубиков» и необходимой «рассыпухи» какую-нибудь настольную «персоналку» или суперкомпьютер — вещи совершенно разные. И не только потому, что в состав суперкомпьютера, как правило, входят многие десятки и сотни тысяч «кубиков» микропроцессоров, ускорителей, коммуникаторов, блоков памяти и многие сотни миллионов компонентов «рассыпухи».

Так, например, суперкомпьютер Summit, сегодняшний американский «чемпион» топ-500, состоит из 4608 двухпроцессорных серверов IBM AC922 на базе 22-ядерных процессоров IBM Power9, в каждом из которых работает 6 графических процессоров-ускорителей NVIDIA Tesla V100. Для внутренних соединений используется сеть Mellanox dual-rail EDR InfiniBand с пропускной способностью 200 Гбит/с на каждый сервер. Причем этот суперкомпьютерный гигант занимает залы площадью чуть не четверть гектара и весит несколько сотен тонн.

А в современной линейке мощнейших суперкомпьютеров рейтинга топ-500 есть и машины, в которых содержится более сотни тысяч процессоров. Учитывая, что в каждом из таких процессоров могут работать более миллиарда транзисторов, можно представить и оценить уровень сложности подобного технологического чуда.

Но это, что называется, только компьютерное «железо». А для того, чтобы эти сотни тысяч сложнейших «кубиков» и миллионы и миллиарды других компонентов согласованно работали для достижения готовым изделием суперкомпьютерного качества, — необходимо еще и создание изощреннейших архитектур объединения всех этих компонентов, а также разработка особых алгоритмов, обеспечивающих эффективную работу созданной машины — суперкомпьютера.

И у США, и у КНР — все это уже создано и работает. А нас пока что этого в полной мере нет.

В то же время нельзя не признать, что у России многое из перечисленного тоже имеется.

У нас уже есть собственные «кубики» необходимого качества, в некоторых случаях — вполне оригинальные, и собственная «рассыпуха» необходимого качества. И не только для решения сугубо военных специальных задач.

Для оборонного использования, например, предназначена серия процессоров KOMDIV с оригинальной архитектурой, достаточно высокой производительностью, а также устойчивостью к перегрузкам, высоким температурам и уровням радиации. И эта серия машин оборонного назначения — не единственная.

Из «кубиков» для широкого применения сейчас на слуху прежде всего последние российские разработки процессоров серии «Эльбрус» и серии «Байкал».

Специалисты указывают, что последние разработки серии «Эльбрус» отличаются не только полностью оригинальной архитектурой, но и особыми средствами защиты против «взлома», и вполне способны стать основой суперкомпьютеров мирового уровня.

В частности, есть официальные сообщения о том, что в России сконструирован и уже тестируется суперкомпьютер на процессорах «Эльбрус-8СВ» (технология 28 нанометров), который предполагается запустить в нынешнем 2019 году. Предполагается, что его производительность превысит 1 петафлопс, и что он сможет войти в мировой топ-500.

Кроме того, готовится к производству еще один, более мощный, процессор «Эльбрус-16СВ».

Универсальный 16-ядерный процессор «Эльбрус-16СВ», содержащий на кристалле около 6 млрд транзисторов, ориентируется на производительность до 1,5 петафлопса и строится по технологии 16 нанометров. Тактовая частота — 2 ГГц на ядро.

Это будет система на одном кристалле, включающая все необходимые контроллеры периферийных устройств, а также возможность объединения четырех процессоров на общей памяти со скоростью межпроцессорного обмена данными до 48 ГБт/сек. Именно на основе этих процессоров в 2021–2022 гг. предполагается создать российский суперкомпьютер с производительностью порядка 1 эксафлопс, сопоставимой с высшими достижениями мировых американских и китайских лидеров.

Линейка российских процессоров «Байкал», в отличие от «Эльбрусов», ориентируется в основном на производство для персональных компьютеров и промышленного и сетевого сегментов.

В частности, уже освоенные и выпускаемые промышленной серией процессоры «Байкал Т» могут использоваться в сложной офисной технике, телекоммуникационных устройствах, маршрутизаторах, коммутаторах, станках с числовым программным управлением и т. д.

Процессор Baikal-T1 после снятия металлизации (фото — BarsMonster, habr.com)Процессор Baikal-T1 после снятия металлизации (фото — BarsMonster, habr.com)

Разрабатываемый по технологии 28 нанометров «Байкал М» на одном кристалле содержит 8-ядерный процессор с низким энерогопотреблением, комплекс высокоскоростных интерфейсов и графическую подсистему. Он может применяться для создания автоматизированных рабочих мест в промышленности и конструировании, в мощных графических рабочих станциях, в серверах и терминалах комплексов видеоконференций, в маршрутизаторах и брандмауэрах, в офисных и домашних медиацентрах и т. д.

При этом недостатком (и одновременно достоинством) «Байкалов» считается построение ядер процессора на очень распространенной зарубежной архитектуре. В частности, «Байкал T1» использует ядро MIPS P5600, а «Байкал М» — ядро ARMv8. Это, с одной стороны, не дает безусловных гарантий от «вирусных» атак из внешних сетей, но, с другой стороны, обеспечивает практически полную совместимость с уже существующим системным и прикладным зарубежным и российским программным обеспечением, а также с разнообразными готовыми периферийными устройствами зарубежного производства.

Однако и в отношении «Эльбрусов», и в отношении «Байкалов», к сожалению, нельзя говорить об их полностью отечественном производстве. Хотя архитектура «Эльбрусов», в отличие от «Байкалов», вполне оригинальная, в России пока еще нет заводов, способных выпускать микроэлектронную продукцию по топологии (характерному размеру транзисторов) 28 и, тем более, 16 нанометров. И потому наши разработчики передают полный пакет техдокументации на свои процессоры зарубежным заводам-изготовителям.

Сейчас наиболее мощные российские процессоры, как правило, изготавливаются на заводе тайваньской корпорации TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company). Это крупнейший производитель микрочипов в мире, который, однако, не разрабатывает собственные микросхемы, но зато предоставляет высокотехнологичные и качественные услуги по выпуску микросхем разным компаниям-разработчикам из множества стран мира.

В России, кроме закрытых производственных мощностей оборонного назначения, действуют два крупных завода по производству микропроцессоров, оба в подмосковном Зеленограде. Это «Микрон», работающий в рамках техпроцесса 250–65 нанометров, и «Ангстрем-Т», использующий техпроцесс 250–90 нанометров.

По официальным сообщениям конца 2018 г., принято решение о создании на базе зеленоградского завода «Микрон» производства микросхем по техпроцессу 28 нанометров. Как сообщил гендиректор НИИ молекулярной электроники академик РАН Геннадий Красников, для этого в качестве основы производства будет использоваться около 70% существующих мощностей завода, к которым предполагается добавить примерно 30% нового технологического оборудования для перехода к топологии 28 нанометров. При этом Красиков заявил, что приоритетной задачей нового производства на ближайшие 3 года станет полное замещение импортной микроэлектронной базы для российской ракетно-космической отрасли.

Некоторые эксперты уточняют, что для космоса топологию менее 90 нанометров нельзя использовать исходя из жестких условий эксплуатации микросхем (температура, ударные нагрузки, радиация), и что здесь главной решаемой задачей нового микропроцессорного производства станет именно надежность. И что переход к топологии 28 нанометров — это следующая задача, которая, скорее всего, будет решаться постепенно, через «промежуточный» рубеж в 45 нанометров.

(Продолжение следует.)