О российских микросхемах и процессорах — всё хорошо, ребята! Ч.1
24.08.2016
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.
[ame]https://www.youtube.com/watch?v=eS3w1SYukn8[/ame]
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!