НИИСИ РАН

Как ни крути, а микроэлектроника — это сложно и непонятно. Нынешняя экосистема с фаблес компаниями, разработчиками IP, фабриками, фоксконами и эпплами — не нечто единственно верное, а набор озарений и компромиссов, наработанный рынком за последние полвека. Можно считать экосистему окончательно оформившейся и искать свои узкие ниши. А можно пытаться поменять правила, и вместо шашек играть в «Чапаева». Ну, если мы эксперты в «Чапаеве», конечно.

В этот раз рассказ будет о НИИСИ РАН (НИИ Системных Исследований), одной из организаций, сумевшей с советских времен пронести компетенции и не скатиться в производство НИОКРовой бумаги вместо электроники. Сергей Геннадьевич Бобков, заведующий отделением разработки высокопроизводительных систем, рассказывал мне об истории и нынешних разработках предприятия, о видении компании в области суперкомпьютерных разработок.

В этом году НИИСИ празднует свое 25 летие. Начиналось все с того как НСК “Кибернетика”, ПО ЗИЛ и НПО Алмаз, разрабатывали микросхемы, решения для машиностроительного сапра: железо и софт. В восьмидесятые годы волне себе современное решение. Сделали машину Беста — у нас на ВМК стояли такие, UNIX на них вполне себе можно было изучать. С НИИТТ совместно проектировали микропроцессоры, которые, увы, не дошли до серии. Потом преобразовались в Институт автоматизации проектирования, ну а потом уже и в НИИСИ, как раз 25 лет назад.

Надо сказать, основная часть разговора крутилась вокруг экзаскейл вычислений (перспективных суперкомпьютеров с производительностью на порядки выше нынешних лидеров). Я эту суперкомпьютерную гонку упоминал. Наряду с американским, японским и европейским проектами в России все больше появляется желающих в нее включиться. НИИСИ не исключение. Профилем института является разработка систем, то есть не только микросхем, но и конечных изделий на их основе, с программным обеспечением, позволяющих решать достаточно сложную поставленную задачу, поэтому неудивительно, что вопрос разработки суперкомпьютеров был покрыт системно.

Нужда в суперкомпьютерах складывается из двух частей. Первая часть состоит из задач, в которых переход от текущих приближенных моделей к более аккуратным, учитывающим межатомные взаимодействия, позволит выйти на новые качественные уровни. Генетика, материаловедение. НИИСИ нынче занимается разработкой решения для задачи горения — от архитектуры до софта — читай, новых поколений двигателей. И позиция НИИСИ такова, что большой задаче нужен свой комплекс. В котором, вообще говоря, даже архитектура процессора может быть уникальной.

Другая часть как раз лежит в области наработки технологий, необходимых для создания экзаскейл компьютера. Наличие и умение пользоваться этими технологиями даст очень сильное преимущество в самых разных областях. Нужно принципиально решить вопросы энергопотребления, надежности и программной поддержки. Если делать экзаскейл на сегодняшних процессорах, то мало того, что он будет неприличное количество энергии потреблять, так и процессоров там будет столько, что будут постоянно выгорать и требовать замены, надежность системы будет как у ENIAC. Нужна иная схемотехника, возможно принципиально новая, другие алгоритмы, конструктивные решения. То есть экзафлопс компьютер можно сделать только подняв индустрию, начиная с разработки и использования технологий производства микросхем, выстраивая цепочку от технологии производства кристалла до целой машины и ее программного обеспечения.

В производстве чипов НИИСИ обладает хорошими компетенциями. В Курчатовском Институте с 2000 года стоит небольшая линия на 0.25 микрона. Отказоустойчивость схем, производимых на этой линии одна из лучших в Европе. Что важно, эта линия собрана и налажена самостоятельно, не куплена целиком, как в случае Микрона. То есть получен важный навык интеграции оборудования в технологическую цепочку. НИИСИ утверждает, что у них есть умения, чтобы при наличии финансирования за два года создать из имеющегося на рынке оборудования линию вплоть до 28 нанометров.

И вот тут в полный рост встает вопрос безопасности. Использование американского литографического оборудования контролируется госдепом США, решение, что можно, а что нельзя производить на 20nm на Тайване принимается именно в штатах. Так, Россия не имеет права на американском оборудовании производить микросхемы производительностью больше 5 гигафлопс, не важно, где это оборудование стоит.

Значит нужно заменять оборудование своим, чтобы уже не зависеть от иностранной политики. В первую очередь это касается литографов. Это куда важнее, чем химия и травление. Беда в том, что создание литографической машины подразумевает наличие крепкой экосистемы, которой пока нет. Надо проводить исследования, а с инфраструктурой беда. Это в США при наличии гранта все решается парой телефонных звонков. Микроскопы, лазеры, реагенты, студенты, все находится. А в России, пока счета фактуры заполнишь, тендеры объявишь — на пенсию пора. Еще проблема — производство микросхем сопряжено с работой с ядовитыми веществами, нужно получать разрешения от российских властей, но в этом направлении идет неплохое взаимодействие со Сколково. Выходит, делает выводы Бобков, где есть заделы — реализовывать, а где нет — организовывать научные центры а ля IMEC, Albany. С возможностью заниматься делом без глупостей бюрократических.

Итак, от технологии, к следующему шагу — схемотехнике и иным конструктивным решениям. Нужно найти решения, которые бы позволили существенно снизить потребление энергии и поднять надежность, но сохранить производительность. В НИИСИ есть мнение, что современный мейнстрим — Sparc, ARM, x86 — это не потянут. Есть несколько направлений исследований, которые могут дать необходимое увеличение производительности при низком потреблении.

Одно из них — самосинхронная логика. Вместо стандартных синхронных схем, у которых есть такт, по результатам которого система синхронизируется, в самосинхронной логике вырабатывается бит готовности, который следует за результатами вычислений, система локально, а не на уровне микросхемы, решает, готова ли она к следующим вычислениям, или нет. Значит можно динамически изменять режимы потребление энергии, менять рабочие температуры. Даже паразитные емкости, пусть и замедляя работу, не влияют на целостность данных. Проблемы две. Во-первых, нет САПР и инфраструктуры. В ИПИ РАН ведутся работы в этом направлении, а человек-хаскель Сергей Зефиров вообще обещал снять проблему за пару недель, но подозреваю все не так просто. Во-вторых, самосинхронная логика локальна. В случае синхронной логики, пусть и потерей 30% производительности, есть возможность гонять сигнал по всему чипу. А самосинхронные системы в таком случае получат замедление, только что не экспоненциальное. То есть в целом сделать самосинхронную схему на сегодняшний день не представляется возможным, но локальные самосинхронные блоки синхронного вычислителя выглядят как перспективная тема. Большой эффект прогнозируется при аппаратной реализации сложных функций в виде потоковых процессоров, в упомянутой задаче горения такие функции можно выделить. В России самосинхронной логикой занимаются ИПИ РАН с НИИСИ. Произведен на 180нм самосинхронный блок делителя, в TSMC запускается 65нм вариант. Исследования идут.

Другими направлениями исследований, которые могут дать необходимое увеличение производительности при низком потреблении, адиабатической и обратимой логикой на серьезном уровне в России не занимаются, по крайней мере НИИСИ про такие занятия ничего не известно, хотя идеи и старые. Адиабатической занимались раньше в МИЭМ, МИЭТ, но до реальных схем не дошло.
На западе появляются изделия. Направления неплохие, но у нас нет заделов.

Следующий шаг технологии — интерконнект, т.е. переход на оптические каналы связи, с источниками и приемниками сигнала прямо на чипе. На уровне системы можно сэкономить десятки процентов мощности, при этом существенно увеличив скорость передачи данных. В этой области НИИСИ работали совместно с ИПЛИТ РАН. В лаборатории получена тестовая плата, демонстрирующая возможности технологии. Но для крупная партии требуется серийное производство, а это совсем другие порядки инвестиций.

Так мы приходим к государственной поддержке. В НИИСИ не сомневаются, что для поднятия такого уровня сложности задачи необходима государственная программа, с головным исполнителем, планами, финансированием и так далее. До появления такой программы заделы делать можно и нужно, но без нее поднять индустрию не получится. Кто должен участвовать в подобной программе? Те, кто на сегодняшний день доказал свою состоятельность в своих областях. Кроме уже упомянутых контор в НИИСИ обязательно вспоминают МЦСТ, как группу, которая постоянно доказывает свою квалификацию.

Рассуждения, как несложно видеть, вполне себе советские. Собственно, для понимания себя в этом мире бушующем никуда без размышлений родом из СССР. Иной мыслительный аппарат только начинает отрастать, и пока, прямо скажем, не повзрослел. В институте любят вспоминать советские методы концентрации усилий всей страны на одной задаче и ядерный проект как пример, с побочным эффектом в виде индустрии АЭС. На вопрос, а не стоит ли разделить один огромный институт на несколько подразделений, каждое из которых получит побольше независимости и сможет отточить компетенции, ответ был достаточно однозначен: нужна концентрация, чтобы делом занимались, а не за заказами гонялись.

В целом же институт находится в поиске путей развития и реализации своего опыта. На сегодняшний день заказчиками являются крупные российские предприятия, промышленность, железные дороги, которые способны заказывать достаточно дорогостоящие исследования и относительно небольшие партии модулей и систем, производимых компанией. Список их является конфиденциальным. Но подобный расклад перестает устраивать.

Поэтому и случился этот разговор. В НИИСИ планируют привести в порядок сайт, рассказать о номенклатуре разработанных микроэлектронных изделий, а это — пара десятков принципиально разных микросхем и на их основе полсотни вариаций, покрывающих функциональные требования для стандартных компьютеров. Кроме того, Институт инициирует разговоры о микросхемах для космоса, особенно ввиду последних провалов. Действительно, обидно иметь под боком фабрику с идеальным для космоса размером партии и не пользоваться ею. А также в НИИСИ думают о лицензировании своего MIPS-подобного ядра КОМДИВ сторонним производителям в России. В 1993-4 годах была получена лицензия на ядро MIPS 32 с возможностью архитектурного развития. С тех пор разработали 64-разрядную версию архитектуры, добавили специализированные сопроцессоры  и дополнительные команды и теперь производят собственные лицензионно чистые MIPS-подобные микропроцессоры. Процессоры с КОМДИВ ядрами используются в серийных изделиях компании, то есть они прошли проверку на кремнии. Процессор 1890ВМ2Т используется в лабораторных работах в МИФИ, хотя MIPS пытается внедрить pic32.

НИИСИ РАН: 13 комментариев

  1. Здравствуйте,

    А вам что-нибудь известно о НИЦЭВТ?. На сайте пишут, что работают над многоядерным мультитредовым процессором и интерконнектом в рамках суперкомпьютерной платформы ЕС-1740 «Ангара». Что это? Хочется статью.

    • У меня есть контакт в НИЦЭВТ, с которым я все откладываю и откладываю разговор. Но спасибо за вопрос, теперь у меня нет выбора :) . Насколько я знаю, основные достижения НИЦЭВТ на сегодняшний день в области интерконнекта. Что касается полноценного суперкомпьютера, то с уходом Леонида Эйсымонта работы в этом направлении подзаглохли, опять-таки насколько мне известно.

  2. Уведомление: НИИСИ РАН

  3. «Кроме того, Институт инициирует разговоры о микросхемах для космоса, особенно ввиду последних провалов. Действительно, обидно иметь под боком фабрику с идеальным для космоса размером партии и не пользоваться ею.»

    Это вам Бобков сказал, что мы фабрикой для космических применений не пользуемся, или вы сами придумали?

  4. Получилась совершенно безграмотная статья, и ссылка на Сергея Геннадьевича Бобкова здесь совершенно неуместна:
    1) Фабрика, работающая с 2000 г., началась с линии 0,5 мкм, затем осваивались технологии 0,35 мкм и 0,25 мкм, объёмная КМОП и кремний-на-изоляторе. Технология КНИ с проектными нормами 0,25 мкм сейчас находится в стадии доработки.
    2) Ссылка на «Микрон» совершенно не этична, С.Г. в таком ключе о коллегах высказаться не мог. К тому же известно, что «линейку целиком» «Микрон» не закупал, а в соответствии с лицензией покупал оборудование у производителей и налаживал производство самостоятельно.
    3) Цитата: «Институт инициирует разговоры о микросхемах для космоса, особенно ввиду последних провалов. Действительно, обидно иметь под боком фабрику с идеальным для космоса размером партии и не пользоваться ею».
    В настоящий момент НИИСИ активно разрабатывает СБИС для космических применений, изготавливая их в том числе на отечественной фабрике (0,5 мкм и 0,35 мкм). Среди недавних разработок, которыми по праву гордится коллектив института, микропроцессоры 5890ВМ1Т и 1900ВМ2Т. Поэтому совершенно не ясно, что имел в виду автор статьи, говоря о том, что фабрикой «не пользуются».

    • Большое спасибо за подробный комментарий.

      Обязательно передам С.Г., что ссылка на него неуместна. Перед публикацией статья была ему показана и Сергею Аряшеву, все предлагавшиеся изменения (а их было немало) внесены. Но возможно, они впопыхах что и пропустили.

      По пунктам
      1) Охотно верю, что ваша информация более актуальна, но я цитировал Бобкова.
      2) То, что Микрон купил линию у ST Micro факт достаточно общеизвестный, не помню, чтобы они это скрывали. По крайней, мне об этом на Микроне рассказывали: chiptalk.ru/mikron . Собсно, вы в теме и должны понимать, что даже перетащить такую фабрику в мск и заставить ее работать та еще задачка. Справились, сейчас 90нм допиливают, молодцы. Я далек от желания их пнуть. Тут скорее подчеркивается разница в сложности задач, которые решает НИИСИ и Микрон.
      3) Я был бы очень благодарен за более детальную информацию об упомянутых изделиях. На сайте не видать, увы. Что касается того, что «идут разговоры», ну так подозреваю, что спутники не в одной артели делают. Те, что пользуются вашими чипами работают на орбите. Но есть и другие. Видимо, их и имел в виду Сергей Геннадьевич.

      Несколько удивлен резкой реакцией, ну да что поделать, понедельник день тяжелый.

      • Резкая реакция связана с тем, что вокруг отечественных разработчиков (НИИСИ, «Микрон», «Ангстрем»…) носится столько слухов, что дополнительные «вбросы» идут во вред не только конкретным предприятиям, но и всей отрасли. Я считаю, что автор статьи должен лучше проработать вопрос, о котором он пишет.

        «Перед публикацией статья была ему показана и Сергею Аряшеву, все предлагавшиеся изменения (а их было немало) внесены. Но возможно, они впопыхах что и пропустили.»

        Думаю, так и произошло.

        1) См. статью академиков, в т.ч. директора НИИСИ РАН В.Б. Бетелина:
        http://www.electronics.ru/issue/2004/3/1/

        2) К сожалению, текст статьи допускает неоднозначные толкования.

        3) Вы правы, для космической отрасли трудятся многие предприятия. Все подробности о наших изделиях — у Сергея Геннадьевича.

  5. Граждане, оставайтесь на своих местах!
    Товарищи из первого отдела уже идут к вам с вопросами…

    • Движуха прекрасна. Как было написано в одной книге про компиляторы, «The question isn’t are there bugs in the example code. The question is, how embarrassing they are»

      То, что в статье хватает разного я не сомневаюсь. Общими усилиями сделаем лучше, например.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>