Что такое м процессор
Лет 25-30 назад рынок персональных компьютеров был в разы меньше, чем сейчас, зато вариантов персональных компьютеров было куда больше. Типовые «писишки» и тогда уже были самыми массовыми, но во многом потому, что в нижних ценовых сегментах у них не было конкурентов. А вот на верхних этажах «паслись» и топовые PC, и «маки», и разнообразные рабочие станции, работающие на самых разных центральных процессорах под управлением той или иной версии Unix. В общем, компьютерным журналам того времени не составляло большого труда устроить тестирование штук пяти несовместимых друг с другом компьютеров — о такой роскоши в мире современной унификации можно только мечтать.
А еще одной любимой темой прессы того времени были рассуждения о тупиковости CISC-процессоров (к которым традиционно относили х86) и о светлых перспективах RISC-систем. Дело в том, что крупнейшие клиенты либо ничего другого и не выпускали (например, Sun Microsystems мигрировала с процессоров Motorola 68к на собственные SPARC’и еще в 1987 году), либо как раз отказывались от старых разработок в пользу новых архитектур (та же Motorola сначала попробовала выпустить на рынок 88к, а потом вместе с Apple и IBM занялась PowerPC). Собственно, и в Intel тогда придерживались мнения, что запас модернизации х86 исчерпан, все равно придется переходить на что-то другое. На что конкретно — тогда еще ясности не было, поэтому Intel одновременно разрабатывала Itanium (совместно с Hewlett Packard), дорабатывала х86 (все дальше и дальше уходя от «классической» микроархитектуры) и даже собственные ARM-процессоры развивала (в 1997 году ей достались DEC StrongARM, позднее превратившиеся в Intel XScale). Производителям программного обеспечения эту неопределенность тоже приходилось учитывать, и именно тогда стала заметной тенденция на отделение операционных систем от конкретных аппаратных решений. В Microsoft, например, сразу делали Windows NT портируемой, поэтому версия NT 3.1 работала не только на х86, но и на DEC Alpha и на процессорах MIPS, а начиная с версии NT 4.0 добавилась поддержка PowerPC.
Сложно сказать, чем бы все это кончилось, не случись в 2000 году «краха доткомов». Лопнувший пузырь больнее всего ударил по технологическим компаниям, многие из которых так после этого и не восстановились. Часть тогдашних претендентов на лидерство потом доедали по кустам до самого начала «десятых», хотя поворотным моментом в какой-то степени можно считать переход Apple и Sun на х86 в середине «нулевых» (2005-й и 2004-й соответственно). Еще до этого основной целевой архитектурой для Windows стала х86-64 — начиная с Windows XP, вышедшей в 2001 году. Чуть позже (уже в 2006 году) Intel продала ARM-бизнес компании Marvell и решила полностью сконцентрироваться на х86, причем для более полного охвата разных сегментов рынка (в том числе и тех, где ранее использовался XScale) была придумана концепция «малых ядер» — линейка Atom. От разнообразия операционных систем тоже не осталось и следа: что-то ушло к «Wintel», что-то досталось бесплатному Linux, со временем покончившему со всеми коммерческими реализациями Unix.
В перспективе ситуация снова может измениться — благодаря тому, что подрос ARM. Началось это с мобильного рынка, сейчас дошло уже и до ПК с ноутбуками, и ничего неожиданного в этом нет. Как говорили в Intel лет пять назад: «Рано или поздно мы где-то встретимся — но считаем, что наше положение в этот момент будет лучше благодаря лидерству в техпроцессах». Однако позднее как раз с техпроцессами не все оказалось гладко, так что в какой-то степени именно ARM пришел на встречу более подготовленным.
В общем, изменится ли что-то глобально в ближайшее время — только время и покажет. Главный момент: существуют ниши, для которых в принципе не требуются процессоры с топовыми характеристиками, а также нет необходимости в глобальной совместимости программного обеспечения. Например, идущий во многих странах (в том числе и в России) процесс импортозамещения ПО, используемого в государственных органах, по понятным причинам ориентирован на местные разработки, включая и операционные системы. Разработать ОС с нуля непросто, однако и не обязательно: в реестре отечественного ПО есть уже несколько [условно] «местных» ОС на базе Linux. Прикладное программное обеспечение может делаться под такой Linux, причем приложения общего назначения (типа офисных) — на базе существующего СПО, а уж разворачивание сложных информационных систем можно осуществлять и с нуля.
Да, нужно понимать, что ПО-то может быть полностью российским, а вот с полностью российским оборудованием все на данный момент гораздо сложнее. Но, опять же, проблему выпуска готовых продуктов имеет смысл решать только в том случае, когда вообще есть что выпускать. А оно есть — и даже работает.
Байкал-M — интегральная схема отечественного производства
О начале разработки этих процессоров стало известно в середине 2010-х, хотя сама компания стала известна широкой публике чуть позднее — вместе с анонсом Байкал-Т1. Этот процессор основывался на MIPS-архитектуре, имел всего пару ядер и во многом оказался пробным камнем. Но все-таки он использовался в некоторых проектах — например, первым продуктом на его основе оказалась система управления станками с ЧПУ. Моноблоки на Байкал-Т1 тоже демонстрировались, но для такого применения чип все-таки был слабоват уже на момент выхода. Да и лучшие годы MIPS кончились еще в упомянутые 90-е — сейчас уже сложно ожидать для этой архитектуры нормальную поддержку со стороны производителей софта.
Так что сразу после сертификации компания объявила о том, что готовятся еще три новых чипа. Два из них представляют собой упрощенные модификации Байкал-М, в котором периферии оказалось. несколько избыточно для типового рабочего места, например. В итоге под нож частично пошла сетевая поддержка, линии PCIe, а в младшей модели — и часть процессорных ядер. Последнее тоже не страшно: все равно в интерактивной работе загрузить их все нечем, а бо́льшую часть времени система ждет действий пользователя. Зато тот же Байкал-М/2 компактнее, а стало быть — и дешевле в производстве.
Первоначальная модель Байкал-М не пропадет: она может оказаться отличной основой для микросервера или NAS, которые отечественным компаниям тоже нужны. Не сказать, что это очень большой рынок, но с учетом его специфики тут есть возможность даже на глобальный рынок выйти: все равно основную стоимость составляет программное обеспечение (которое можно писать на месте), а в бюджетных моделях обычным делом является использование процессоров с парой ARM-ядер и с одним гигабитным сетевым интерфейсом. Что-нибудь подобное Байкал Электроникс недавно пообещал разработать на замену Байкал-Т1, поскольку на перспективу лучше все-таки ограничиться одной архитектурой процессоров для всех сегментов — от тех же станков до серверов. Кстати, на серверное применение ориентирован также анонсированный прошлой осенью Байкал-S: уже 16-нанометровый процессор на 48 ядрах ARM-Cortex A75 и с кучей периферийных контроллеров. И с тремя межпроцессорными интерконнектами — что позволяет на одной плате совместно работать и четырем таким устройствам с соответствующим масштабированием производительности. Энергопотребление получается более серьезным, до 120 Вт, но по меркам серверного рынка это немного.
В общем, в планах компании полный охват всего необходимого спектра микропроцессоров: от простых и компактных встраиваемых двухъядерных моделей через персональные компьютеры и до серверов. Наработки для всего этого есть. Они базируются на импортных лицензиях, да и производство локализовать пока невозможно, но, как уже говорилось, с чего-то начинать все равно нужно. Байкал-S, Байкал-М/2 и Байкал-М/2+ «в железе» должны появиться в следующем квартале этого года. А вот Байкал-М уже доступен заказчикам. Равно как и прототипы систем на нем — с одним из которых нам удалось близко познакомиться.
Прочие компоненты
На одном кристалле Intel Core M расположен также узел контроллера платформы PCH с интеллектуальным управлением электропитанием, поддерживающий PCIe NAND, PCIe 2.0 (12 каналов x1,x2 или x4) и два дополнительных порта USB 2.0. Интегрированный контроллер памяти поддерживает технологии Intel® Fast Memory Access и Intel® Flex-Memory Access. Экономия электроэнергии обеспечивается с помощью таких решений, как условное самообновление, динамическое понижение напряжения и отключение неиспользуемой системной памяти посредством четырех отключаемых модулей. Поддерживается оперативная память DDR3L или LPDDR3 частотой 1600 МГц или 1333 МГц, разделенная на 2 канала.
Intel® HD Graphics 5300
Новый компонент семейства Intel HD Graphics, графический процессор Intel HD Graphics 5300, работает с начальной базовой частотой 100 МГц, которая динамически повышается до 800 МГц (850 МГц в модели 5Y70). Отметим поддержку технологий Intel® Quick Sync Video (кодирование и пост-обработка мультимедиа и приложений с интенсивной нагрузкой на графическую подсистему), Intel® In Tru™ 3D, Intel® Clear Video HD, а также Intel® Flexible Display Interface (Intel® FDI). ГП Intel HD Graphics 5300 поддерживает подключение трех экранов (интерфейсы eDP/DP/HDMI). В HD Graphics 5300 используется процессор GT2 этого семейства (189 млн транзисторов), в нем содержится 24 шейдерных модуля, 4 модуля наложения текстур и 1 модуль вывода отрисованного изображения. Поддерживаются DirectX* 11.1 и более поздних версий, OpenGL* 4.2, OpenCLTM 2.0, Shader Model 5.0. Графический процессор способен выдавать изображение с разрешением вплоть до UltraHD (3840 x 2160) по интерфейсу HDMI при 24 Гц.
Тестирование показало, что преобразование видео высокой четкости с помощью Cyberlink* MediaEsspresso* выполнялось на 80 % быстрее, чем на процессоре Core i5 предыдущего поколения, а скорость в играх (3DMark* IceStorm Unlimited v 1.2.) увеличилась на 40 %. При этом система с процессором Intel Core M проработала от аккумулятора на 1,7 ч дольше (при локальном воспроизведении видео и аккумуляторе 35 Вт-ч).
Рисунок 5. Intel® HD Graphics 5300
(Все тесты проведены на эталонных платформах Intel с 4 ГБ двухканальной памяти LPDDR3-1600 (2 модуля по 2 ГБ) с твердотельным накопителем Intel объемом 160 ГБ с операционной системой Windows 8.1. В системе с процессором Core M использовался BIOS версии 80.1, в системе с процессором Core i5-4302Y (предыдущего поколения) — BIOS версии WTM137. В обеих системах использовался драйвер Intel® HD Graphics версии 15.36.3650, а тепловая мощность составляла 4,5 Вт. Другие параметры: системная политика управления электропитанием: сбалансированная, адаптер беспроводной сети: включен, емкостью аккумулятора: 35 Вт-ч).
- Технология Intel® Display Power Savings (Intel DPST) 6.0, снижающая уровень подсветки при одновременном увеличении контрастности и яркости.
- Технология Intel® Automatic Display Brightness, использующая датчик на передней панели устройства для регулировки яркости экрана в соответствии с уровнем освещения.
- Технология Intel® SDRRS (Seamless Display Refresh Rate), снижающая частоту обновления экрана при низком уровне заряда аккумулятора.
- Технология Intel® Rapid Memory Power Management (Intel® RMPM), обеспечивающая автоматическое обновление памяти из состояний с пониженным потреблением электроэнергии
- С-состояние модуля отрисовки графики (RC6), снижающее напряжение шины питания при отсутствии нагрузки.
- Технология Intel® Smart 2D Display (Intel® S2DDT), уменьшающая количество операций чтения из памяти для обновления отображения работает только в одноконвейерном режиме, непригодна для использования с трехмерными приложениями).
- Технология Intel® Graphics Dynamic Frequency, динамически увеличивающая частоту и напряжение ГП при необходимости.
Беспроводной адаптер Intel® Wireless-AC7265 2-го поколения
В семействе процессоров Intel Core M также реализованы более скоростные адаптеры WLAN (производительность повышена на 15—100 %) при сниженных на 70 % габаритах за счет использования типоразмера M.2 1216. По сравнению с двухдиапазонным адаптером Intel® Wireless-A7260, у AC7265 значительно повышена надежность каналов, расширено покрытие, поддерживается больше одновременно подключенных устройств и есть возможность потоковой передачи видео с разрешением 1080p. При этом новый беспроводной адаптер расходует на 50 % меньше электроэнергии в состоянии бездействия (4 мВт) и на 30 % при работе (8 мВт при просмотре веб-страниц).
Intel® Wireless-AC7265
Примечание. Корпорация Intel планирует внедрить возможность беспроводной стыковки с помощью WiGig в семейство Intel Core M в 2015 году.
Intel® Wireless Display 5
- HDCP 2.2
- Адаптивное масштабирование и кадровая скорость
- UoIP: многоточечный сенсорный экран и управление жестами
- Встроенный диспетчер Intel® Update Manager для удобного обновления драйверов
- Поддержка всех полноэкранных игровых форматов DX9/DX11 с определением игрового режима
- В комплект входит программное обеспечение Intel WiDi Remote для управления несколькими окнами при одновременном выводе изображения на два экрана
- Дополнительные функции Intel Pro WiDi, предназначенные для использования в конференц-залах
- DCM (режим раздельных каналов)
- Экран конфиденциальности
- Изоляция WPAN
- Управляемость
Технология Intel® Smart Sound
В узел контроллера платформы РСН интегрирован новый, более мощный цифровой сигнальный процессор I2S. Технология Intel Smart Sound (Intel® SST) снижает потребление электроэнергии за счет разгрузки ЦП системы: сигнальный процессор берет на себя задачи по обработке звука и поддерживает декодирование MP3/AAC, пост-обработку Waves* и DTS*, а также пробуждение по голосовой команде. Для Intel SST необходимо использовать кодек I2S.
?Будь в курсе последних новостей из мира гаджетов и технологий
Современные техпроцессы — грандиозный обман: разбираемся в маркетинговых тонкостях процессоров
Мы уже привыкли, что помимо ядер и частот многие производители указывают и даже хвастаются техпроцессом, по которому был произведен чип. Более того, эта величина считается лучше, если она меньше — редкость для «железа». Но что это такое, техпроцесс? Как он считается? Застряла ли Intel на самом деле на 14 нанометрах? Давайте разбираться.
Минутка физики
Разумеется, без теории нам сегодня не обойтись. Итак, что же такое процессор? Грубо говоря, это скопление миллионов и миллиардов транзисторов, конденсаторов и резисторов в определенных комбинациях. Нам интересны только транзисторы — именно благодаря им наши процессоры могут выполнять вычисления.
Каким образом? Транзистор по сути — это переключатель. Если ток через него не течет, то это можно обозвать логическим нулем. Течет — единицей. Бинго, мы получили простейшую двоичную логику. И если у одного транзистора может быть только два состояния, то у двух — уже четыре, а у десяти — больше тысячи. Вот и получается, что современные CPU с миллиардами транзисторов позволяют обсчитывать все что угодно, начиная от физики в играх и заканчивая моделированием черных дыр.
Но что-то мы отвлеклись. Итак, нам нужно создать транзисторы. Много транзисторов. Не вдаваясь глубоко в подробности, получаются они путем фотолитографии: свет определенной длины волны проходит через маску и оставляет на заготовке след, который собственно и является транзистором. На деле там все куда сложнее, но это уже тема для отдельной статьи.
И вот тут мы сталкиваемся с проблемой: разрешающая способность фотолитографического оборудования конечна — но, разумеется, постоянно увеличивается. Поэтому нужно было ввести параметр, который позволял бы сравнивать процессоры, созданные различными производителями на различном оборудовании.
Процесс фотолитографии.Так и был введен техпроцесс. И нет, он показывает не размер транзистора, как многие думают. По сути он показывает технологический предел оборудования — то есть минимальный «штрих», который лазер через маску можно оставить на заготовке. И в случае с транзисторами он совпадал с самой тонкой их частью — затвором.
Логика тут проста: если у вас есть сверло на 10 мм, вы никак не сможете сделать дырку в 5 мм. А вот в 15 или 20 мм — без проблем. С фотолитографией все аналогично: если разрешающая способность вашего оборудования, допустим, 5 микрометров (5 мкм, 5000 нм), то вы не сможете сделать затвор транзистора меньше этой величины. А сам транзистор при этом, разумеется, будет в разы больше.
Почему такой параметр как техпроцесс важен? Да потому что он по сути показывает общую технологичность процессора: чем меньше техпроцесс, тем больше транзисторов можно поместить на той же площади — а, значит, тем быстрее будет работать процессор. Более того, чем меньше транзистор, тем меньше он требует энергии для работы и тем меньше выделяет тепла.
История техпроцессов
Разумеется, на заре создания процессоров никаких проблем с уменьшением техпроцесса не было: даже не меняя лазеры, которые изначально работали на длине волны в 700 нм (красный свет), можно было уменьшать сами маски, что позволило увеличить разрешающую способность оборудования — а, значит, уменьшить затворы транзисторов — более чем в 3 раза, с 10 до 3 мкм, всего за четыре года, с 1971 по 1975-ый.
Что интересно, так как техпроцесс в те годы был больше длины волны видимого света (сотни нанометров), то можно было в микроскоп разглядеть отдельные транзисторы, например, первого коммерческого процессора Intel 4004, который работал на частоте всего 500-740 кГц:
В дальнейшем пришлось перейти на фиолетовые лазеры (400 нанометров), продолжать играться с масками, но в общем и целом никаких проблем не было: к 1985 году была преодолена планка в 1 мкм, а начало нового тысячелетия мы встретили со 130-нм процессорами с частотой выше 1 ГГц, вмещающими в себя сотни миллионов транзисторов, которые в обычный микроскоп уже не разглядишь.
Первые проблемы
Я не просто так заострил внимание на 130 нанометрах — это был последний техпроцесс, который позволял сравнивать чипы различных компаний между собой и с предшественниками, чтобы оценить энергоэффективность и рост производительности.
Первый звоночек прозвучал в начале нулевых при переходе к якобы 90-нм техпроцессу. Да, это первый условный техпроцесс: 90 нм, которые мы можем встретить в Pentium 4, указывали уже не на разрешение фотолитографического оборудования, а на то, что площадь транзистора уменьшилась вдвое по сравнению с предыдущим 130-нм техпроцессом.
А раз площадь уменьшилась вдвое, то линейные размеры должны снизиться примерно в 1.4 раза. И если вы поделите 130 на 90, то столько и получите. И 90 при делении на 65 даст тоже самое, как и деление 65 на 45. Короче говоря, пошел откровенный «подгон» под закон Мура, который говорит нам о том, что число транзисторов на интегральной схеме удваивается раз в 2 года.
Иными словами, от абсолютно четкого параметра — затвора транзистора, который точно задает «качество» литографического оборудования — в начале нулевых производители перешли к линейным размерам транзисторов, что в общем и целом является достаточно размытым показателем, который слабо связан с затвором транзистора, что исказило саму суть техпроцесса.
В итоге ближе к концу нулевых мы получили грустную картину: вроде и AMD, и Intel производят свои процессоры на схожих техпроцессах в 45 и 40 нм, да вот только Core 2 Duo оказываются гораздо энергоэффективнее Athlon на схожих частотах, что лишний раз доказывает «маркетинговость» техпроцессов уже тогда.
Отказ от понятия «техпроцесс»
Глядя на все это безумие, инженеры, которые любят четкие физические величины, в рамках «Международного плана по развитию полупроводниковых технологий» взяли и вообще отказались от техпроцесса как от технологической переменной. Иными словами, начиная аж 2009 года указанные производителями техпроцессы — чисто маркетинг, нередко без всякой физической подоплеки.
Однако еще пару лет все продолжалось как и раньше — собственно, зачем менять то, что работает? Площади транзисторов все также получалось уменьшать, чтобы соответствовать закону Мура, поэтому производители продолжали делить старые техпроцессы на 1.4 и писать новые значения.
Второй звоночек прозвенел в начале 2010-ых: если 32-нм техпроцесс еще получилось сделать, то вот переход к 22 нм вовремя вызывал уже серьезные проблемы. Решением стал переход из 2D в 3D: если снижение размера затвора ниже ~30 нм приводило к тому, что разрушался сам транзистор (он начинал пропускать ток тогда, когда не надо — через такую «узкую» преграду могли туннелировать электроны), то почему бы не сделать путь для электронов длиннее, выставив на их пути кремниевый гребень?
Так и родилась технология FinFET, что дословно переводится как «плавниковый полупроводниковый транзистор». Теперь вместо того, что бежать по прямой, электронам приходилось огибать гребень (зеленый путь на схеме ниже):
При этом, как можно заметить, физические размеры затвора транзистора не изменились, а раз теперь эффект туннелирования преодолен — можно продолжать уменьшать затвор и дальше, что все с радостью и продолжили делать.
Однако проблема в том, что это убивает определение техпроцесса. Насовсем. Все дело в том, что даже если фотолитографическое оборудование может создавать меньшие линейные затворы транзисторов, их все равно делают длиннее за счет трехмерного расположения, дабы не было туннелирования. И за счет 3D сам затвор и собственно транзистор оказываются меньше. То есть теперь техпроцесс совершенно не связан с разрешающей способностью оборудования.
Современные техпроцессы: маркетинг на маркетинге
В итоге такая путаница развязала руки маркетологам. Это наложилось в том числе и на то, что даже с ухищрениями типа FinFET мы с каждым годом все ближе к предельным возможностям кремния, и создавать более компактные транзисторы (и их затворы) становится все сложнее.
Как итог, сейчас техпроцессы компании считают так, как им удобнее. Кто-то продолжает по старинке считать занимаемую площадь (ага, трехмерного транзистора — ощутили достоверность?), кто-то считает техпроцесс по количеству транзисторов (ближе к правде, но все еще из-за трехмерной структуры не то) — короче говоря, я просто оставлю схему ниже:
Хорошо заметно, что 10-нм техпроцесс Intel на самом деле не так и плох, как его малюют: он ощутимо лучше 10-нм техпроцесса TSMC и даже по некоторым параметрам лучше тайваньских 7 нм! Так что Intel даже меньше лезет в маркетинг, чем TSMC.
Временами бывает еще забавнее: ниже показано сравнение затворов транзисторов у 14-нм процессоров Intel и 7-нм решений AMD (это опять TSMC). Хорошо видно, что разница минимальна, 24 против 22 нм. Иными словами, TSMC приукрашивает реальность аж в 3 раза!
Безрадостное будущее
Думаете это все? Да как бы не так: Intel планирует перейти от FinFET к HNS, Horizontal NanoSheets, горизонтальным нанолистам. Грубо говоря, это сравнимо с обработкой одним ядром сразу двух логических потоков — теперь в одном транзисторе «гребень» разделится на несколько частей:
Думаю, вы уже поняли, что заикаться про техпроцесс тут не имеет абсолютно никакого смысла. Понятно что производители нарисуют нам и 3 нм, и 2, и может даже меньше — никакой связи с физикой тут не будет и близко.
Итог — не верьте нанометрам
Что в результате? Аж 20 лет назад техпроцессы перестали привязываться к «железу». 10 лет назад техпроцесс вообще перестал быть физической величиной. Так что в будущем, когда на презентациях вам будут вещать о новых инновационных 3-нм процессорах — улыбнитесь и дождитесь тестов, которые точно расставят все точки над i.
Программная составляющая
Посмотреть на то, что работает и доступно из коробки, тем не менее, было интересно. По умолчанию нас встретила Astra Linux Special Edition — действительно специфическая система, рассчитанная на обеспечение защиты обрабатываемой информации вплоть до уровня гостайны включительно. То есть основные потенциальные потребители — объекты КИИ, силовые ведомства (Минобороны, например, или ФСБ), которыми данный релиз полностью сертифицирован. При этом системой давно уже заинтересовались в «Газпроме», Росатоме, РЖД и не только.
В 2014 году компания Байкал Электроникс приобрела лицензию на самое передовое на тот момент процессорное ядро. После череды инцидентов, повлиявших на дальнейший исход событий, в октябре 2019-го года компания официально представила широкой общественности первый российский процессор общего назначения, реализованный на архитектуре ARM. Создатели решают назвать своё уникальное отечественное детище «Baikal-М».
Байкал М
Воплотивший в себя труд около 50 инженеров и три года разработки в октябре 2020 года был признан Минпромторгом микросхемой второго уровня, произведённой на территории Российской Федерации.
В соответствии с действующей нормативной базой, разработчик российской микросхемы второго уровня обязан обладать правами на его конструкторскую документацию, а проектирование, разработка и испытания микросхем должны происходить в границах нашей страны. От микросхем первого уровня они принципиально отличаются только тем, что их непосредственное производство осуществляется за рубежом. Сегодняшнее положение дел в России таково, что ни одна процессорная разработка малой топологии получить статус первого уровня не может по определению — у нас просто нет соответствующих производственных мощностей.
В 2017 году Михаил Сваричевский осуществлял вскрытие микропроцессора Байкал Т - предыдущей разработки Байкал Электроникс на архитектуре MIPS. Сейчас у нас появилась уникальная возможность взглянуть в полной мере на свеженький Байкал-М, - одну из самых значимых процессорных разработок в России за последние годы.
Итак… Байкал М1000 – микропроцессор общего назначения, изготовленный по 28 нанометровым технологическим нормам на заводах тайваньской компании TSMC с использованием десяти металлических слоёв и включающий в себя более двух миллиардов транзисторов. Максимальный TDP Байкал М составляет 35 Ватт.
Кристалл микропроцессора Байкал М
Процессор выполнен в форм-факторе BGA с размерами подложки 40 на 40 миллиметров. Каждый BGA-контакт отвечает за питание и функционирование конкретного элемента на кристалле. У Байкал Электроникс есть достаточно подробный даташит на официальном сайте. Посмотрев карту BGA-контактов, можно без труда определить расположение функциональных блоков.
Сняв теплораспределительную крышку, мы видим кристалл с нанесенной на него термопастой.
Площадь кристалла процессора составляет 248,78 квадратных миллиметров. Размер чипа без, так называемых «scribes lines», - областе́й по периметру чипа, являющихся «мусором» - 239,97 квадратных миллиметров.
Когда на кремниевой пластине уже «напечатаны» будущие чипы, её необходимо разрезать на отдельные составные части. Между топологией каждого кристалла есть специальные разделительные дорожки, по которым осуществляется резка. После разделения остатки разделительных дорожек остаются на кристалле, их размер настолько мал, что производители, указывая площадь микросхемы, зачастую пренебрегают этими значениями.
Кристалл, как и большинство современных микропроцессоров, имеет по всей площади контакты, часть которых отвечает за подачу питания по всей поверхности чипа, часть за высокоскоростные и низкоскоростные интерфейсы и тд…
Если приблизить микросхему к нижнему левому углу – можно увидеть логотип компании Байкал и год изготовления микросхемы.
После снятия металлизации мы подобрались к самому интересному – структурным элементам.
Бесстыдная красота всех его внутренностей
Структурные элементы Байкал М
По всему периметру чипа расположены блоки мониторинга, полюбоваться строением которых мы можем чуть ближе.
Один из блоков мониторинга
В центральной части чипа расположена когере́нтная сеть кэша CoreLink Cache Coherent Network (CCN), использующаяся с восемью мегабайтами системного кэша третьего уровня (L3). Байкал М использует CCN 504, которая может обеспечить размещение до четырёх процессорных кластеров, (в каждом по 4 ядра) и максимальную поддержку до шестнадцати мегабайт кэша третьего уровня. CCN организовывает согласованную работу всех интерфейсов на кристалле, своего рода Infinity Fabric от AMD.
Два контроллера памяти, работающих в 72 битном режиме (8 бит из которых составляет память с коррекцией ошибок, ECC), поддерживают работу со стандартами DDR3-1600 и DDR4-2400.
В правой нижней части чипа расположен комплекс из 16 линий PCI-e 3.0 вместе с контроллером, система управления различными интерфейсами.
В верхней правой части чипа находятся остальные периферийные блоки: два десяти-гигабитных Ethernet интерфейса, а также USB 2.0 и 3.0, интерфейсы SATA с сопутствующими им контроллерами.
Слева от системного кэша между двумя процессорными кластерами расположен блок аппаратного декодирования видео HDMI/LVDS. Этот интерфейс позволяет воспроизводить видео в разрешении 2560 на 1440 при 60 Гц.
Ммдаа… процессор сложная штука. Действительно на грани возможного. Это полезно вспомнить, когда в запале очередного спора возникает желание назвать сотрудников Байкал или МЦСТ придурками. Подумайте, какой интеллектуальный труд стоит за разработкой даже не самого быстрого процессора.
Полупроводниковая индустрия – самая сложноустроенная инфраструктура в мире. Мы привыкли думать, что самая сложная индустрия – это космос, но космическую ракету одна страна самостоятельно сделать может, а современный чип – нет. Сейчас на TSMC стоят самые высокотехнологичные степперы по полупроводниковой литографии в мире уже по технологии 5 нанометров и всё идёт к тому, что 3 и даже 2 нанометра тоже будут. Помимо всего прочего у одной такой фабрики есть целая сеть поставщиков ресурсов, необходимых для производства микросхем. Плюс там есть специализированное программное обеспечение, роботы, высококвалифицированные специалисты. Есть голландская ASML, есть американская Applied Materials, есть французская Air Liquide, японские производители фоторезистов… И всё это собирается воедино в сложном огромном производстве. Учитывая это, можно ответить на вопрос: "Возможна ли технологическая авта́ркия?" Нет, невозможна. Сделать полностью обособленное производство внутри страны нельзя.
В 60-х годах каждая компания должна была сама себе обеспечить производство. Потом появились разработчики софта, выделились производители IP-блоков. Постепенно количество фабрик стало сокращаться. Каждый следующий этап становился на порядки дороже, чем предыдущий. Помимо всего прочего, инвестиции TSMC в семь нанометров измеряются в десятках миллиардов долларов. И все понимают, что окупить инвестиции можно только при огромном объеме, что нужно всем делать этот объем в одном месте и тогда получить лучшую цену.
В мире есть долгоживущие технологии, например, 90 нанометров. Многие компании разворачивают производство на старых техпроцессах, поскольку в рамках того производства, которым они занимаются, использование экстремально тонких технологических норм нецелесообразно по многим аспектам.
Если мы понимаем, что будем производить на этой фабрике сотни тысяч пластин в месяц (а сотни тысяч пластин по семь нанометров – это миллионы или даже десятки миллионов чипов), если мы понимаем, кто будет к нам приходить, чтобы там производиться, наверное, об этом есть смысл говорить. Семь нанометров вы не отправите в космос, семь нанометров вы не поставите в автомобиль, семь нанометров не будете использовать в бытовой технике. Семь нанометров необходимы там, где нужна максимально низкая норма энергопотребления и экстремально высокая производительность.
Фотографии кристалла процессора Байкал М, сделанные Fritzchens Fritz в полном качестве:
Благодарю Locuza за опознание функциональных блоков на чипе.
Intel Core M — первые процессоры, которые будут изготавливаться на основе 14-нм технологии. Размер кремниевого кристалла удалось сократить более чем на 30%, хотя количество транзисторов увеличилось более чем на 300 миллионов. Процессоры Intel Core M отличаются сниженной потребляемой мощностью и выделяют меньше тепла. У трех моделей этого семейства, выпуск которых начался в IV квартале 2014 года, тепловая мощность составляет всего 4,5 Вт. Это означает, что для охлаждения этих процессоров не нужен вентилятор. Эти процессоры позволят добиться высокой производительности в самых тонких устройствах (толщиной менее 9 мм), включая планшеты и трансформеры.
Рисунок 1. Сравнение процессоров Intel Core M с пониженным потреблением электроэнергииНа графике слева на рис. 1 показано снижение тепловой мощности с 18 Вт в 2010 году до 4,5 Вт в процессоре Intel Core M. Это четырехкратное снижение за 4 года и снижение на 60 % по сравнению с 2013 годом. Справа на рис. 1 показано сравнение размеров процессора Intel® Core™ 4-го поколения с новым процессором Intel Core M. За счет уменьшения площади процессора примерно на 50 % удалось уменьшить место, занимаемое процессором на плате, примерно на 25 %.
Процессоры Intel Core M по своим габаритным размерам меньше процессоров Intel Core 4-го поколения. При этом двумя ядрам Intel Core M предоставляется кэш объемом 4 МБ. За счет технологии гипертрединга Intel® поддерживается одновременное выполнение четырех потоков. Благодаря технологии Intel® Turbo Boost 2.0 частота ядер может повышаться с 0,8 ГГц до 2 ГГц,
а у процессоров Intel Core M 5Y70 — с 1,1 ГГц до 2,6 ГГц.
Код процессора Частота ядра (ГГц) Максимальная частота (ГГц) 5Y70 1,1 2,6 5Y10 0,8 2,0 5Y10A 0,8 2,0 Функциональных ядер:.2 Тепловая мощность: 4,5 Вт
Встроенных графических ядер: 2 Кэш: 4 МБВ едином кристалле с 1,3 млрд транзисторов реализованы ЦП, ГП, контроллер памяти, звуковой контроллер и сетевые интерфейсы, поэтому не следует ожидать снижения производительности. Более того, сравнение с процессором предыдущего поколения Intel® Core™ i5-4320Y показало значительный прирост производительности.
Рисунок 3: Рост производительности процессора Intel Core M 5y70 по сравнению с Intel Core i5-4302YТехнология электропитания
- Технология Intel® Turbo Boost 2.0 включает модуль отслеживания электропитания, вычисляющий мощность ядер ЦП и ГП, а также модуль управления электропитанием, направляющий электроэнергию туда, где она нужна.
- Расширенная технология Intel SpeedStep® с поддержкой C-состояний C0, 1, 1E, 3 и 6—10 обеспечивает наименьшее потребление электропитания в состоянии бездействия. Если требуется увеличить вычислительную мощность, процессор повышает напряжение для быстрого переключения. При включенном гипертрединге это переключение происходит на уровне потоков.
- Обработка прерываний оптимизирована с точки зрения электропитания за счет применения X2 APIC и PAIR (маршрутизация прерываний с учетом электропитания): состояние ядер проверяется, чтобы избежать пробуждения ядер, находящихся в состоянии глубокого сна.
В прочих компонентах также улучшены возможности управления электропитанием, об этом см. в соответствующих разделах ниже.
Байкал-M — интегральная схема отечественного производства
О начале разработки этих процессоров стало известно в середине 2010-х, хотя сама компания стала известна широкой публике чуть позднее — вместе с анонсом Байкал-Т1. Этот процессор основывался на MIPS-архитектуре, имел всего пару ядер и во многом оказался пробным камнем. Но все-таки он использовался в некоторых проектах — например, первым продуктом на его основе оказалась система управления станками с ЧПУ. Моноблоки на Байкал-Т1 тоже демонстрировались, но для такого применения чип все-таки был слабоват уже на момент выхода. Да и лучшие годы MIPS кончились еще в упомянутые 90-е — сейчас уже сложно ожидать для этой архитектуры нормальную поддержку со стороны производителей софта.
Так что сразу после сертификации компания объявила о том, что готовятся еще три новых чипа. Два из них представляют собой упрощенные модификации Байкал-М, в котором периферии оказалось. несколько избыточно для типового рабочего места, например. В итоге под нож частично пошла сетевая поддержка, линии PCIe, а в младшей модели — и часть процессорных ядер. Последнее тоже не страшно: все равно в интерактивной работе загрузить их все нечем, а бо́льшую часть времени система ждет действий пользователя. Зато тот же Байкал-М/2 компактнее, а стало быть — и дешевле в производстве.
Первоначальная модель Байкал-М не пропадет: она может оказаться отличной основой для микросервера или NAS, которые отечественным компаниям тоже нужны. Не сказать, что это очень большой рынок, но с учетом его специфики тут есть возможность даже на глобальный рынок выйти: все равно основную стоимость составляет программное обеспечение (которое можно писать на месте), а в бюджетных моделях обычным делом является использование процессоров с парой ARM-ядер и с одним гигабитным сетевым интерфейсом. Что-нибудь подобное Байкал Электроникс недавно пообещал разработать на замену Байкал-Т1, поскольку на перспективу лучше все-таки ограничиться одной архитектурой процессоров для всех сегментов — от тех же станков до серверов. Кстати, на серверное применение ориентирован также анонсированный прошлой осенью Байкал-S: уже 16-нанометровый процессор на 48 ядрах ARM-Cortex A75 и с кучей периферийных контроллеров. И с тремя межпроцессорными интерконнектами — что позволяет на одной плате совместно работать и четырем таким устройствам с соответствующим масштабированием производительности. Энергопотребление получается более серьезным, до 120 Вт, но по меркам серверного рынка это немного.
В общем, в планах компании полный охват всего необходимого спектра микропроцессоров: от простых и компактных встраиваемых двухъядерных моделей через персональные компьютеры и до серверов. Наработки для всего этого есть. Они базируются на импортных лицензиях, да и производство локализовать пока невозможно, но, как уже говорилось, с чего-то начинать все равно нужно. Байкал-S, Байкал-М/2 и Байкал-М/2+ «в железе» должны появиться в следующем квартале этого года. А вот Байкал-М уже доступен заказчикам. Равно как и прототипы систем на нем — с одним из которых нам удалось близко познакомиться.
Обзор линейки процессоров Intel Core m
Немногим больше 8 лет назад Стив Джобс представил Macbook Air — устройство, которое открыло новый класс портативных ноутбуков — ультрабуков. С тех пор различных ультрабуков вышло множество, однако у всех была одна общая черта — низковольтные процессоры с тепловыделением (TDP) в 15-17 Ватт. Однако в 2015 году, с переходом на 14 нм техпроцесс, Intel решили пойти еще дальше, и представили линейку процессоров Core m, которые имеют TDP всего 4-5 Вт, однако должны быть сильно мощнее линейки Intel Atom с аналогичным TDP. Основная особенность новых процессоров — они могут охлаждаться пассивно, то есть из устройства можно убрать кулер. Но увы — убирание кулера принесло достаточно много новых проблем, о которых и поговорим ниже.Сравнение с ближайшими конкурентами
И хотя уже вышли процессоры на Kaby Lake, их тестов пока еще нет, так что ограничимся предыдущей линейкой, Skylake — с технической точки зрения разница между ними невелика. Для сравнения возьмем три процессора — Intel Atom x7-Z8700, как один из самых мощных представителей линейки Atom, Intel Core m3-6Y30 — самый слабый Core m (в дальнейшем объясню, почему не стоит брать более мощные), и Intel Core i3-6100U — популярный представитель самой слабой линейки «полноценных» низковольтных процессоров:Процессор Atom x7-Z8700 Core m3-6Y30 Core i3-6100U Архитектура Cherry Trail Skylake Skylake Техпроцесс, нм 14 14 14 Количество ядер/потоков 4/4 2/4 2/4 Частота базовая/Turbo Boost, ггц 1.6/2.4 0.9/2.2 2.3/2.3 Тепловыделение, Вт ~4 4.5 15 Видеоядро Intel Gen8, 16 EU Intel Gen9, 24 EU Intel Gen9, 24 EU Частота видеоядра до 600 мгц до 850 мгц до 900 мгц Стоимость процессора, $ 37 281 281
Получается интересная картина — с физической точки зрения Core m3 и i3 абсолютно одинаковы, различаются лишь максимальные частоты графики и процессора, при этом теплопакет различается втрое, чего в общем-то быть не может. Atom имеет тот же TDP, что и Core m3, сравнимые частоты, но 4 физических ядра. При этом ядер хоть и больше, но они сильно урезаны по возможностям для уменьшения тепловыделения: к примеру, i5-6300HQ с 4 «полноценными» физическими ядрами с такими же частотами имеет TDP на порядок выше - 45 Вт. Поэтому будет интересно сравнить возможности урезанной и полноценной архитектур при одинаковом тепловыделении.Тесты процессоров
Как уже выяснили выше, m3 является по сути i3, зажатым втрое меньший теплопакет. Казалось бы, разница в производительности должна быть как минимум двукратной, однако здесь есть несколько нюансов: во-первых, Intel позволяет Core m не обращать внимание на TDP, пока его температура не достигнет определенной отметки. Это очень хорошо видно при многократном прогоне бенчмарка Cinebench R15:Как видно первые 4 прогона теста процессор набирал порядка 215 очков, а потом результаты стабилизировались на 185, то есть потеря производительности из-за такого «мухлежа» Intel составила порядка 15%. Поэтому брать более мощные Сore m5 и m7 не имеет никакого смысла — после 10 минут нагрузки они снизят производительность до уровня Core m3. А вот результат i3-6100U, рабочая частота которого всего на 100 мгц выше, чем у m3-6Y30, гораздо лучше — 250 очков:
То есть при нагрузке только на процессор разница в производительности между m3 и i3 оказывается 35% — достаточно существенный результат. А вот Atom показал себя с лучшей стороны — хоть ядра и урезаны, но вдвое большее их количество дало возможность процессору набрать 140 очков. Да, результат все еще на 25% хуже, чем у Core m3, однако не забываем про восьмикратную разницу в цене между ними.
Второй нюанс — теплопакет рассчитан и на видеокарту, и на процессор одновременно, поэтому посмотрим на результаты теста 3Dmark 11 Performance: это тест, рассчитанный на ПК среднего уровня (которым и принадлежат наши системы), тестирующий одновременно и процессор, и видеокарту. И тут итоговая разница оказывается такой же, Core m3 оказывается на 30% хуже i3 (потому что Core i3 тоже перестает хватать теплопакета — для работы на максимальных частотах ему нужно порядка 20 ватт):
Intel Core m3-6Y30:Intel Core i3-6100U:
А вот Intel Atom проваливается с треском — результат в 4-5 раз хуже, чем у m3 и i3:
И это, в принципе, ожидаемо — Cinebench тестирует голую математическую производительность процессора и хорошо подходит лишь для сравнения процессоров одной архитектуры, а вот 3Dmark дает разностороннюю нагрузку, гораздо более приближенную к реальной жизни. Однако все еще восьмикратная разница в цене позволяет Atom держаться на плаву.
Энергопотребление
Как видно из тестов выше, трехкратная разница в TDP дает прирост производительности около 35%. Однако это верно только под большой нагрузкой, которая для ультрабуков достаточно редка. Для удобства возьмем два макбука, 12" и 13" 2016 — macOS на разных устройствах оптимизирована одинаково хорошо, и это позволит узнать разницу в энергопотреблении устройств без привязки к операционной системе (да, ниже тестируется энергопотребление всей системы, однако существенный вклад в него дают только экраны и процессоры, и так как первые очень похожи, то весомый вклад в разницу энергопотребления дают только процессоры). И тут разница оказывается. всего полтора ватта в среднем, 7.2 и 8.9 Вт (причем в 13" Macbook стоит процессор мощнее i3-6100U):Что это означает? Это означает то, что при обычной нагрузке оба процессора потребляют всего несколько ватт, и до ограничения по TDP у Core m дело не доходит. Intel Atom показывает сравнимое с Core m3 энергопотребление (для примера взят Microsoft Surface 3, который хорошо оптимизирован для работы с Windows):
Выводы
Что же получается в итоге? Intel Atom — хороший выбор для недорогого планшета или нетбука, на котором ничего тяжелее 1080р60 с YouTube никто запускать не будет. Процессор дешев, и за это ему можно простить разницу в производительности с линейками Core. Intel Core m — хороший выбор для производительного планшета или простого ультрабука. Из-за отсутствия кулера такое устройство будет абсолютно бесшумным, и в обычных задачах ничуть не медленнее более мощных собратьев на Core i. Однако брать его для обработки фото или видео, а уж тем более игр, явно не стоит — производительность быстро упирается в низкий TDP и достаточно сильно снижается даже в сравнении с простым i3. Ну а линейка Core i — хороший выбор для производительного ультрабука. При наличии в системе хотя бы простой дискретной графики такое устройство оказывается на уровне игровых ноутбуков 5летней давности, и позволяет без проблем заниматься как обработкой фото и нетяжелого видео, как и дает возможность поиграть в массовые игры даже не на самых минимальных настройках графики. Однако любая нагрузка выше средней будет приводить к ощутимому шуму небольшого высокооборотистого кулера, что может раздражать любителей работать ночью в тишине.Будь в курсе последних новостей из мира гаджетов и технологий
Персональный компьютер на базе Байкал-М
Скажем сразу: выбор корпуса нас несколько удивил: Thermaltake Suppressor F1 — достаточно пафосное (и недешевое) решение для сборки мощных ПК со всякими излишествами типа дискретных видеокарт. Впрочем, на выставках смотреться будет достаточно эффектно, а для реальных проектов, естественно, будет взято нечто покомпактнее и попроще.
И без такого количества пустого места, разумеется.
Главная идея: это абсолютно стандартная плата Mini-ITX, полностью подходящая ко всей существующей инфраструктуре. Ничего придумывать не нужно — достаточно установить ее в корпус, в слоты вставить 1-2 абсолютно стандартных DDR4 DIMM и найти какой-нибудь SATA-накопитель (можно и NVMe). Из «внешней» периферии потребуются мышь, клавиатура и монитор — но и для них используются стандартные интерфейсы. То есть вполне сравнимо с разнообразными игрушками для рынка «сделай сам», которые недороги, но со стандартными форм-факторами и со стандартной же периферией там не все так уж гладко. Скажем, у них может быть ограничен объем оперативной памяти, обычно просто напаянной на плату — в отличие от обычных DIMM, суммарной емкостью до 64 ГБ, у компьютера на Байкал-М.
Во всяком случае, это верно для существующих на данный момент системных плат линейки TF307 — появившейся в прошлом году TF307-MB-S-C или попавшей к нам в руки TF307-MB-S-D (внешне они практически не различаются, хотя внутренних коннекторов на второй ревизии чуть больше). Отличий от других плат данного форм-фактора с интегрированными процессорами внешне практически никаких — даже аудиотракт по современной моде изолирован.
Производится плата, как и положено, в России, но пока мелкими сериями — в итоге даже заглушку для портов задней панели оказалось проще распечатать на 3D-принтере, нежели заказывать штамповку.
Единственный компонент, производство которого пока невозможно локализовать полностью — сам процессор в BGA-исполнении. Но это не его особенность, а общее положение дел на полупроводниковом рынке: даже такие (уже не слишком новые) техпроцессы доступны на данный момент немногим. С этим тоже со временем придется что-то делать, причем даже безотносительно вопросов обороноспособности и прочего — но пока так: «узким местом» стало именно производство.
Изначально предполагалось «погонять» на системе тесты. В конечном итоге мы от этой идеи отказались. Во-первых, потому, что разработчики, в общем-то, ничего и сами не скрывают — публикуя подробные отчеты. Скорее всего, что-то подобное и пришлось бы повторить, поскольку специальной методики тестирования для Linux-систем у нас все равно нет, равно как нет и какой-то базы результатов для сравнения, так что проделывать такую работу «с нуля» разово уже не слишком интересно. Каких-либо открытий ожидать сложно, а на получение максимальной производительности сам по себе Байкал-М не слишком ориентирован: такую задачу будут решать новые продукты. Имеющийся процессор предназначен в первую очередь для «обычных» рабочих мест с интерактивным программным обеспечением, которому длительные нагрузки несвойственны, так что большую часть времени любой современный процессор находится в энергосберегающем режиме, поскольку система «ждет» оператора. Не слишком современный — тоже; из-за чего в этой сфере до сих пор трудится огромное количество давно закупленных ПК, производительность которых к общему знаменателю приводится очень плохо. Хотя бы потому, что «отзывчивость» системы в большей степени зависит от объема оперативной памяти и типа системного накопителя — так что пожилые ПК зачастую проще поменять, чем модернизировать или продолжать использовать «как есть». А в случае реализации крупных ИТ-проектов большая часть программ вообще может писаться совсем на месте: не просто в стране, а вообще в конкретной крупной организации. Причем делать это в любом случае придется независимо от выбранного оборудования, так что даже проще все изначально оптимизируя под него — с учетом всех особенностей, включая и производительность. Но сравнивать разные системы в данном случае вообще смысла не имеет.
Комментарий представителя Baikal Electronics: «Если смотреть на цифры, то логично сравнивать производительность Baikal-M с близким по времени релиза и со схожей производительностью процессором - Intel Core i3 7300T. В тесте HP Linpack Baikal-M превосходит Intel Core i3 7300T, а в тесте Coremark незначительно ему уступает. Еще один бенчмарк — это 7-Zip, и здесь результаты по обоим процессорам сравнимы. На операциях сжатия, скорость которых сильно зависит от быстродействия операция с памятью и кэшами, Intel Core i3 7300T чуть быстрее, а вот в случае с распаковкой данных уже быстрее Baikal-M. Есть блок задач, где Intel быстрее — это операции с памятью и кэшэм, а также при работе JavaScript-движков и при работе PHP-интерпретатора. Несмотря на то, что для обычных повседневных нагрузок можно найти более привычные конечному пользователю варианты, в случае, когда требуется сертификация аппаратной и программной составляющей и повышенная защищенность, например, для работы в госорганах, Baikal-M — рабочий вариант, справляющийся со всем необходимым спектром задач».
Читайте также: