Создание процессоров на основе архитектуры RISC-V - возможность для инновационного и конкурентоспособного развития отечественных предприятий микроэлектронной промышленности

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, ин-тернет-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 Лес-сар: «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. Процессоро-строение 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 процессо-ростроении архитектуры RISC-V, которая является открытой и получает все большую популярность в современном мире. Будущее архитектуры RISC-V выглядит очень пер- спективным 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.