俄罗斯“芯”酸往事:从行业霸主到无人问津

爱集微 2022/2/26 20:52:36 责编:孤城

环顾当今世界,CPU 领域已形成由美国、中国、俄罗斯、日韩和欧盟构建的“一超多强”体系。但如果钩沉历史,苏联应曾是世界上微电子技术最强大国家之一,甚至一度领先美国。

然而,在苏联解体后,俄罗斯的经济衰退、政治不稳等局势,导致大量科研人才离境前往美国。其中,得益于俄罗斯的技术人才,英特尔迎来发展的黄金时代,从而成为 CPU 领头羊。

整体上,俄罗斯的 CPU 研发经历了“辉煌”、“动荡”、“难产”、“衰败”四个时代。如今,虽然俄罗斯仍在 CPU 领域奋力搏击,但以往风光无限的岁月注定一去不复返。

01 辉煌

1976 年,正值冷战“铁幕时期”。由于承担了研制苏联超级电脑的重任,鲍里斯・巴贝扬的活动范围被局限在苏联境内。因此,酷爱登山的他只好埋头攻坚关键技术。

仅两年后,巴贝扬就率领团队研究出全世界第一台超标量计算机 Elbrus-1。显而易见,这台计算机取名自苏联及欧洲最高峰 —— 厄尔布鲁士(Elbrus)峰。

苏联研制 Elbrus-1 的主要目的是服务于开发飞弹系统、核武器和太空计划等军事工业。巴贝扬称,Elbrus-1 采用的超标量处理器,在运行时会将连续的符号转换为并行符号加速执行。

而这一技术直到 1993 年才在 IBM 研发的 PowerPC 601 上得以应用。这意味着俄罗斯在该技术领域领先美国可达 15 年。

早在 Elbrus-1 的问世前,巴贝扬就因出色的计算机辅助设计工作被授予了“十月革命勋章”。Elbrus-1 诞生后,巴贝扬接着领导第二代产品的设计开发工作。

▲ Elbrus 2 CPU

1987 年,Elbrus-2 研制成功,不仅拥有超标量体系架构,而且还具备支持高级程序语言的新技术。这台计算机有 10 个处理器,每秒运算达 1.25 亿次。

鉴于对 Elbrus-2 及其乱序超标量体系架构的巨大贡献,巴贝扬当年获得政府颁发的“列宁勋章”。这是苏联当时的最高荣誉。

盛名之下,已年届 54 岁的巴贝扬并没有停止探索,并继续率队开发第三代 Elbrus。他提出采用更新的超长指令字(VLIW)架构,即通过一个编译器来确保指令同时在不同的处理器上被执行。

值得注意,在巴贝扬开始研发 Elbrus3 时,苏联还完成了 32 位 El-90 微处理器设计。

这一项目的负责人弗拉基米尔・彭特科夫斯基。他在 Elbrus 研究小组中曾是巴贝扬下属。他参与了 Elbrus-1 与 Elbrus-2 计算机的研发,并主导开发了高级程序语言 El-76。

1990 年,El-90 微处理器的原型问世。这一结构反映出把 RISC 和 Elbrus-2 结合在一起的设计思想,因而具有更强大的兼容性。

02 动荡

随着苏联的政治体制和经济体系遭遇剧变,Elbrus-3 项目的研究经费突然中断。痛心之后,巴贝扬 1992 年成立了 MCST 公司,专注于 VLIW 架构的处理器 Elbrus 2000(E2K)的开发。

面对美国企业纷纷找上门,巴贝扬一概拒绝。但他却答应了 Sun 公司创始人 Scott McNealy 的合作请求。因为在苏联解体前的 1989 年,他已经来“拜访”了巴贝扬。

1992 年,MCST 与 Sun 公司在莫斯科联合建立了 SPARC 技术中心,共同研发处理器架构、操作系统、编译器与多媒体函式库。而这促成了 Sun 后来在处理器上的快速崛起。

不过,在苏联政局动荡下,彭特科夫斯基选择了移民美国。1993 年,凭借强大实力以及把许多 Elbrus 小组开发的先进技术带到了英特尔,彭特科夫斯基晋升为英特尔 CPU 首席工程师。

▲ 弗拉基米尔・彭特科夫斯基

随后,他开始主导 PentiumIIl 的架构研发,其中的重点就是新增 SSE 指令集及改善微架构。然而,Pentium III 处理器的几大特色几乎都与 El-90 微处理器的特征相同。

其中包括:每个时钟周期可以执行两条指令的超标量体系结构;支持两路多重处理、排错;具有支线推算,高性能的管线浮点单元,以及充足的高速缓冲存储器。

另外,1995 年英特尔推出了结构更优的 Pentium Pro 微处理器,而新增的主要特点几乎都是彭特科夫斯基在苏联积累的技能,包括改进的 x86 指令解码器单元和超标量体系结构,推测执行以及无序执行等。

基于此,曾有人推断 Pentium 就是以 Pentkovski 的名字命名。其实彭特科夫斯基到美国后,Elbrus 团队一直都不知道他到底在做什么。直到 1999 年,他的名字才出现在一本技术刊物上。

在技术来源问题上,巴贝扬也曾直言,英特尔的 Pentium Pro 微处理器与俄罗斯超标量体系结构的变体非常相似。“英特尔是第一家采用超标量结构技术的公司,并在后来迎来自己的黄金时代,成为西方世界领头羊。”

03 难产

九十年代中后期,MCST 公司面临人才流失、经费短缺和项目停滞等众多困难。所幸的是,最核心的几位科学家留了下来,从而使项目研发得以延续。

对此,巴贝扬率团队攻坚克难,并于 1999 年成功研制 Elbrus 2000 的处理器 E2K。

该 CPU 可能同时执行 Elbrus VLIW 和英特尔 x86 代码,每一时钟周期可以执行 24 条指令,仅凭 1.2GHz 的工作频率就能带来 10.2GFLOP / s 的运算性能。

这一速度是当时英特尔正准备发布的 Itanium(安腾)服务器芯片的三倍。

虽然 E2K 凭借不可思议的超高效能、超小芯片面积与超低功耗等轰动了业界,但俄罗斯投资者却因为电子设备开发风险大,而不愿意投资 MCST 公司。

为了解决经费及融资问题,巴贝扬在开曼群岛注册了 Elbrus 国际,同时宣称他们需要 6000 万美元和 3 年时间才能完成最终设计,如果只做缩水版处理器则需要 500 万到 1000 万美元。

在四处寻找资金支持者或客户时,巴贝扬还让 MCST 为各种美国公司编写程序。但他没有把所得利润用于扩大编程业务,而是投入处理器的研制。

▲ 鲍里斯・巴贝扬

在巴贝扬看来,处理器是更有价值的东西。“我们比很多美国人更了解微处理器市场”。俄罗斯技术的拥护者为大胆的梦想喝彩,也可能在技术领域取得突破性成就。

后来,巴贝扬一度在俄罗斯总统身上看到了希望。

2000 年 6 月,俄罗斯总统在上台三个月后就批准了《国家信息安全学说》,提出重点开发的关键技术包括:高性能计算机技术、智能化技术和信息攻击与防护技术等。

俄罗斯的高调引起了西方关注。当时美国加州的著名半导体杂志《微处理器报告》,曾做了一篇叫《The Russians Are Coming》的报道深度介绍了 Elbrus 2000 处理器的各项黑科技。

04 衰败

面对来自俄罗斯的竞争,美国科技企业很快开始行动。2002 年,英特尔和惠普联合研发 Itanium 2 处理器,代号“McKinley(麦金利)”。

虽然表示 Elbrus 比麦金利更好,但时移势易,巴贝扬认为“要做到世界第一,就要走出去”。于是,在 Elbrus 2000 成功落地的 2004 年,他决定和 E2K 团队一起加入英特尔。

巴贝扬在英特尔担任的职位是软件和服务部门架构总监,以及英特尔莫斯科研发中心的微处理器研发主管。另外,他还是第二位获得英特尔院士称号的欧洲人。

与此同时,英特尔收购了 MCST 的超标量处理器相关知识产权,进一步巩固了在处理器行业的地位。

此后,俄罗斯的处理器研发几乎一蹶不振。在政策推动下,MCST 推出了一系列 Elbrus 处理器的进阶版,但这些处理器一直在“吃老本”,并逐步落后西方。

直到 2012 年,俄政府开始对微电子产业大力扶持,制定了《2013-2025 年电子工业发展规划》和《国防工业综合体发展规划》等产业发展战略。其中对计算机设备等优先支持的子项目,下拨预算总额达 1700 亿卢布。

紧接着,俄政府对微电子产业也做了不少努力,包括尽可能采购国产电子产品,开发 CPU 民用和军用条线,全面发力 Elbrus2000、SPARC、MIPS 三大架构,以及研发“贝加尔”芯片。

基于此,2015 年 MCST 推出了号称俄有史以来技术水平最高的国产处理器 ——Elbrus-4C,可比肩英特尔 i3 和 i5(2009 年发布)。该芯片采用 65 纳米,包含 4 个核心,工作频率 800MHz。

▲ Elbrus-16C 处理器

2020 年 10 月,MCST 又公布了旗下最新款 CPU——Elbrus-16C。这款处理器采用第六代 VLIW 指令集架构打造,由 120 亿个晶体管组成,设计为 16 核、2GHz 频率,制造工艺是 16 纳米。

显然,目前俄罗斯能研发的最顶尖处理器也已经比较落后。这一切,年近九旬的巴贝扬自然看在眼里。虽然至今仍没有退休,还有很多项目计划去做,但他已不再回来。

结语

时下关于计算机处理器架构的主流历史,都在宣扬 CPU 核心技术源自美国。但鲜有人知道,英特尔早期处理器的核心技术,或多或少来自于苏联 Elbrus 超级计算机的工程师。

俄罗斯处理器专家基思・迪芬多夫曾说,“超标量体系结构、共享存储多重处理技术和 EPIC 技术等概念,在西方出现之前很久,Elbrus 就已经成功开发出了基于这些技术的电脑。”

然而,风光辉煌之后,俄罗斯 CPU 技术衰落的原因或许更值得探讨。其中既有俄罗斯忽视计算机科技民用和商用化原因,也有其政治经济不稳,以及产业发展滞后等因素。

在当前国际形势下,如果从国家安全角度考量:一旦俄罗斯处理器技术受制于人,将在国际竞争和对抗中处于非常不利的地位。虽然仍有一定“基底”,但俄罗斯已难以扭转这一被动局面。

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关键词:芯片俄罗斯

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