俄罗斯“芯”酸往事:从行业霸主到无人问津

2022-02-28 15:00:00 徐继 92

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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。


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。

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。


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。

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。”

 

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。

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,巴贝扬一度在普京身上看到了希望。

2000年6月,普京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。

 

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。

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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