Микропроцессоры в третьем тысячелетии

Сomputerworld Россия заканчивает публикацию материалов, посвященных юбилею транзистора (см. #46, 47). На рубеже тысячелетий западные исследователи размышляют над тем, как "обмануть" законы физики и преодолеть препятствия, мешающие росту производительности процессоров. На пути отечественной микроэлектроники и компьютерной индустрии по-прежнему стоят совсем иные барьеры.

Oтвлечемся от сложных проблем производства интегральных схем и поговорим о перспективах совершенствования микропроцессора. В 1971 году появился Intel 4004 - первый процессор на кристалле, получивший из-за своего маленького размера название микропроцессор. Микропроцессор - сердце современного массового компьютера. Производительность сегодняшних процессоров в 25 тысяч раз превышает мощность Intel 4004. Первый микропроцессор Intel содержал 2300 транзисторов, а Pentium Pro - 7,5 млн. Совершенствование производства интегральных схем позволяет создавать большее число кристаллов на одной кремниевой пластине, то есть за один производственный цикл, тем самым снижая их стоимость. Поэтому значительный рост мощности микропроцессоров не сопровождается резким скачком цен, и высокопроизводительные компьютеры становятся доступны массовому потребителю.

Повышение производительности достигается не только путем увеличения транзисторов на кристалле, но и за счет реализации эффективных способов выполнения машинных команд. Достижения последних десятилетий, типа конвейерной, суперскалярной и параллельной организации вычислений, заставляет процессор современной машины функционировать быстрее и эффективнее. Вообще говоря, само по себе повышение производительности микропроцессорного ядра компьютерной системы не приведет к повышению эффективности компьютера в целом, если оно не сопровождается соответствующим усовершенствованием других компонентов, в первую очередь памяти. С середины 70-х годов, когда развернулось коммерческое производство памяти на интегральных схемах, ее объем каждые три года увеличивался в четыре раза. Специалисты предсказывают появление через несколько лет модулей оперативной памяти емкостью до миллиарда бит на одной интегральной схеме. Но рост емкости не сопровождается сопоставимым ростом скорости доступа к данным на кристалле, и разрыв между сверхбыстрым процессором и медленной памятью снижает эффективность работы компьютерной системы. Естественно, ведется поиск способов сокращения этого разрыва. Наиболее распространенный среди них - кэш-память, память быстрого доступа, размещенная прямо на кристалле. Для современных процессоров характерна тенденция к увеличению объема кэш-памяти, иногда до такой степени, что число транзисторов, выделенных на кэш, превышает число элементов для реализации непосредственно процессорных функций. Аналитики предсказывают, что в XXI веке эта тенденция сохранится и позволит свести к минимуму отставание скорости обработки данных от скорости доступа к ним.

Более того, возможно, уже в недалеком будущем память и процессор объединятся на одном кристалле, подобно тому как 25 лет назад различные элементы вычислительного устройства были объединены на одной интегральной схеме, и появился микропроцессор. Тем самым будет полностью ликвидирован скоростной разрыв между процессором и памятью и откроются невиданные возможности в использовании гигантского числа транзисторов, размещенных на одном кристалле. Не будем пытаться оценивать реальность такой перспективы. Но определенно можно сказать, что если скорость микропроцессоров будет так же удваиваться каждые полтора года, то лет через 40 мы получим настольный компьютер, производительность которого будет сопоставима с суммарной мощностью всех сегодняшних компьютеров.

Поиск альтернативы

В конце концов, компьютер - устройство физическое, и его базовые операции описываются законами физики. А с физической точки зрения тот тип транзистора, который является основой современной интегральной схемы, может быть уменьшен еще примерно в 10 раз, до размера в 0,03 мк. За этой гранью процесс включения/выключения микроскопических переключателей станет практически невозможным. Поведение транзисторов будет похоже на текущие краны - перемещение электрона с одного конца на другой выйдет из-под контроля.

Как уже говорилось, предел миниатюризации элементов процессора может наступить и раньше из-за различных физических и производственных проблем. Поэтому некоторые ученые формулируют задачу однозначно - найти физическую замену основе основ. Не транзистор, передающий и усиливающий электрический сигнал под действием поля, а нечто другое. Но что? Физики утверждают, например, что на определенном этапе миниатюризации элементы схемы станут настолько малы, что их поведение нужно будет описывать законами квантовой механики. В начале 80-х исследователи одной из научных лабораторий США показали, что компьютер в принципе может функционировать по квантово-механическим законам. В таком квантовом компьютере для хранения информации могут использоваться, например, атомы водорода, различные энергетические состояния которых будут соответствовать 0 и 1. Ученые ищут способы реализации квантовой логики. В ряде научных центров ведутся активные работы по созданию архитектурных принципов квантовых компьютеров. Пока неясно, смогут ли (и насколько эффективно) машины, использующие совершенно иные физические принципы работы, решать традиционные математические задачи и тем более опередить в этом своих классических конкурентов.

Предлагаются и другие альтернативы транзистору, например нелинейные оптические устройства, в которых электрические токи и напряжения заменяет интенсивность оптических лучей. Реализация этой идеи связана с рядом проблем. Особенно важно, что, в отличие от электричества, световые сигналы плохо взаимодействуют между собой, а это - необходимое условие для реализации логических функций.

Триумфальное шествие транзисторов само по себе стало толчком для поисков альтернативных технологий. С 50-х, когда началось коммерческое использование новых устройств, заметно активизировалась и исследовательская деятельность в области физики твердого тела. Был открыт целый ряд интересных явлений, выдвинуто много нетривиальных решений в электронной технике. Однако обогатив инженерную мысль, ни одна из этих идей не нашла реального применения в массовых информационных технологиях.

Не приходится пока говорить и о перспективах массового производства квантовых или оптических компьютеров. Поэтому будущее (по крайней мере обозримое) компьютерной техники будет по-прежнему связано с транзисторами. Вполне возможно, что те реальные проблемы, которые встают на пути дальнейшего их уменьшения и о которых мы попытались дать представление нашему читателю, приведут к замедлению процесса появления новых поколений схем памяти и микропроцессоров, которые сейчас возникают с периодичностью примерно раз в три года. Разработчики будут искать другие пути повышения производительности процессоров, не связанные непосредственно с уменьшением компонентов интегральных схем. Например, увеличение размеров процессора позволит разместить на нем большее число транзисторов. Кристалл может стать "толще" - за счет увеличения числа горизонтальных уровней схемы можно повысить плотность размещения элементов памяти или логических устройств, не меняя их размера. А может быть, барьеры на пути создания еще более мощных и умных машин будут преодолены с помощью необыкновенно умного и мощного программного обеспечения, которое подчиняется уже совсем другим, отнюдь не физическим законам.

Российские производители компьютерной техники, компании "Инел", DVM и R&К, объединились для открытого лоббирования своих интересов в Госдуме. Один из требующих рассмотрения вопросов - отсутствие в России производства собственной микроэлектронной элементной базы и возможность финансовой поддержки ее создания со стороны государства. Ситуацию комментирует Юрий Иванович Глушков, заведующий отделом микроэлектроники Координационного центра Межправительственной комиссии по сотрудничеству в области вычислительной техники.

Юрий Иванович! Известно, что в СССР элементная база существовала. Какие же обстоятельства привели к сегодняшней, прямо скажем, неблагополучной ситуации?

Межправительственная комиссия по сотрудничеству социалистических стран в области вычислительной техники была образована в 1969 году. Тогда же было подписано соглашение между всеми странами СЭВ, кроме Монголии. Сотрудничество предусматривало совместную разработку и создание новейших средств вычислительной техники в интересах всех этих стран. Существовала специализация, которая четко распределяла, какая страна что производит. СССР, например, разрабатывал и изготавливал крупные ЭВМ. Соглашение действует и сегодня, но все ранее задействованные методологии взаимоотношений в построении совместных работ по развитию вычислительной техники, в том числе и новейшей, в современных условиях стали непригодны.

Получается, что компьютер был интернациональным?

Абсолютно! Больше того, конечным итогом всех работ были взаимные поставки между странами и совместная продажа компьютерной техники в третьи страны.

Такая схема взаимоотношений имела только положительные стороны?

В любом деле не бывает так, чтобы все было идеально. Были и положительные, и отрицательные стороны. Положительное я усматриваю в том, что все было единым, все понимали, кто, что и как делает. С другой стороны, это, естественно, являлось и неким тормозом. Когда принимался какой-либо проект, собирались представители стран, входящие в Совет главных конструкторов. Они четко распределяли обязанности, подписывали технические требования. Когда страны по согласованным между ними техническим условиям изготавливали какой-то элемент вычислительной техники, будь то накопитель, или центральный процессор, или печатающее устройство и т. п., назначалась комиссия из участников не менее чем трех стран, которая принимала разработанное устройство, учитывая интересы каждого государства. Если та или иная страна предлагала новые разработки или изобретения, которые не соответствовали заранее оговоренным техническим требованиям, комиссия могла не принять новинку. Конечно, были случаи, когда предлагалось что-то очевидно хорошее. Естественно, тогда мы включали это в единый перечень. Но такое случалось крайне редко.

Существовала ли конкуренция с зарубежными странами?

И с западными странами, и между странами СЭВ. Впереди были Союз и ГДР.

Что же произошло?

Дело в том, что события 1992 - 1993 годов внесли некоторую неясность: будут ли приватизироваться предприятия этой отрасли промышленности, или они останутся в ведении государства. Осложняла этот вопрос принадлежность заводов к оборонной промышленности. И на сегодня этот вопрос остается открытым. Характерным примером в этом отношении является Зеленоград.

Спад начался, когда сократилось производство в основных отраслях промышленности. В связи с этим сократились заказы на вычислительную технику, а те, которые поступали, не оплачивались. На спад производства повлияло и несоответствие уровня изделий требованиям времени. Цепочка замкнулась и превратилась в главный тормоз. Да еще и отсутствие системы сбыта. В бывшем СССР ее налаживанием никто не занимался, маркетингом тоже. Раньше как было! Госснаб или Госплан выдавали наряд, по которому мне дают 100 000 рублей, а я должен купить 10 штук чего-либо. И завод знал - что бы там ни случилось, у него эти 10 штук возьмут.

Значит, одна из проблем - отсутствие госзаказа?

Я бы так не сказал. Прошло достаточно много времени. И сейчас ссылаться на то, что нет госзаказа, глупо. Это старая психология, от которой мы никак не можем избавиться. Например, "Инел" госзаказа не ждал, а начал собирать сначала 30, потом 300 компьютеров и т. д. Зеленоградские предприятия также начали развивать производство различных изделий микроэлектроники на новых основах.

Юрий Иванович, считаете ли вы возможным, что осуществится заветная мечта российских производителей компьютерной техники, и государство окажет этой отрасли промышленности финансовую поддержку? Если да, то как все это будет происходить?

Я проработал в электронной отрасли с 1956 года. Могу сказать, что жизнь уже заставила предприятия выпускать наиболее прогрессивные компоненты. Поддержать их поддержат, и они будут производить элементную базу. Но если иметь в виду тот уровень, на который сейчас вышли Intel и IBM, то мы на сегодня к этому совершенно не готовы. Думаю, и финансирование не поможет. Почему? Такой даже не завод, а цех стоит приблизительно 2,5-3 млрд. долл. Подобных заводов сейчас в мире-то всего три: один в Германии, второй на территории США, а третий сейчас строится в Ирландии на американские деньги.

Эти заводы строятся на деньги частных компаний или государственных?

В Германии, например, 50% денег дают частные предприятия, а 50% государственные.

Каким образом средства, которые выделит государство на финансовую поддержку российских производителей, будут делиться между компаниями?

Обычная схема финансирования такова: разрабатывается программа, согласно которой создается несколько предприятий с долевым участием государства и частной компании. Государство, во-первых, финансирует часть операций, во-вторых, гарантирует стабильность и безопасность этого предприятия.

Сейчас проблемы финансирования обсуждают с Госдумой несколько компаний, являющихся, по сути, конкурентами. Но в результате деньги получит кто-то один?

Возможна лизинговая форма сотрудничества государства и фирмы. Например, компания, накопившая определенный опыт и имеющая некий участок производства, нуждается в расширении масштабов своей деятельности. Для этого нужно, во-первых, иметь помещение с определенным набором оборудования, во-вторых, определенную финансовую поддержку на какой-то период, чтобы сдвинуть дело с мертвой точки. Государство предоставляет компании финансовую поддержку на определенный срок, автоматические (при лизинговой форме сотрудничества) льготы по налоговой системе, и сдает фирме в аренду одно из зеленоградских предприятий, в котором пустуют некоторые цеха. Компания арендует это предприятие, к примеру, на 10 лет и начинает разворачивать производство. Того, кто нужен - оставит, кто не нужен - уволит. Сумеет поставить предприятие на ноги - и компании хорошо, и государству неплохо. Вот на сегодня наиболее приемлемая форма взаимоотношений. Если же просто некоторым предприятиям дать деньги, то, как мы уже убедились, они найдут способ их промотать, и результат окажется плачевным.

Как же государство определит, кому из всех конкурентов стоит доверять?

Для этих целей объявляется конкурс на выделение средств в лизинговой форме. По результатам этого конкурса отбираются например, семь компаний, из которых две-три могут оказаться конкурентами, то есть производить однородную продукцию.

Существует ли подобная практика?

Примеров сколько угодно, даже у нас в России. Сейчас государство должно поддержать хотя бы микроэлектронику, развитие персональных ЭВМ, спецЭВМ для различных госструктур и т. п., а также выпуск всего необходимого для военной техники. Это стратегический интерес, и если мы хотим выжить и нарастить свою мощь, то обязательно должны заняться этой проблемой.

Своим взглядом на проблему отсутствия в нашей стране производства комплектующих делится генеральный директор компании "Инел" Сергей Швец.

Сергей, насколько актуальна для России проблема отсутствия производства комплектующих?

За период с 1991 по 1997 годыб несколько российских компаний, работающих на компьютерном рынке, делали попытки размещать производство отдельных типов комплектующих для компьютеров как на территории России, так и за ее пределами. Многие из этих проектов оказались убыточными и потерпели фиаско либо были закрыты ввиду ликвидации компаний, финансировавших их.

Является ли развал СССР одной из причин разрушения сложившегося в нем производства комплектующих?

Скорее, не сам развал, а ситуация, сложившаяся в экономике вследствие этого развала. Те условия, которые определяют способность к производству, были разрушены. При любой политической системе производство может существовать - главное, чтобы экономика создавала необходимые условия. В частности, это система налогообложения, инфляция, движение денег, общее состояние экономики, спрос на рынке, проблемы экспортно-импортного регулирования.

Что именно не устраивает вас как российского производителя в системе налогообложения?

При нынешних налогах легально работать, заниматься серьезным производством нельзя, потому что серьезное производство без больших инвестиций со стороны является практически нереальным. Инвестиции же могут идти лишь в такую производственную структуру, которая является полностью легальной. Только очень рисковые западные инвесторы вкладывают деньги в производство, в котором допускаются элементы нарушения закона. Далее, существует много разных видов налогов, которые суммируются и перемножаются, что приводит к очень высокому налогообложению, что делает производство неконкурентоспособным. Например, местные налоги с оборота. Дело в том, что налог с оборота для отдельных видов производства не играет существенной роли. Что такое 2%, если производятся услуги? Это не так много, потому что там добавленная стоимость 100%. Два процента с оборота на производство, где рентабельность составляет 3-4%, это 50% от добавленной стоимости - неимоверно высокий налог, который делает производство просто невыгодным. Учтите, что производство состоит из нескольких последовательных стадий, которыми занимаются разные юридические лица, и на каждом этапе происходит умножение суммы на 1,02. Добавьте другие местные налоги, а также НДС и т. д., и сумма получится солидная. В результате составляющая этого налога в конечном продукте получается немаленькая. И если данное производство попытается конкурировать с фирмой, которая размещена где-то в зоне льготного налогообложения, например в Северной Ирландии, то понятно, кто при этом выигрывает.

Далее необходимо рассмотреть систему экспортно-импортного регулирования. Наверное, ни в какой другой отрасли производства, кроме компьютерной, нет такого тесного взаимодействия компаний, располагающихся в различных частях мира. Существуют известные во всем мире способы сбора таможенных пошлин и НДС. У нас все делается не так, как у других. Что мешает четкой работе таможенного законодательства? Во-первых, частое изменение правил, во-вторых, высокие таможенные пошлины, ведь чем они выше, тем больше желание их обойти, в-третьих, достаточно высокий НДС. Чем он выше, тем больше денег можно потратить на то, чтобы его не платить. Весьма хлопотна процедура возвращения НДС при оформлении экспорта. Я не слышал, чтобы компьютерным компаниям, производящим экспорт собираемого здесь оборудования, удавалось вернуть НДС, поэтому готовые компьютеры продавать на экспорт практически нереально - они уходят из страны с НДС, что влечет за собой разницу в 20% между ценами конкурентов и нашими. Государство не в состоянии или не хочет четко контролировать импорт. Льготные контракты, которые существовали годами, до такой степени поставили всю эту систему под контроль конкретных лиц, что там сложно что-либо изменить.

Еще одним фактором, мешающим приступить к выпуску элементной базы, является нестабильность законодательства. Я хочу сказать, что для производства, работающего на постоянном быстром обороте, очень важен учет любых задержек. А компьютерное производство - это очень быстрый оборот, здесь разработка должна быть реализована буквально в течение месяца-двух, иначе через полгода она станет просто неактуальной. Так вот, изменение законодательства - это задержка. И это еще один фактор не в пользу организации производства.

Поэтому пока серьезно можно говорить только об организации разработки. Само производство составляет мизерную часть стоимости. Более существенная ее часть - это разработка, маркетинг, сбыт. Сбыт внутри страны у нас есть, а за рубежом его нет. Это тоже недостаток российских компаний - у нас нет экспорта.

Как вы относитесь к идее создания лизинговой формы сотрудничества между государством и фирмами, при которой государство сдает в аренду прошедшему конкурс предприятию одно из зеленоградских предприятий, и предоставляет ему на несколько лет льготы по налогам?

Эта идея осуществима, но только при одном условии. Она может быть оформлена в качестве конкретного проекта и реализована только в том случае, если будет глобально, в рамках всей страны, изменена налоговая система и ряд других законодательных актов, которые регулируют и экспорт-импорт, и другие вопросы. Есть и другой вариант - создать в рамках Зеленограда свободную экономическую зону (СЭЗ), ориентированную на производство полупроводниковой элементной базы для компьютеров, электронных приборов и военных нужд. А если просто обеспечить льготы по лизингу, тогда через эти предприятия будут "прокачивать" огромные суммы. СЭЗ - это не льготы. Она изолирована от государства, поэтому там выгодно и удобно производить на экспорт. Основная проблема в том, что производство базовых компонентов ориентировано на мировой рынок потребления. Оно размещается в зонах с низким налогообложением, это уже потом, при ввозе в государство, в котором потребляется продукт, взимаются налоги. Чем больше распространен этот продукт внутри какой-либо страны, тем больше налогов и импортных пошлин получит государство в свою казну. Все зависит от системы налогообложения.

Получается, что процесс требует огромного количества времени и сил. Тогда вообще есть ли смысл об этом говорить?

Если об этом не говорить, мы вообще никогда не сдвинемся с мертвой точки. Надо же с чего-то начинать. Нужно искать те ниши, где мы можем стартовать, конкурировать и развиваться. Весь спектр составляющих компьютеров можно разбить на две основные группы. Первая - базовые компоненты, которые входят в состав практически любой машины. Вторая - дополнительные компоненты. С Intel не могут конкурировать даже западные компании, поэтому в производство базовых компонентов нам соваться уж точно не стоит. Они выпускаются в огромных количествах, и здесь степень конкуренции очень высока. Дополнительные же компоненты имеют не такой широкий рынок сбыта, ввиду чего ими занимаются небольшие компании, с которыми уже можно конкурировать. Они, по крайней мере, сопоставимы с нашей фирмой по размеру. А конкурировать, уподобляясь персонажам басни "Слон и Моська", очень тяжело.

А что выпускают эти более мелкие компании?

Специфическое оборудование, прикладное. Например, они работают над тем, как связать компьютер с медицинским прибором, как из компьютера сделать телевизор, как применить компьютер в системе доступа в офис...

Что же конкретно необходимо для того, чтобы сдвинуть дело с мертвой точки?

Весьма интересной в этом плане мне кажется идея монополизации производства одного или нескольких базовых элементов при поддержке государства (так как эта задача требует огромных финансовых ресурсов), с последующим извлечением монопольной сверхприбыли в мировом масштабе. Я теперь уж и не знаю, сознательной ли была политика правительства США и частных американских компаний, приведшая к тому, что практически все производство процессоров для ПК и создание ПО оказалось в руках нескольких американских компаний, которые уже давно, судя по сложившейся ситуации, конкурируют между собой как бы "понарошку", скорее создавая видимость конкуренции. А антимонопольный комитет США не предпринимает сколько-нибудь заметных шагов по исправлению положения.

Надо работать над тем, чтобы будущее законодательство способствовало организации самого производства. На данный момент разумно и необходимо задуматься об этапе разработки и маркетинга.

Необходимо завязать обсуждение возможности производства комплектующих для компьютеров в России или организации каких-то этапов производства, в частности разработки новых моделей комплектующих. Если обсуждение начнется, появятся идеи, может быть, будет совершенствоваться законодательство и решатся многие проблемы, которые на данный момент не позволяют организовать процесс разработки и производства элементной базы.