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俄罗斯芯图谋重现CPU辉煌战斗民族的微电子发展史

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一、导语

  2016年8月,俄罗斯总理梅德韦杰夫对俄罗斯当前微电子产业的领先公司JSC Angstrem进行调研,Angstrem目前已经拥有了90纳米的技术和生产,未来俄罗斯的任务是要向新的微电子技术迈进,生产28或是14-16纳米的微电子产品。

  世界半导体产业西风东渐,俄罗斯岿然不动。眼见得全球半导体产业乱纷纷,战斗民族却正在城楼观山景。

  下面就让笔者带你去了解一下俄罗斯的微电子产业的发展情况。

  二、前苏联的计算机产业发展

  前苏联和美国是世界上仅有的两个完全依靠本国技术发展电子信息产业的国家。前苏联的电子技术水平确实与美国相当,可惜的是,电子技术水平不等于电子工业水平,所以前苏联的电子工业水平还是远远落后于欧美。

  一个国家的微电子产业水平可以通过其计算机水平来体现。下面我们就先了解前苏联的计算机水平。

  二战结束后,前苏联意识到计算机技术的重要性,由于在冷战时期遭受到巴黎统筹委员会(Coordinating Committee for Export to Communist Countries,缩写为CoCom)禁运,前苏联一直致力于研究、生产从半导体器件,到集成电路芯片,乃至计算机整机一整套产品。

  前苏联的计算机产业思路是做自己的技术标准,走自己的路,所以前苏联计算机产业比较完善,整体技术实力非常强。

  以下多款产品可以说明前苏联的计算机水平。

  1969年研发成功的小型计算机Mir-2,被认为是第一台个人电脑(图片源于网络)

  1984年上市的Agate-4电脑,足以媲美同时期的AppleII(图片源于网络)

  1991年推出首台笔记本电脑MS 1504,比世界第一台量产的笔记本电脑T1100晚6年(图片源于网络)

  说到前苏联的计算机,不得不提到厄尔布鲁士(Elbrus)系列计算机。Elbrus是前苏联的第四代计算机,具有2个核,由Vsevolod Burtsev带领团队于1973年完成,1986年停产;Elbrus-1完成于1978年,是全球首台使用超标量CPU的计算机;Elbrus-2完成于1984年,是前苏联的第一代超级计算机,具有10个核心;Elbrus-3是由Boris Babaian带领团队于1986年开发完成的具有16个核的计算机,是前苏联第一台采用VLIW体系结构的计算机。

  2012年11月在纪念SPARC25周年大会上,SPARC原始团队成员Steven Muchnick捐赠的Elbrus-2 CPU板(图片源于网络)

  有人说,前苏联在计算机领域最大的贡献是三进制,三进制是效率最高的表示数的方式,三进制很容易实现负数。它为计算机的模糊运算和自主学习提供了可能。在20世纪50、60年代,一批莫斯科国立大学的研究员就设计了人类历史上第一批三进制计算机“Сетунь”和“Сетунь 70”。但可惜的是,三进制没有流行开来。(请大拿给以解惑?)

  三、前苏联在微处理器领域优势明显

  俄罗斯的微电子产业发展可以追溯到前苏联时期。前苏联的微电子工业主要集中在今天的俄罗斯和白俄罗斯地区。

  前苏联的专家们的基础知识非常扎实,前苏联缺失的是当年大力发展军事科技而忽视把科技民用化。由于50、60年代正值冷战时期,前苏联和美国展开了太空竞赛,前苏联在空间领域投入了大量的人力、物力和精力,从而忽视了科技了民用化。

  现在提起俄罗斯的微电子产业,大家都会想到JSC Mikron、JSC Angstrem、MCST等,事实上这三家以及白俄罗斯的JSC Integral都是在20世纪50、60年代前苏联创立的半导体企业。

  评判微电子水平的高低,可以通过其国家的CPU水平来窥视一二。

  首款苏维埃CPU--587

  前苏联的CPU发展始于20世纪70年代。当时位于莫斯科附近的Zelenograd的特殊计算机中心(Special Computing Center,缩写SCC)以D.I. Yuditsky为首的团队在1973年推出了前苏联的第一个16位小型机,其CPU是使用的是4位的587 CPU,被称为第一款苏维埃CPU,其架构被称为Elektronika NC。该款CPU及其后续产品被广泛应用于各种控制系统和电信设备。1976年特殊计算机中心(SCC)宣布解散,其所有的设备和技术转入Angstrem。遗憾是没有找到这款芯片的照片。

  Elektronika NC架构

  Elektronika NC是前苏联的第一代CPU架构,是属于位片式体系,导致CPU面积偏大,终端产品点笨拙。最后一款基于该架构的CPU是K1801VE1,属于1801 CPU系列。K1801VE1采用NMOS 10µm工艺,具有256个字节片的RAM,2K ROM和其他外围电路,采用的陶瓷平面封装形式(综合DIP和SOIC方式),具有42个引脚。

  1801系列CPU

  1801 CPU系列共推出七款,除第一款采用Elektronika NC架构,其余6款都是采用LSI-11架构。第一款采用LSI-11架构的1801系列CPU是1982年推出的K1801VM1,采用NMOS工艺,裸片面积是25mm2,晶体管数量达到50000个,采用的陶瓷平面封装形式。下图是K1801VM1的Die照片和芯片照片。

  最后一款1801系列CPU是K1801VM4,采用NMOS工艺,晶体管数量超过10万个,有两种封装方式,一是QFP,一是塑料平面封装,引脚数都是64个。

  1806系列CPU

  1806系列和1801系列是工艺不同,1801系列是采用NMOS工艺,而1806系列采用CMOS工艺。根据手头资料,两个系列的CPU除了时钟频率有差异外,功能几乎等同。该系列CPU在1988年11月发射的暴风雪号航天飞机上得到应用。

  1836系列CPU

  1836系列CPU是由Fizika公司生产,是做为1801系列的第二供应商,除了时钟频率有差异外,功能几乎等同。

  Elbrus系列CPU是Pentium CPU的前身?

  前方介绍的Elbrus计算机都是采用Elbrus CPU,Elbrus-1 CPU是世界上第一个标量CPU,完成于1977年;Elbrus系列完成人中有两个大牛人,一个是Boris Babaian,一个是Vladimir Pentkovski。1991年底,由于前苏联在政治体制和经济体系上发生了巨大的转变,研究项目的经费丧失了来源,导致这两大牛人的分开。Boris Babaian在莫斯科SPARC技术中心(MCST)与美国SUN公司合作,致力SPARC架构CPU研究,结果直接造成了SUN的崛起;Vladimir Pentkovski加盟美国INTEL,成为首席CPU设计师,打造了奔腾时代,铸就了INTEL的辉煌。

  1986年,前苏联开始32位El-90微处理器研制工作,Vladimir Pentkovski是项目负责人,根据资料表示,El-90微处理器研究项目的技术报告于1987年完成,第一个原型于1990年成功问世。1990年,前苏联开始进行El-91S微处理器的研制工作,Vladimir Pentkovski再度领军。

  Vladimir Pentkovski领军开发的El-90微处理器具有几大特征:一是晶体管数量超过50万个;二是每一个时钟周期可以执行两条指令的超标量体系结构;三是支持十路多重处理;四是支持排错;五是具有支线推算;六是具有高性能的管线浮点单元。我们可以把这六大特点与INTEL的奔腾系列进行对比,恰恰是奔腾系列的特色。

  更具代表性的特点是Elbrus-1中复杂的El-76指令必须被特殊单元转换成简单的微运算指令,而在El-90微处理器中已经可以轻松转换。而Pentium微处理器恰恰拥有一个特殊单元,可以把复杂的x86转换成类似RISC的简单指令。

  综上所述,前苏联在微处理器领域优势明显。

  四、俄罗斯:大力发展微电子,重现CPU明日帝国

  前苏联解体,俄罗斯独立,由于经济衰退,研究经费难以为继。但俄罗斯MCST的研究人员还是在SPARC系列CPU中取得了突破,1998年发布了R80 CPU。

  2000年3月普京上台,同年6月批准了《国家信息安全学说》。这是俄罗斯第一部正式颁布的有关国家信息安全方面的重要文件,它将为俄“构筑未来国家信息政策大厦”奠定基础,为对抗外国向俄罗斯政治、经济、军事等领域的信息情报渗透起到指导作用。《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、信息攻击与防护技术以及相关的软件技术等。

  在《国家信息安全学说》的指导和推动下,俄罗斯的微电子产业得到了长足发展。

  晶圆制造

  制造工艺水平取得突破,晶圆从6寸推进到8寸,线宽从1.0-0.5µm推进到了90nm、65nm水平;2015年在法国研究机构和IBM的支持下,建立了全球首座12寸MRAM BEOL代工制造厂。

  设计

  多家公司CPU已经完成28nm工艺设计,并取得流片成功;多家DSP芯片也在40nm工艺完成流片。

  重现CPU辉煌

  MCST

  莫斯科SPARC技术中心(MCST)成立于1992年,其前身是列别捷夫精密机械与计算技术研究所,公司在SPARC和Elbrus-2000架构方面都取得了不俗的成绩。该中心的领军人物就是Boris Babaian,他曾是前苏联第一代超级计算机Elbrus-2的团队负责人,也是Vladimir Pentkovski的曾经上司。

  在SPARC系列方面,2007年推出R500S,主频为500MHz,采用台积电0.13µm制造工艺;2010年推出R1000,主频为1000MHz,采用台积电90nm制造工艺。

  2011年,研制出“Elbrus-2S+”2核64位CPU,主频为500MHz,采用台积电90nm制造工艺;2014年4月开发出“Elbrus-4S”4核64位CPU,主频为800MHz,采用台积电65nm制造工艺;2015年开发出“Elbrus-8S”8核64位CPU,主频为1.3GHz,采用台积电28nm制造工艺,平均功率40瓦特;目前正在研发“Elbrus-16S”64位CPU,预计2018年流片,主频预计超过3GHz。

  Boris Babaian表示,MCST已经从俄罗斯联邦政府、莫斯科市政府和其它途径得到了稳定的财政支援,并得到了国防订单,Elbrus-2000架构的CPU将会给INTEL以迎头痛击。

  Baikal Electronics

  Baikal Electronics是一家为计算机系统和工业应用开发具有不同性能和功能级别的高能效的处理器和SoC芯片,公司目前推出Baikal-T1和Baikal-M系列。

  2015年5月Baikal Electronics宣布发布了其首款商用微处理器Baikal-T1,2016年2月该处理器正式量产。Baikal-TI是俄罗斯第一颗来采用了MIPS Warrior系列 CPU的通信处理器,在性能、技术节点和兼容性方面具有强大的竞争力。核心是一颗时钟频率为1.2GHz的双核 MIPS P5600 CPU,拥有2个超标量体系结构的32-bit CPU核心,2级缓存2MB,主频为1.2GHz,内有DDR3内存控制器,最高支持DDR3-1600,提供了4条PCI-E 3.0通道、2个SATA 6Gbps接口和USB 2.0接口、1个千兆和1个万兆网线接口,功耗不到5W。采用台积电28nm工艺生产,封装尺寸为25*25mm。

  Baikal-M是采用ARM内核,根据资料显示,内部是8个ARMv8-A CPU,另配有8个ARM Mali-T628 GPU。预估2017年中完成,主频将达2GHz。

  五、结语

  为发展本国微电子产品,俄罗斯制定和实施了《2013-2025年前电子和广播电子工业发展规划》、《国防工业综合体发展规划》以及联合国家科技规划等几个联邦级产业发展战略。在这些产业发展战略中,对微电子产业给予了大力的财政支持,优先支持的子项目包括电信设备、计算机设备、特殊技术设备、智能控制体系。国家在2013-2025年期间计划为优先支持的子项目下拨预算总额达到1700亿卢布,这意味着每年的财政拨款数额将约为150亿卢布。

  尽管当前俄罗斯经济遭遇困境,但俄政府为保证微电子产业的发展、扩大国内市场需求、提升出口能力等方面做了很多的努力。2016年5月,国家批准了俄罗斯民用微电子产品中期(2016年至2018年)政府采购保障计划,到2018年底,在预算资金保障执行的情况下,政府保障采购超过1000万个微电子产品,政府采购总金额达到750亿卢布。

  2016年9月Angstrem开始向印度出口一种新的宇航级抗辐射芯片,这对依赖进口的俄罗斯微电子市场来说是个不错的开头。

  俄罗斯在“Elbrus-2000”、SPARC、MIPS三大架构CPU全线发力,SPARC面向军方市场;MIPS立足通信、视频市场;“Elbrus-2000”更是剑指INTEL。

  战斗民族的血性将对俄罗斯的微电子产业发展带来更多期待。

 

来源:芯思想            责任编辑:陈炳欣

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