Procesory poza USA - Jak Rosja i Chiny próbują konkurować na rynku CPU?

O samych procesorach i architekturze x86 można napisać obszerny artykuł, który (co ciekawe) już na łamach naszego serwisu powstał. Ponad 11 (!) lat temu taki materiał wyszedł spod klawiatury Marcina Bienkowskiego. W swoim artykule opisał, jak zbudowane są obecne procesory zgodne z architekturą x86 i rozłożył całą tematykę na czynniki pierwsze (ciekawskich odsyłam do źródła). Ja natomiast zapożyczę tylko kilka fragmentów tej pracy, by nadać kontekst do wspominanej w tytule tematyki.

Cytując fragmenty pracy Pana Bienkowskiego, sama nazwa architektury x86 odnosi się do modelu programowego procesorów wykorzystanego przez Intela w 1978 roku w 16-bitowej kości Intel 8086. Procesor ten w 1981 roku wykorzystany został przez firmę IBM – a właściwie nieco jego okrojona wersja Intel 8088, w której zmniejszono do 8 bitów szerokość magistrali danych – do skonstruowania pierwszego komputera IBM PC. Popularność jaką zyskały komputery typu PC, a później ich następcy doprowadziła do popularyzacji architektury x86 i jej dalszego rozwoju, który trwa do dzisiaj. Swoją nazwę architektura x86 zawdzięcza zaś kolejnym generacjom układów Intela, wykorzystujących zastosowany w procesorze Intel 8086 model programowy, a które oznaczane były kolejno jako Intel 80286, Intel 80386 oraz Intel i486. Procesor Intel i486 był też ostatnim modelem zawierającym na końcu nazwy cyfry 86. Jego następca, procesor piątej generacji zgodnej z modelem programowym x86, nosił już bowiem nazwę Pentium.

Idąc dalej, Intel swoją architekturę x86 rozwinął do tego stopnia, że jego procesory mogły adresować aż do 32 bitów pamięci. W 2003 roku, wraz z wprowadzeniem na rynek przez firmę AMD układów Opteron (serwery) oraz Athlon 64, na rynku zadebiutowało kolejne rozszerzenie programowej architektury x86 – tym razem do 64-bitów. Co ciekawe, było to pierwsze w historii rozszerzenie modelu programowego, które opracowane zostało przez konkurencyjną firmę AMD, a nie jak dotąd przez Intela.

Podsumowując – Intel opracował dwa modele programowe mikroprocesorów, są to tryb rzeczywisty (x86) dla oprogramowania 16-bitowego oraz tryb chroniony (IA-32) dla oprogramowania 32-bitowego. AMD natomiast stworzyło jeden, tryb 64-bitowy (AMD64, x86-64) dla (co oczywiste) oprogramowania 64-bitowego.

I to właśnie te dwie amerykańskie firmy weszły ze sobą w pewien układ – Intel licencjonuje AMD swoją technologię, a „czerwoni” „niebieskim” swoją. W ten sposób nieważne, jaki kupimy procesor zgodny z architekturą x86, (w dużym uproszczeniu) będzie on zgodny z każdym oprogramowaniem (16, 32 i 64 bitowym).

No i tu pojawia się pierwszy problem przy próbie produkcji własnych procesorów. By móc tworzyć CPU, zgodne z 16, 32 i 64 bitową architekturą x86, należy uzyskać licencję od firmy Intel, jak również od AMD. Na przełomie XX i XXI wieku praktycznie żadna firma nie miała takiej potrzeby – Przecież każde przedsiębiorstwo mogło zakupić procesory od jednego z tych producentów i wykorzystywać je do swoich potrzeb. Czasy jednak się zmieniły i niektóre kraje, bardzo chętnie chciałyby się uniezależnić od amerykańskich rozwiązań, rozpoczynając produkcję własnych CPU. Jednak w dzisiejszych czasach uzyskanie odpowiednich licencji jest praktycznie niewykonalne (chociażby przez wojnę gospodarczą pomiędzy USA i UE, a Rosją i Chinami) lub potwornie kosztowne. No chyba że spróbujemy poszukać innego źródła…

Zapewne większość z Was nie ma pojęcia o tym, że w latach 90 XX wieku istniał trzeci gracz na rynku mikroprocesorów, który uzyskał możliwość produkcji CPU zgodnych z architekturą x86. Był to tajwański producent układów scalonych, głównie płyt głównych, chipsetów, procesorów i pamięci komputerowych – VIA Technologies. Co ciekawe, to właśnie to przedsiębiorstwo przeforsowało zmianę ze standardowej wtedy magistrali ISA na PCI.

Typowa płyta główna z lat 90 XX wieku. VIA była wtedy znaczącym graczem.

No ale skąd Tajwańczycy uzyskali możliwość produkcji procesorów zgodnych z architekturą x86? Firma chcąc się rozwijać, dokonała dwóch znaczących zakupów. W 2000 roku zakupiła S3 Graphics, firmę produkującą układy graficzne, a rok wcześniej przedsiębiorstwo Cyrix, które to miało licencje (od Intela) na produkcję procesorów x86.

Firma rozpoczynała od produkcji uznawanych za najszybsze na świecie koprocesorów matematycznych dla procesorów z serii 80286 i 80386. Po wprowadzeniu przez firmę Intel serii Pentium, firma Cyrix zaprojektowała swój własny model procesora nazwany 5x86. Procesor przeważał wydajnością nad produktami Intela i AMD, było to jednak w czasach w których procesory były wykorzystywane głównie do obliczeń stałoprzecinkowych. Kolejnym produktem był model 6x86, który produkowany był we współpracy z IBM i SGS Thompson, jednakże wykonane były w technologii 0,65 μm, podczas gdy Intel już stosował technologię 0,50 μm. Dopiero 6x86L został wytworzony w technologii 0,35 μm, co umożliwiło wykorzystanie niższego napięcia.

Założeniem firmy była produkcja tanich procesorów platformy x86, które miały być konkurencyjne wobec produktów AMD i Intel. Dzięki odmiennej konstrukcji procesory tej firmy dysponowały znacząco większą wydajnością niż procesory firmy Intel taktowane tą samą częstotliwością. Doprowadziło to do wykorzystania wskaźnika PR, który lepiej opisywał wydajność. Przewaga mocy procesorów Cyrix nie dotyczyła jednak operacji zmiennoprzecinkowych, co spowodowało silną krytykę pojęcia Performance Rating.

Firma zasłynęła tym, że dzięki jej polityce cenowej pojawiły się pierwsze komputery PC w cenie poniżej 1000 USD. Nie mając własnej linii montażowej firma Cyrix zlecała to zadanie firmie IBM, stąd też można znaleźć procesory Cyrixa z logo IBM.

VIA dość prężnie działała na początku XXI wieku, niestety tempo prac było niższe, niż u amerykańskich firm. Swój własny, 64 bitowy procesor wprowadzili na rynek dopiero w 2008 roku (około 5 lat po AMD). W pewnym momencie tajwańskie przedsiębiorstwo dostało „zadyszki” i musiało zacząć skupiać się na najbardziej dochodowych gałęziach swojej działalności. W 2013 roku VIA zawarła porozumienie z władzami Szanghaju w sprawie utworzenia firmy (o nazwie Zhaoxin) produkującej półprzewodniki. Spółka ta od tego momentu rozpoczęła produkcję procesorów zgodnych z architekturą x86 na rynek chiński. Czyli co? Chiny mogły już stanąć do walki z amerykańskimi gigantami?

Więcej o VIA i ich procesorach opowiada ZMASLO

Procesor to nie tylko architektura. W dużym uproszczeniu, każde CPU musi zostać wykonane z jak najczystszych surowców, w tym kluczowego dla elektroniki piasku kwarcowego (dwutlenku krzemu) oraz w odpowiednim procesie technologicznym. Następnie w tak wykonany procesor muszą zostać zaimplementowane instrukcje, które przyśpieszają i optymalizują masę procesów i obliczeń. I to właśnie tutaj sypie się lawina problemów, na które natrafiły chociażby chińskie i rosyjskie firmy. By produkować na masową skalę wydajne i efektywnie energetycznie procesory, potrzeba do tego odpowiednich fabryk. Fabryki te aktualnie znajdują się tylko na terytorium Tajwanu oraz USA (i miną jeszcze lata, zanim sytuacja ta ulegnie jakiejkolwiek większej zmianie). Ponadto, by produkować półprzewodniki w jak najniższym procesie technologicznym, należy korzystać z maszyn EUV (z ang. Extreme ultraviolet lithography), których wyłącznym dostawcą na całą naszą planetę (!) jest holenderskie przedsiębiorstwo ASML. To właśnie sprzęt tej firmy pozwala produkować układy scalone o wielkości zaledwie kilku nanometrów (aktualnie ASML chce zejść do 2 nm). Z powodu „wyścigu technologicznego”, a w konsekwencji nałożonych sankcji, Rosja i ChRL mogą kupować jedynie bardzo przestarzałe urządzenia (produkujące w procesie >28nm) oraz nie mogą zlecać produkcji złożonych mikroprocesorów firmom trzecim (tj. TSMC – Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited). Więcej o tym możecie dowiedzieć się z poniższych materiałów wideo:

Good Times Bad Times Polska w bardzo merytoryczny sposób omawiają temat tworzenia układów scalonych

Tutaj trochę więcej o historii procesorów

My natomiast wróćmy do procesorów x86. Skoro tylko jedna chińska firma jest w stanie robić tego typu CPU, ale nie ma dostępu do odpowiedniej technologii, fabryk i specjalistów (tutaj ciekawostka - Intel "odkupił" wielu inżynierów z VIA), to należy szukać alternatywnych rozwiązań.

Procesory Intela, AMD oraz Zhaoxin (VIA), to nie jest jedyne rozwiązanie na rynku światowym. W historii elektroniki była spora grupa innych firm, która projektowała procesory w kompletnie innych architekturach (np. IBM ze swoim PowerPC, czy AMD z Am29000). Wszystkie one miały wspólny mianownik, czyli typ architektury zestawu instrukcji procesora, zwany RISC. To właśnie Reduced Instruction Set Computing jest obecnie dostępną najszybszą i najbardziej wydajną technologią mikroprocesorową. Architektura RISC jest ulepszeniem architektury CISC (z ang. Complex Instruction Set Computing) używanej w oryginalnych układach Intel Pentium. W 1974 roku John Cocke z IBM Research pracował nad stworzeniem szybszej wersji chipa CISC i wymyślił projekt, który znacznie zmniejszył liczbę instrukcji potrzebnych do wykonywania obliczeń. Nowy projekt był nie tylko szybszy niż architektura CISC, ale chipy były również mniejsze i tańsze w produkcji.

Skoro podstawa jest ta sama, to wybierając inną „ścieżkę”, można uzyskać podobny efekt? W sumie tak. Brytyjskie przedsiębiorstwo ARM Holdings PLC zaprojektowało procesory zgodne z architekturą ARM, którą wielu producentów (tj. Samsung, Qualcomm, czy Nvidia) wykorzystuje w urządzeniach mobilnych. Rosjanie uznali, że również mogą za ich pomocą stworzyć wydajne i energooszczędne procesory. Tak powstało Baikal Electronics, które zaczęło (wzorem chińczyków) tworzyć swoje autorskie CPU.

Baikal BE-S1000 - Ostatni wydany rosyjski procesor

Niestety (dla Kremla) i tutaj przedsiębiorstwo spotkało się ze „ścianą”. Procesory Baikal muszą licencjonować architekturę ARM oraz zlecać firmom zewnętrznym dostawę/produkcję chipów. W związku z nasilającymi się sankcjami, państwo moskiewskie również zostało ograniczone do prymitywnych i przestarzałych technologicznie układów scalonych. W konsekwencji ich ostatni procesor został wydany w 2021 roku (a już wtedy był dość przestarzały). Rosjanie utknęli w martwym punkcie, a co w międzyczasie robiła firma z ChRL?

Chińskie Loongson obrało inną architekturę na bazę swoich CPU. Ich procesory są zgodne z architekturą MIPS (z ang. Microprocessor without Interlocked Piped Stages). Przez wiele lat nie miało to większego znaczenia, ale w grudniu 2018 r. Wave Computing (nowy właściciel architektury MIPS) ogłosił, że MIPS ISA będzie projektem otwarto źródłowym. Program „MIPS Open” miał na celu otwarcie dostępu do najnowszej architektury 32, jak i 64 bitowej (udostępniając je bez żadnych pozwoleń i opłat licencyjnych). To pozwoliło państwu środka całkowicie pozbyć się jednego z kluczowych problemów. Jednak nadal to nie rozwiązuje innych kwestii, związanych z odpowiednią technologią i produkcją wyspecjalizowanych CPU. Loongson może jedynie produkować swoje układy scalone w rodzimej fabryce SMIC (z ang. Semiconductor Manufacturing International Corporation) a ta nie ma już dostępu do najnowszych maszyn ASML. Także firma jest w stanie produkować chipy wyłącznie w dość leciwych procesach technologicznych - 16 i 28 nm.

Pytanie raczej powinno brzmieć, czy my (Polacy oraz Europejczycy) tego potrzebujemy? Rosja i Chiny rozpoczęły budowę autorskich procesorów w obawie o szpiegostwo ze strony USA (w końcu tak naprawdę tylko amerykańskie firmy wiedzą, co pakują do swoich procesorów). Czy z naszej strony jest potrzeba posiadania własnych CPU? Nawet jeżeli by była, to do takiego przedsięwzięcia potrzeba ogromnych ilości pieniędzy, które należy przekuć w zastępy specjalistów, tony wysokiej jakości surowców, odpowiednie fabryki i nowoczesny park technologiczny. Także na ten moment możemy założyć, że nie ma kraju, który mógłby zagrozić hegemonii Stanów Zjednoczonych i ich firm. A jak będzie w przyszłości? Czy Unia Europejska stworzy alternatywę dla amerykańsko-tajwańskiej dominacji? Na ten moment UE ma wyłącznie jednego asa w rękawie – jest to holenderskie ASML. Czas pokaże, na ile to wystarczy i czy do tego czasu stary kontynent zabezpieczy swoje interesy na arenie międzynarodowej.

Źródło: Wikipedia, TechLib, Pecetowicz.pl, YouTube