По-настоящему российские процессоры: «КОМДИВ» для авиации, космоса и не только
Если задать вопрос: «Существуют ли отечественные процессоры, и какими они бывают?» — скорее всего, первыми на ум придут чипы «Эльбрус» и «Байкал», справедливо, именно к ним сейчас приковано внимание общественности. На самом деле есть и другие отечественные микропроцессоры, например «КОМДИВ», разработанный Научно-исследовательским институтом системных исследований Российской академии наук (НИИСИ РАН). Под этой маркой выпускается широкая линейка микропроцессоров и микроконтроллеров, в основном, нацеленных на авиацию и космос.
💡 «КОМДИВ» — это акроним, обозначающая «КОМпьютер Для Интенсивных Вычислений».
Научно-исследовательский институт системных исследований или просто НИИСИ был основан в 1986 году с целью исследования и ведения разработок в области нанотехнологий, информационных и телекоммуникационных технологий и вычислительных систем. Институт активно работает и сам является центром компетенций — ведёт подготовку профильных специалистов на базе собственной аспирантуры.
Какие бывают процессоры «КОМДИВ»
В семейство «КОМДИВ» входят 32- и 64-битные процессоры. Первые основаны на архитектуре MIPS, а вторые — на собственной MIPS-совместимой архитектуре «КОМДИВ-64». Это RISC-процессоры с набором простых инструкций вместо сложных и комплексных команд в CISC-процессорах. То есть для выполнения сложной операции используется не одна громоздкая узкозаточенная инструкция (как в CISC), а набор куда более простых команд. Такой подход позволяет более эффективно использовать процессорное время, за счёт этого достигается общая энергоэффективность. Аналогичную концепцию RISC используют ARM-процессоры, знакомые каждому по мобильным устройствам. Представителями противоположного лагеря CISC являются, например, x86-совместимые процессоры Intel и AMD.
Вернёмся к нашим процессорам. В соответствии с разными разрядностью и архитектурой, они разделены на две линейки — «КОМДИВ-32» и «КОМДИВ-64». В зависимости от модели они могут включать системные и периферийные контроллеры, кэш-память, ЦАП, АЦП и даже видеоконтроллер. То есть быть полноценными системами на кристалле со всеми необходимыми функциональными блоками. Особые требования предъявляются к эксплуатации в жёстких условиях. Например, некоторые модели радиационно-стойкие, а общей чертой обеих линеек является широкий диапазон рабочих температур от -60 до +125 градусов по шкале Цельсия.
«КОМДИВ-32»
Первыми в серию пошли 32-битные микропроцессоры «КОМДИВ», чей первый представитель ушёл в производство в 1999 году. Первенцы базировались на техпроцессе 0,5 мкм (500 нм), в лучшем случае брали частоты от 33 до 50 МГц и не обладали каким-то дополнительным функционалом. Линейка развивалась и развивается по сей день, самые современные из известных образцов базируются на техпроцессе 0,25 мкм (250 нм), берут частоты выше 100 МГц и содержат на кристалле набор интерфейсов и контроллеров.
Это узкоспециализированные процессоры, а скорее даже микроконтроллеры, которые в режиме реального времени управляют очень ответственными системами и производят стратегически важные вычисления. Им не нужно обрабатывать тяжелую мультимедийную информацию, поэтому невероятная производительность не требуется. Куда важнее надёжность, безопасность и умение моментально реагировать на изменяющиеся условия. Последнее — одна из фишек архитектуры.
Зачем микросхеме выше тройное резервирование? Всё просто, для надёжности. Эта модель радиационно-стойкая и может работать в условиях открытого космоса. Такие чипы «КОМДИВ-32» обеспечивают, например, работу бортовых компьютеров спутников «ГЛОНАСС-М». Для понимания, в космосе невероятно высокий уровень ионизирующего излучения, и обычная полупроводниковая электроника моментально выходит из строя. Чем тоньше техпроцесс, тем сложнее защитить микросхему от излучения, поэтому в космической сфере по сей день актуальны микросхемы в том числе 0,25 мкм.
Производство изначально было собственным на базе мини-фабрики в Курчатовском институте в Москве. Сегодня часть микросхем выпускает зеленоградский «Микрон». В любом случае «КОМДИВ-32» были и остаются отечественными микросхемами, чьё производство не доверяют зарубежным партнёрам.
«КОМДИВ-64»
В 2005 году появились 64-разрядные процессоры. Первые образцы базировались на техпроцессе 0,35 мкм (350 нм) и едва ли могли разогнаться выше 120 МГц. Однако эти чипы получили мощное развитие в сторону универсальности и со временем перешли на 65 нм. Современный 1890ВМ8Я как раз собран по 65 нм TSMC, может похвастать 2 ядрами и набором необходимых контроллеров. На его базе выпускаются вполне привычные устройства — и стационарные компьютеры, и моноблоки, и даже планшеты. Но сравнивать их с теми, что продаются в магазинах, всё же нельзя, так как всё это — специализированные машины для рабочих мест в государственных структурах, банках и промышленности. Во-первых, они заточены под вполне определённый круг задач и не сталкиваются с неоправданно требовательной мультимедиа и тяжёлым современным интернетом, как домашние компьютеры. Во-вторых, условия использования могут быть очень разными, значит, компьютеры на базе «КОМДИВ» должны быть выносливыми и неприхотливыми.
Изначально «КОМДИВ-64» тоньше 0,25 мкм производились на мощностях тайваньской TSMC по причине отсутствия подготовленной отечественной фабрики. Однако в требования к ним заложен перенос производства на собственные предприятия. Кажется, именно это и произошло с парой 65-нм чипов — с микропроцессором 1890ВМ108 для встраиваемых решений и с микроконтроллером «Комдив-МК». Оба в 2021 году были включены в реестр российской электроники. Попадание в него свидетельствует о переносе производства на территорию Российской Федерации.
Операционная система реального времени «Багет»
Само собой, микропроцессорам и микроконтроллерам нужна собственная операционная система, а в случае с «КОМДИВ» — операционная система реального времени, способная моментально реагировать на изменяющиеся окружающие условия. А точнее, на показания датчиков на управляемом устройстве, подключенных к компьютеру на базе «КОМДИВ». Например, в требованиях к актуальной версии «Багет» 4.0 прописана скорость реакции за время от 1,5 до 200 микросекунд (в 1 секунде 1 000 000 микросекунд). Для сравнения, операционные системы общего назначения (те же Windows, Mac OS и Linux) заточены оперативно реагировать на действия пользователя, а не на внешние условия. Система, также известная как «ос2000», само собой, является закрытой и разрабатывается самой НИИСИ РАН в соответствии с международными стандартами. Вдобавок к этому внутри института разрабатывается сопутствующий софт для операционной системы реального времени (ОСРВ) «Багет».
Главное безопасность, а не производительность
Открытой и достоверной информации о конкретных примерах использования «КОМДИВ» немного. Это техника двойного назначения и особо распространяться о её возможностях не принято. Однако, когда в следующий раз будете на какой-нибудь выставке, посвящённой отечественной промышленности, обратите внимание, на каких процессорах основана та или иная электроника. Уверен, встретите «КОМДИВ» и не раз, причём, в совершенно разношерстной технике.
Ещё раз повторюсь, в стратегических сферах безопасность и доверенность куда важнее производительности, поэтому сравнивать характеристики «КОМДИВ» с универсальными процессорами «Эльбрусом» и «Байкалом» не совсем корректно. Однако, раз институт НИИСИ РАН существует вот уже 40 лет, а линейка развивается, значит, чипы со своими задачами справляются. А ещё, это яркий пример существования отечественной микроэлектроники. Только её немногочисленные представители слабо ориентированы на обычных пользователей, а решают стратегические задачи там, где нужна максимальная безопасность и доверенность.