Отечественные CPU Baikal и Эльбрус: сравнительный анализ и возможности их применения

Сегодня на рынке центральных процессоров главенствуют такие компании, как Intel, AMD и Nvidia — чипы этих крупнейших производителей используются практически во всех сетевых инфраструктурах по всему миру. Однако, в Российской Федерации также существуют компании, которые занимаются разработкой центральных процессоров, ориентированных на отечественный сегмент рынка. Более того, на отечественные CPU от таких производителей, как Байкал Электроникс и МЦСТ, есть большой спрос, поскольку существуют законы, обязывающие государственные ведомства импортозамещать зарубежные CPU отечественными аналогами. Несмотря на то, что по многим характеристикам чипы российского производства уступают западным аналогам, у них тоже есть свои особенности и преимущества, удовлетворяющие потребности местного рынка. Сегодня мы расскажем вам об ассортименте CPU от отечественных чипмейкеров, их характеристиках, преимуществах, недостатках, а также объясним проблемы производства чипов в РФ и перспективы развития этой индустрии.

Санкции, которые были наложены западом после 2022 года, фактически полностью прекратили производство отечественных CPU. В России существуют производства для выпуска полупроводниковых решений, но поскольку до 2022 года российские компании всегда могли найти более конкурентные условия производства чипов на ведущих мировых производствах, фабрики на территории РФ пришли в упадок и их производственные линии перестали модернизироваться, что сегодня выливается в невозможность производства процессоров на местных предприятиях. После введения пакета санкций, TSMC отказалась сотрудничать с разработчиками из РФ, заморозив производственные линии и не отправляя уже созданные чипы в страну. Помимо этого, санкции также наложили ограничения на ввоз компонентов для создания чипов на уже упомянутых фабриках России, а компании, владеющие патентами на архитектуры ARM и x86, запретили предоставлять лицензии на производство чипов на новых версиях этих архитектур. 

Вышеуказанные факты загоняют российских производителей чипов в безвыходное положение и вынуждают их искать нетривиальные способы выхода из этой ситуации, а нехватка комплектующих и невозможность обновления оборудования еще больше обостряют текущее положение. 

"Байкал Электроникс" — российская компания, специализирующаяся на разработке процессоров для ПК, серверов и встраиваемых систем. До 2022 года компания активно использовала архитектуры ARM и MIPS, а также производственные мощности тайваньского производителя TSMC, что позволяло создавать процессоры, такие как Baikal-M и Baikal-S, и Baikal-T, ориентированные на российский внутренний рынок. Однако, запрет на использование архитектуры ARM и прекращение сотрудничества TSMC с разработчиками из РФ вынудили "Байкал Электроникс" пересмотреть свои подходы к разработке и созданию чипов и начать планировать плавный переход на открытую архитектуру RISC-V. "Байкал" активно ищет пути локализации ключевых компонентов внутри России, что требует значительных инвестиций и поддержки государства. Несмотря на все сложности, "Байкал Электроникс" остается важным элементом российской стратегии технологического суверенитета, демонстрируя адаптацию к новым реалиям и потенциал для развития в условиях глобальной изоляции. С момента ввода ограничений, выпуск топовых процессоров компании на архитектуре ARM был заморожен, однако, в ноябре 2024 года, впервые за 2 года в Россию завезли новую партию CPU Baikal-S, состоящую из 1000 чипов. Пока дословно неизвестно, где была собрана новая партия центральных процессоров, однако, это событие может свидетельствовать о возможных дальнейших поставках отечественных чипов от Байкал Электроникс и восстановлении цикла их производства. На сегодняшний день представлено 3 линейки процессоров Baikal, каждую из которых мы рассмотрим отдельно.

Также стоит отметить, что все чипы семейства Baikal имеют компоновку SoC, то есть все компоненты системы расположены на одном кристалле с CPU. В процессоры Baikal по умолчанию интегрированы такие узлы, как сетевой контроллер Ethernet, набор системной логики (чипсет) и прочие системные элементы.

Baikal-S — это отечественный микропроцессор, предназначенный для интеграции в высоконагруженные сервера, системы хранения данных и суперкомпьютеры. SoC-процессоры Baikal-S имеют 48 ядер ARM Cortex A75. Эти чипы пользуются большим спросом в секторе оборонных предприятий, государственных и коммерческих инфраструктур. Например, недавнюю партию из 1000 чипов Baikal-S практически сразу после поступления разобрали различные компании, что подтверждает востребованность этих CPU на отечественном рынке. Процессор также имеет интересное архитектурное решение — интеграцию L4 кеша, который крайне редко встречается в CPU. Разработчики Baikal-S получают мощную поддержку в рамках государственных программ, поскольку эти процессоры имеют все перспективы стать наиболее конкурентоспособным решением для российских сетевых инфраструктур, полностью заменив собой зарубежные аналоги.  

Технические характеристики Baikal-S(BE-S1000) включают:

• Архитектура — ARMv8-A (собственная модификация ARM под российские стандарты);
• Сокет — LGA-3467;
• Количество ядер — 48 вычислительных ядер Cortex-A75 с поддержкой многопоточности;
• Тактовая частота — до 2,0 ГГц;
• Техпроцесс — 16-нм TSMC;
• TDP — 120 Вт; 
• Кэш L3 — 24 МБ (доступен кэш L4 объемом в 32 МБ);
• Память — 6 каналов DDR4-3200 с поддержкой ECC;
• Интерфейсы — до 80 линий PCIe 4.0.

Baikal-M — процессор российской разработки, предназначенный для интеграции в десктопные системы потребительского и коммерческого сегмента рынка РФ. Эти чипы подойдут для интеграции в ПК, ноутбуки и высокопроизводительные рабочие станции для выполнения повседневных и профессиональных задач. Изначально SoC-процессоры Baikal-M разрабатывались на архитектуре MIPS и предназначались для интеграции в производственное оборудование, однако, впоследствие компания перешла на собственную модификацию архитектуры ARMv8-A, что позволило сменить сферу использования таких CPU на более востребованный сектор. Помимо использования в десктопных устройствах, Baikal-M может подойти для создания компактных серверных систем. Интересной особенностью этого чипа является наличие встроенной графики с ядрами Mali-T628 (используются в смартфонах с ARM-процессорами), благодаря чему чип может работать без видеокарты, что позволяет создавать компактные системы, в которых нет высоких требований к графической производительности. ПК и рабочие станции на базе Baikal-M с операционной системой Astra Linux активно используются на предприятиях компаний «Газпром», Росатом, РЖД и других российских организациях. 

Технические характеристики Baikal-M(BE-M1000):

• Архитектура — ARMv8-A;
• Сокет — BGA (процессор впаивается в материнскую плату);
• Количество ядер — 8 вычислительных ядер ARM Cortex-A57 с поддержкой многопоточности;
• Тактовая частота — до 1,5 ГГц;
• Техпроцесс — 28-нм;
• TDP —35 Вт;
• Кэш L3 — 8 МБ;
• Память — 2 канала DDR4 до 2400 МГц с поддержкой ECC;
• Интерфейсы — до 16 линий PCIe 3.0;
• Встроенная графика — 8 ядер Mali-T628.

Baikal-T — это отечественный специальный 32-битный чип от разработчика Байкал Электроникс, предназначенный для различных встраиваемых систем коммерческого и потребительского сегмента. SoC-чип Baikal-T был выпущен в 2015-ом году и стал дебютным процессором Байкал Электроникс. Эти процессоры стали прототипом для разработки десктопных процессоров Baikal-M и впоследствии серверных CPU Baikal-S. Baikal-T базируются на открытой микроархитектуре MIPS, имеют сокращенный набор команд, BGA-корпус и минимальный показатель энергопотребления, равный всего 5 Вт. За счет 32-битности, а также отсутствия кэша L3, сферы применения процессора Baikal-T весьма ограничены и он непригоден для использования в десктопных устройствах и серверах. Тем не менее, в таких сферах, как автоматизация, сетевые накопители данных, периферийные системы и коммуникационные инфраструктуры чип Baikal-T отлично справляется со своими задачами.

Технические характеристики Baikal-T(BE-T1000):

• Архитектура — MIPS 32 r5;
• Сокет — BGA;
• Количество ядер — 2 вычислительных ядра P5600;
• Тактовая частота — до 1,2 ГГц;
• Техпроцесс — 28-нм;
• TDP — 5 Вт;
• Кэш L2 — 1 МБ (отсутствует кэш L3);
• Память — 1 канал DDR3-1600;
• Интерфейсы — до 4 линий PCIe 3.0.

Все представленные модели процессоров Baikal выпускались на тайваньской фабрике TSMC, но в нынешних реалиях все производство чипов приостановлено ввиду санкционных ограничений. Из-за этого поставки чипов очень ограничены и получить этот CPU могут только государственные предприятия в порядке очереди. Если поставки чипов не ограничатся недавней партией из 1000 штук, в будущем потребительский сегмент рынка также сможет приобрести эти CPU для использования в своих некоммерческих системах.

"МЦСТ" (Московский центр SPARC-технологий) — одна из старейших российских компаний в сфере разработки процессоров, известная своей линейкой VLIW-чипов "Эльбрус", предназначенной для использования в серверных, встраиваемых и десктопных системах. Как и компания Байкал Электроникс, МЦСТ столкнулись с санкционными ограничениями по выпуску CPU на тайваньском предприятии TSMC, поэтому в настоящий момент производство чипов Эльбрус заморожено. МЦСТ, в отличие от производителя Байкал Электроникс, в основном ориентирована на поставку своих решений в рамках госзаказов от оборонных предприятий РФ. Вследствие остановки производства на фабрике TSMC, компания не смогла надлежащим образом выполнять поставки государственным оборонным объектам, поэтому компании грозило банкротство. В результате этого управление компанией МЦСТ перешло под руководство другой отечественной компании, занимающейся выпуском мобильных процессоров “Скиф” — АО НПЦ “Элвис”. Кроме того, Минпромторг поручил МЦСТ перепроектировать процессоры Эльбрус, чтобы развернуть их внутри страны и исключить перебои в поставках, однако, для этого потребуется какое-то время и существенное финансирование. Несмотря на сложившуюся ситуацию, МЦСТ планирует приспособиться ко всем трудностям и наладить создание различных моделей процессоров Эльбрус для импортозамещения западных аналогов CPU.

Все процессоры линейки Эльбрус используют особую модификацию архитектуры VLIW собственной разработки МЦСТ. Как и чипы Baikal, большинство процессоров Эльбрус также создаются в компоновке SoC, что обуславливается нацеленностью российских разработчиков на выпуск универсальных CPU. Особенность этой архитектуры заключается в том, что одна инструкция CPU содержит сразу несколько операций, которые выполняются параллельно друг другу. Благодаря архитектуре VLIW, процессоры Эльбрус не попадают под патентные ограничения архитектур ARM и x86, поэтому для их создания не требуется лицензия.

Эльбрус-16С — это один из самых мощных процессоров, разработанных компанией "МЦСТ" для использования в высокопроизводительных серверных и вычислительных системах. Этот процессор предназначен для замены импортных аналогов в критически важных областях, включая государственные и оборонные объекты, а также корпоративные инфраструктуры высшего уровня. Процессор обеспечивает высокую производительность при параллельном выполнении задач и других типов вычислительных операций. Основной упор сделан на надежность и безопасность: процессор имеет встроенные механизмы защиты данных, а также совместим с ОС отечественной разработки с наивысшим показателем безопасности.

Технические характеристики Эльбрус-16С:

• Архитектура — VLIW Эльбрус 6-ой версии;
• Число ядер — 16 (поддерживается только однопоточный режим);
• Тактовая частота — до 2,0 ГГц;
• Техпроцесс — 16-нм;
• TDP — до 170 Вт;
• Кэш L3 — 32 МБ;
• Память — 4 канала DDR4-2400 с поддержкой ECC;
• Интерфейсы — до 32 линий PCIe 3.1.

Эльбрус-12С — высокопроизводительный процессор для серверных и промышленных приложений, созданный для импортозамещения зарубежных решений в инфраструктуре корпоративного уровня. С 12 ядрами на базе архитектуры "Эльбрус", процессор обеспечивает весьма высокую производительность и стабильность работы для отечественных сетевых инфраструктур. Основное внимание уделено энергоэффективности и способности поддерживать работу под большими нагрузками. Наработки Эльбрус-12С использовались при проектировании более современного чипа МЦСТ Эльбрус-16С. МЦСТ позиционируют CPU Эльбрус-12С как бюджетную версию чипа Эльбрус-16С, поскольку в нем используются только 2 канала памяти вместо 8-ми, а также только 1 канал межпроцессорной связи вместо 3-х, поэтому доступны только двухпроцессорные конфигурации NUMA с чипами Эльбрус-12С. 

Технические характеристики Эльбрус-12С:

• Архитектура — VLIW Эльбрус 6-ой версии (та же версия, что и у чипов Эльбрус-16С);
• Число ядер — 12 (поддерживается только однопоточный режим);
• Тактовая частота — до 2 ГГц;
• Техпроцесс — 28-нм;
• TDP — до 95 Вт;
• Кэш L3 —24 МБ;
• Память — 2 канала DDR4-2400 с поддержкой ECC;
• Интерфейсы — до 16 линий PCIe 3.0.

Эльбрус-8СВ — это версия восьмиядерного процессора общего назначения, разработанная для выполнения профессиональных задач в коммерческом и государственном сегменте отечественного рынка. Процессор отличается хорошим балансом между производительностью и энергоэффективностью, что делает его подходящим для использования в рабочих станциях, автоматизированных системах управления и серверах начального уровня. "Эльбрус-8СВ" совместим с отечественными программными платформами и популярными российскими ОС, благодаря чему системы на базе этих чипов практически независимы от зарубежного ПО.

Технические характеристики Эльбрус-8СВ:

• Архитектура — VLIW Эльбрус 5-ого поколения (менее современная версия, чем у серверных чипов Эльбрус);
• Число ядер — 8 (поддерживается только однопоточный режим);
• Тактовая частота — до 1,5 ГГц;
• Техпроцесс — 28-нм;
• TDP — до 110 Вт.
• Кэш L3 — 16 МБ;
• Память — 4 канала DDR4-2400 с поддержкой ECC;
• Интерфейсы — до 16 линий PCIe 2.0.

Эльбрус-2С3 — процессор, разработанный для встроенных систем и промышленного оборудования. Его компактные размеры в BGA-корпусе и низкое энергопотребление делают его пригодным для интеграции в отечественные систем автоматизации, навигации и специализированной электроники. Процессор предназначен для выполнения задач с умеренной производительностью, где приоритет отдается стабильности работы и энергоэффективности. Кроме того, процессор Эльбрус-2С3 имеют встроенные графические ядра и аппаратные декодеры кодеков VP9 и H.264/265, благодаря чему этот CPU можно использовать для выполнения мультимедийных операций без установки дискретного графического адаптера.

Технические характеристики Эльбрус-2С3:

• Архитектура — VLIW Эльбрус 6-ой версии (идентично версии для серверных чипов Эльбрус);
• Число ядер — 2 (поддерживается только однопоточный режим);
• Тактовая частота — до 2 ГГц;
• Техпроцесс — 65-нм;
• Энергопотребление — до 5 Вт;
• Кэш L2 — 2 МБ (отсутствует кэш L3);
• Память — 2 канала DDR4-3200 МГц.
• Интерфейсы — до 16 линий PCI-E 3.1;
• Графика — 2D-ядро МГА2.5 и 3D-ядро Imagination Series 6XT GX6650 Dastan.

Выше мы рассказали о двух наиболее известных российских разработчиках CPU и их решениях. Однако, рынок центральных процессоров РФ более обширен и среди местных разработок можно выделить несколько менее популярных решений, которые также привносят огромный вклад в развитие отечественной полупроводниковой индустрии. Ярким примером служат чипы линейки “КОМДИВ” от исследовательского центра НИИСИ. Модели чипов “КОМДИВ” на архитектуре MIPS с BGA-корпусом приспособлены для использования в системах министерства обороны, объектах ядерной энергетики и космическом секторе РФ, а благодаря техпроцессу 250-нм, некоторые модели “КОМДИВ” могут производиться на территории РФ. Благодаря высокому температурному диапазону от -60 до +125 °С и радиационной устойчивости в 200 КРАД позволяют использовать эти чипы в условиях, которых не выдерживают зарубежные аналоги CPU. 

Скорее всего, у вас возник вопрос, могут ли отечественные CPU конкурировать с зарубежными аналогами? И на самом деле действительно могут, однако, для более объективного сравнения, отечественные чипы нужно сопоставлять с уже устаревшими моделями CPU, например, линейки Intel Xeon, так как большинство российских центральных процессоров были спроектированы еще до ввода санкционного барьера. К примеру, передовые чипы Baikal-S компания-разработчик сравнивает с решениями Huawei Kunpeng 920 и Intel Xeon Gold 6230. Вот какие результаты продемонстрировал отечественный чип:

• Бенчмарк CoreMark показал, что Baikal-S обошел Xeon Gold 6230 на 43% в многопоточном тесте. Этот бенчмарк демонстрирует производительность чипов в таких операциях как обработка связных списков, обработка матриц, подсчет суммы CRC. По сути, CoreMark определяет эффективность выполнения математических операций, с чем процессор Baikal-S отлично справляется;
• Бенчмарк Stream для определения пропускной способности памяти скорость Baikal-S продемонстрировал скорость на 34% выше, чем у Xeon Gold 6230. Это вовсе неудивительно, поскольку процессоры Baikal-S имеют более высокочастотную память, чем чипы Xeon Gold 6230.

Важно учесть, что Байкал Электроникс не раскрывает всех компонентов устройства, на котором проводились тесты чипа Baikal-S, поэтому судить о достоверности проведенных тестирований весьма сложно. 

Ввиду дефицита, в данный момент обычным пользователям недоступна покупка решений на базе отечественных центральных процессоров. Однако, ранее на рынке в свободном доступе были представлены импортозамещающие устройства, в которых применялись чипы Baikal и Эльбрус.

К примеру, процессоры Эльбрус-8С можно встретить в широком спектре российских десктопных решений, к примеру, моноблоках Эльбрус 801М, предназначенных для организации рабочих мест в инфраструктурах с повышенным уровнем безопасности. Эти устройства широко применяются в таких различных сферах, где сотрудники работают с критически важными документами.

Конечно, были представлены решения и для серверных инфраструктур, например, сервер Эльбрус 804 на базе процессоров Эльбрус-8С1. Этот четырехсокетный сервер высотой 1U для установки в 19-ти дюймовую имеет производительность достигает 1000 GFLOPS в формате FP32. Эльбрус 804 предназначен для интеграции в инфраструктуры корпоративного и государственного уровня для выполнения широкого спектра вычислительных операций. Разработчики процессоров Эльбрус-8С1 оптимизировали чипы для интеграции до 4-х CPU в одном сервере, благодаря чему появилась возможность создавать такие высокопроизводительные системы схожие с лучшими наработками Intel в лице Xeon Platinum.

Ограничения на поставку передового оборудования для литографии, таких как установки от ASML, и запрет выдачи лицензий на ARM-архитектуру, заставили российскую микроэлектронную промышленность искать пути обхода этих барьеров.

В краткосрочной перспективе разработчики делают акцент на адаптацию старых, уже имеющихся технологий: многие предприятия, такие как МЦСТ и Байкал Электроникс, пытаются модернизировать уже имеющиеся линии для выпуска чипов для работы по более тонкому техпроцессу. Конечно, в ближайшие годы этим компаниям не добиться выпуска процессоров на передовых топологиях вроде 5-нм, однако, использование техпроцесса в 28-нм будет вполне достаточно, чтобы закрыть базовые внутренние потребности рынка РФ. Одним из основных направлений становится переход на открытые архитектуры, такие как RISC-V, которые не подпадают под санкционные ограничения. Эта стратегия дает возможность российским разработчикам, включая "МЦСТ" и "Байкал Электроникс", создавать процессоры, совместимые с современными программными экосистемами, не зависимыми от западных технологий. Однако, реализация таких проектов требует значительных инвестиций со стороны государства или привлечения частного капитала, при этом в сохраняющихся условиях санкционного давления. В этой связи особую роль играют государственные программы поддержки, такие как гранты и субсидии на создание новых производственных мощностей и разработку оригинальных, отечественных архитектур.

Еще один перспективный вектор развития связан с углублением сотрудничества с дружественными странами, в первую очередь, с Китаем. Китай имеет развитые производственные мощности и технологиями, которые могут использоваться для выпуска российских процессоров, а также страна имеет обширный опыт в обходе санкций и развитии собственной отрасли микроэлектроники. Партнерство с китайскими компаниями может стать ключевым фактором для создания гибридных решений — российские разработки на базе RISC-V могут производиться на китайских заводах, что ускорит их внедрение на рынок. При этом, помимо международного сотрудничества, критически важно выстроить внутри страны полную цепочку производства, начиная от разработки и заканчивая выпуском готовой продукции. 

Санкции сильно осложнили импорт не только оборудования, но и полупроводниковых материалов — кремниевых пластин, фотошаблонов для литографии и других важнейших компонентов. Это создает необходимость развития отечественного производства компонентов, что требует времени однако, позволит в долгосрочной перспективе уменьшить зависимость от импорта. Несмотря на то, что у России есть партнер в лице Китая, который может предоставить фабрики с подходящим оборудованием для создания современных CPU и поставлять необходимые для их выпуска компоненты, стране необходимо развивать собственные производственные мощности, чтобы добиться полного технологического суверенитета. Санкционные ограничения будут стимулировать создание новых технологических решений и вынудят разработчиков искать инновационные подходы, например, в области использования альтернативных материалов или методик производства. Интерес к графену, углеродным нанотрубкам и фотонным технологиям может стать базой для создания уникальных процессоров, способных занять нишевые сегменты даже мировом рынке.

Конечно, санкции сильно замедлили индустрию создания CPU в России, отбросив ее на несколько поколений назад, однако, в этом есть свои плюсы, например, отечественные разработчики начали искать пути переноса производства процессоров на фабрики, находящиеся на территории РФ. Однако, даже если компании найдут способ создавать CPU на российских производственных мощностях, это произойдет совсем не скоро, поэтому на данный момент у отечественных чипмейкеров есть один выход из ситуации — использовать фабрики дружественного материкового Китая, как это делает компания Huawei. Команда ServerFlow надеется, что со временем российская микроэлектроника продемонстрирует свой потенциал и в нашем ассортименте появятся конкурентные решения на базе отечественных чипов.