聊聊俄罗斯的IC设计和微处理器发展

今天一篇介绍俄罗斯28nm IC量产的消息把俄罗斯半导体产业浮出水面，俄罗斯的MIPS架构处理器--Baikal Electronics公司的“Baikal-T1”（贝加尔湖）昨天正式量产了。Baikal-T1采用(台积电)28nm工艺制造，封装尺寸25×25毫米，功耗不足5W。它整合了两个MIPS P5600 Warrior架构的CPU核心，主频1.2GHz，共享1MB二级缓存，还整合了DDR3、SATA 6Gbps、PCI-E 3.0、10Gb/1Gb以太网等多个输入输出功能，是一颗高度集成的SoC。

虽然是32位，但MIPS P5600支持增强虚拟寻址(EVA)，可以使用4GB内存，也支持扩展物理寻址(EPA)，从而能够使用最多1TB内存，此外还引入了一些最新MIPS架构里的指令功能。另外，不同于龙芯可以运行Windows(XP实测开机27秒)，该处理器的分发平台是基于Debian的Linux发行版，可以使用的软件包括了办公软件LibreOffice、浏览器Firefox等等。

潜在用户总数超过5亿人。”

今天，借着这个新闻聊聊战斗的名族俄罗斯的半导体产业，俄罗斯在算法和底层操作系统开发方面很有优势，除了上面的公司外，俄罗斯公司Moscow Center of SPARC Technologies (MCST) 也在研发处理器，而且去年宣布了自主研发的处理器 Elbrus-4S(如图所示，俄文字母C对应的英文字母是S)。

Elbrus-4S使用的是Elbrus指令集，而不是公司名字中的SPARC指令集。Elbrus指令集是一个私有的架构，细节所知不多，但它有一个有意思的功能：x86模拟，也就是说在运行时x86代码通过虚拟机翻译执行，这种方法没有x86架构处理器快，但通过CPU的x86兼容层它能支持Windows XP和其它x86兼容操作系统。根据技术规格，Elbrus-4S有9.86亿个晶体管，考虑到它没有集成GPU这个数字相当高了。

据一些网友透露的信息，在半导体代工厂方面，俄罗斯只有8英寸厂，IC设计 设备 材料 制成工艺 专利数比 赶上中国需要10年左右 （当然，这是我们停止进步的情况下）。  

俄罗斯半导体发展历史

前苏联时期，俄罗斯微电子工业主要集中在俄罗斯和白俄罗斯，在数字式霍尔传感器方面水平很高，但工艺水平肯定落后西方,不过技术指标上不相上下.当时他们还没用上SMT，都是女工在显微镜下焊引线。俄罗斯的专家们的基础知识非常扎实，俄罗斯缺失的可能是当年大力发展军事科技而忽视把科技民用化。

对于俄罗斯的半导体处理器技术，除了不少人已知道的三进制机 Setun (Сетунь)，这里面最有意思的可能是 Kronos (Кронос) 计划，是苏联的电脑中少见的完全从头设计的：从体系架构到 CPU 到操作系统到软件。Kronos 的架构非常独特，它的指令集是基于堆栈而不是寄存器。

另外不同于你们的想象，苏联真的做过游戏机，所以那个「苏联人做红警」的问题并不是纯粹的臆想（TIA-MC-1 的画面）

提到苏联计算机理论，绝对离不开一个人。 这个人的一生，凭一己之力带动了苏联计算机的发展，使早期苏联的计算机理论甚至要领先于很多欧洲国家。他就是 C.A 列别季夫(Лебедев, Сергей Алексеевич)（1902-1974）,苏联科学院院士，一生中获得过列宁勋章，获得过斯大林奖章，获得过国家劳动奖章，甚至苏联解体后俄罗斯还要追授奖牌以示对其在计算机科学领域的建树的尊敬。  他也是苏联第一所计算机大学的建立者，这就是“莫斯科精密仪器和计算机学院”，这个学院到现在还用他的名字命名。

 
可以说他是计算机领域的“科莫格罗夫”，是苏联计算机届的”钱学森“。  在他死后，遗体被安葬在莫斯科的新圣女公墓。简直是完美的一生，鞠躬尽瘁，死而后已，人生当如此！  

1.苏联第一台计算机

В 1948 году модель первого отечественного компьютера была собрана. Устройство занимало почти все пространство комнаты площадью в 60 м2.

首台苏联计算机于1948年组装完成,设备占地60平方米

В конструкции было так много элементов (особенно нагревательных), что при первом запуске машины выделилось столько тепла, что пришлось даже разобрать часть кровли.Она потребляла чуть меньше 25 кВт энергии в секунду и занимала 60 квадратных метров. первую модель советского компьютера назвали просто — Малая Электронная Счетная Машина (МЭСМ).

首次运行需要巨大的电量，以至于要用到一部分居民生活用电。这个计算机需要将近25千瓦时运行，占地60平米。首个苏联的计算机，它的名字被称为МЭСМ

Она могла производить до трех тысяч счетно-вычислительных операций в минуту, что по меркам того времени было заоблачно много.В МЭСМ был применен принцип электронной ламповой системы, который уже апробирован западными коллегами («Колосс Марк 1» 1943 г., «ЭНИАК» 1946 г.).

每秒钟大约三千次四则运算。在当时是极其快速的，在计算机里面运用了西方已经成熟了的电子管技术

2.第一代半计算机
这个计算机制造于1952年，是第一代计算机的延续，就像米格25和米格31的关系，前面一代的高性能版。   电子管，占地巨大，每秒运行运算次数提高到6000次，然并卵， 巨大的耗电噪音和体积，依然无解。
3.第二代”箭(стрелка)“牌计算机

ЭВМ «Стрела» создавалась в Москве.Первый образец устройства завершили к 1953-му году. Как и М-1, «Стрела» использовала память на электронно-лучевых трубках «Стрела» оказалась наиболее удачным из этих трёх проектов, поскольку её сумели запустить в серию – за сборку взялся Московский завод счётно-аналитических машин. За три года (1953-1956) было выпущено семь «Стрел», которые затем отправились в МГУ, в вычислительные центры АН СССР и нескольких министерств.

"箭"牌计算机创立于莫斯科。 第一台组装于1953年前， 和第一代计算机一样， 箭牌计算机使用拱形电子管，亦是三款计算机中最成功的，因为成功推出了多个系列，并且内置了浮点运算机。七台箭牌计算机被分置于莫斯科大学计算中心和俄罗斯科学院以及其他几个机构。

Во многих смыслах «Стрела» была хуже, чем М-2. Она выполняла те же 2000 операций в секунду, но при этом использовалось 6200 ламп и больше 60 тысяч диодов, что в сумме давало 300 квадратных метров занимаемой площади и порядка 150 кВт энергопотребления.

在某种意义上来说，箭牌比上面的一代半要差一点， 它只能运行2000次运算每秒，但是却要用6200个电子管灯和6w个二极管，占地竟然要300平米，并且耗能巨大 - 将近150 千瓦时的能耗。

4.第四代真正意义上的微机（ЭВМ)

М-3 вновь была «урезанным» вариантом – ЭВМ выполняла 30 операций в секунду, состояла из 774-х ламп и потребляла 10 кВт энергии. Зато и занимала эта машина только 3 кв.м., благодаря чему пошла в серийное производство (было собрано 16 ЭВМ). В 1960-м году М-3 модифицировали, производительность довели до 1000 операций в секунду. На базе М-3 в Ереване и Минске разрабатывались новые ЭВМ «Арагац», «Раздан», «Минск». Эти «окраинные» проекты.

M-3计算机是作为一种小型的选择， 每秒可以运行30次运算，由774个电子管构成，能耗只有10千瓦时，同时仅仅占地3平方米。得益于批量的生产，到1960年的时候，M-3号计算机已经可以达到1000次运算每秒的运行速度了。 在M-3的基础上，在埃里温和敏斯克都组装出了更加新一代的<霰石> , <明斯克> , <响雷>系列.

由这个莫斯科精密仪器和计算机学院制造的第一代巨型计算机БЭСМ-1,2 （由于占地400平方米） 以及后续的«Байконур»和《乌拉尔》2-4系列
由莫斯科国立大学МГУ制造装配的当时最小的计算机《Сетунь».

楼上都是关于苏联早期或者民用的计算机。

俄罗斯的超级计算机

苏联的超级计算机M13也是当过世界第一，今日俄罗斯租借的阿塞拜疆加巴拉远程预警雷达站,M-13计算机就是为了该雷达而研制

这就是M-13主机
 

苏联的名字很少在超级计算机的名单上出现，那个名单大部分是日本或美国，但是也不代表日本计算机技术世界上非常领先，同样也不代表苏联落后，事实上，日本除了超级计算、半导体技术外还还很少抢过名头。超级计算机多数情况下只是为了科学运算，捎带着抢个名次什么的，日本得名次的超级计算机很多是用自己的专用处理器来实现，但是这些专用处理器其他人几乎没见过，说白了就是为了争名次，花个几千万做那么一批，这些处理器除了用来干这个没别的什么人在乎。

同样，超级计算中涉及的计算机体系结构其实不需要半导体技术多牛(当然也不是说不需要了,请不要误解,中国就是个例子)，就是找到硬件和软件实现方法来让计算机跑的更快，流行的就是用一大堆的处理器按照某种设计并行起来用，美国，包括现在中国都是用INTEL或其他公司的商用处理器，成千上万的堆叠起来，采用独特的存储，交换、散热等技术实现超级运算。当然其中还有很多专业性问题，不过就不多说了，下面会简单介绍。

Дарьял-У雷达站，M-13就是为了该系统而研制诞生，成为1984年超级计算机冠军。但苏联好象从来不在乎争那个名次
     苏联的M-13超级计算机诞生于1984年，是苏联为了新一代远程预警雷达“Дарьял-У”信息处理而研制的，1981年由苏联计算机系统研究所（НИИВК）接受了研制第4代远程预警雷达站数据处理系统研制任务。该研究所首席设计师为苏联计算机技术权威М.А.卡尔谢夫Карцев，НИИВК曾是苏联的电气能源研究所下属计算机实验室，后来在其杰出的领导者卡尔谢夫带领下，于1967年独立组建。成立后就因研制了以M为代号的一系列苏联超级计算机，应用于苏联弹道导弹预警系统中，而成为与列别捷夫精密机械研究所齐名的苏联计算机研制单位。

М.А.卡尔谢夫
       今天，该研究所的工作人员在开发计算机硬件和软件，用于处理大量的雷达、声纳信号，以及地球物理、地震问题等其他大数据科学运算领域取得显著进展。研究所主要在冗余计算机系统、实时系统，以及数字信号处理和图像处理应用等高达数百亿/秒的操作条件，并严格限制设备、功耗要求方面的成套系统和工作站等领域开展研究工作。NIIVK科学与应用科学还包括：
- 雷达信号模拟，水下声学，高度复杂的自动控制系统；
- 在需要高可靠性和高性能的运输，地下开采等能源和工业企业的自动化过程控制系统；
- 空运，海运和陆运安全管理系统；
-用于火车，地铁，地面交通和主要联邦动力系统（核能、热能、水电和大型变电站）以及紧急情况下飞机和船只安全记录系统的开发和生产；
-各种用途特殊用途的硬件和软件信息技术的发展;
-使用最新的数字信号处理算法和最多10万亿次/秒超大容量声纳和雷达信号处理系统；
- 在导航交通“云计算”控制系统的研制 等等。

       M13的研制单位除了计算机研究所НИИВК，还有著名的三角旗设计局ЦНПО “Вымпел”（该局现在属于“金刚石-安泰”科学生产联合体，负责雷达导弹控制计算机系统研制），和第聂伯罗彼得罗夫斯克机器制造厂等单位，НИИВК负责设计，后两家负责制造计算机系统，整个工作在1981年就开始，但1982-83年两家单位都没有最后完成，因为涉及到很多技术问题，1983年11月才由红星机电工厂完成了多层电路板设计和制作，为系统最后实现创造了条件。
      M-13是一种面向向量型并行计算，以流水线结构为主的并行处理计算机。这里先简单介绍下向量计算。向量运算是一种较简单的并行计算，很适合于流水线计算机的结构特点。它适用面很广，机器实现比较容易，使用也比较方便，因此向量计算机获得了迅速发展，到1982年底，当时世界上的60台超级计算机中大多数是向量机，中国于1983年研制成功的每秒千万次的757机和亿次的“银河”机也都是向量机。向量机适用于线性规划、傅里叶变换、滤波计算以及矩阵、线代数、偏微分方程、积分等数学问题的求解，主要解决气象研究与天气预报、航空航天飞行器设计、原子能与核反应研究、地球物理研究、地震分析、大型工程设计，以及社会和经济现象大规模模拟等领域的大型计算问题。向量计算机以向量作为基本操作单位，操作数和结果都以向量的形式存在，包括纵向加工向量机和纵横加工向量机。向量一般配有向量汇编和向量高级语言，供用户编制能发挥向量机速度潜力的向量程序。只有研制和采用向量型并行算法，使程序中包含的向量运算越多、向量越长，运算速度才会越高。面向各种应用领域的向量的建立，能方便用户使用和提高向量机的解题效率。

M-13处理器模块
     M-13和其他向量机一样，采用先行控制和重叠操作技术、运算流水线、交叉访问的并行存储器等并行处理结构，这对提高运算速度有重要作用。但在实际运行时还不能充分发挥并行处理潜力。所以采用向量型并行计算与流水线结构相结合，能在很大程度上克服通常流水线计算机中指令处理量太大、存储访问不均匀、相关等待严重、流水不畅等缺点，并充分发挥并行处理结构的潜力，显著提高了运算速度。M-13系统包括两种类型的处理器：CPU部件（通用处理器）和一个专门特别处理器设计用于数字信号处理。系统采用模块化设计，允许设备在各种不同配置组合，其核心是两个永久结构的中央处理器模块，在客户有特殊要求后可提供专门的其他模块完成整个系统。 M-13使用了TTL电路133，130，530系列，采用半导体存储器芯片的存储设备被大量使用。从1986年到1992年，工厂生产并交付给客户约18套M-13系统。

M-13计算机硬件配置图
主要数据：
Технические характеристики ЭВМ М-13Центральная процессорная часть.
• Быстродействие, оп/с. 12 млн.  24 млн. 48 млн.
•Емкость внутренней памяти, Мбайт 8,517  34
В том числе:
•ОПГ (1-й уровень), Мбайт 0,25  0,5 1,0
•ППГ,  Мбайт  0,25  0,5 1,0
•ОПГ (второй уровень), Мбайт  8 16 32
•Суммарная пропускная способность центрального коммутатора  Мбайт/с.  800  1600 3200
•Пропускная способность мультиплексного канала  Мбайт/с. 40 70 100
Абонентское сопряжение:
•Число сопрягающих процессоров 8, 16, . . . . 128
•Максимальное быстродействие, оп/с. 350 млн
Специализированная процессорная часть
•Ёмкость управляющей памяти гипотез, Мбайт  4, 8, . . . 128
•Максимальное эквивалентное быстродействие  -  2,4 млрд.оп/с.
以上是引用。
移动互联网方面，手机确实是苏联科学家发明的，但是明显苏联没活到智能机时代。

部分内容来自知乎

帖子地址：http://www.zhihu.com/question/23799867

现在俄罗斯量产的“Baikal-T1”（贝加尔湖）应该代表了其处理器最高的水准，也显示俄罗斯的IC产业开始起步了，由于俄罗斯专家的基础知识很扎实，未来其IC设计产业发展不可小觑。

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