Он может всё. Игры на процессоре «Эльбрус»
Российские геймеры лишатся возможности собрать игровой ПК из-за отказа компаний поставлять в Россию комплектующие. Фантастический сценарий? Только пока работают схемы параллельного импорта компьютерного железа. На этом фоне новости о запуске современных игр на отечественных процессорах «Эльбрус» вызвали бурные обсуждения. Мы попытались выяснить, есть ли игровое будущее у отечественной разработки.
Disclaimer
В данной публикации мы анализируем возможность использования российских процессоров серии «Эльбрус» с архитектурой e2k для игр на основании открытой информации. iXBT.games не специализируется на материалах технического характера, мы не претендуем на полноту и точность раскрытия особенностей архитектуры и деталей техпроцесса. Технические моменты лучше прояснить на официальном сайте производителя (МЦСТ), либо на профильных ресурсах.
Отечественный процессор
При обсуждении российских процессоров компании МЦСТ сломалось много копий. Вокруг его происхождения, места производства и архитектуры «Эльбрусов». Порой доходит до того, что эти чипы называют копией продукции Intel двадцатилетней давности, которые производят в Тайване. Из чего делается вывод, что «Эльбрус» нельзя назвать отечественным процессором.
Разработчиком процессоров серии «Эльбрус» является российская компания МЦСТ (первоначально Московский центр SPARC-технологий), основанная в марте 1992 года. Компания занимается разработкой микропроцессоров с архитектурой SPARC и e2k (Эльбрус-2000). В актуальном каталоге компании представлены процессоры обеих архитектур. Процессоры с архитектурой SPARC имеют коммерческое название Rxxx, с архитектурой e2k — Эльбрус-xxx, где xxx — индекс процессора. Поэтому под процессорами «Эльбрус» подразумеваются процессоры с архитектурой e2k.
Архитектура e2k является процессоров вычислительного комплекса «Эльбрус-3», разработанного в конце 80-х в Институте точной механики и вычислительной техники имени С. А. Лебедева Российской Академии наук. Первым процессором этой архитектуры стал «Эльбрус-2000», появившийся в 2007 (по другим данным, в 2008) году. Однако информация о разработке этого процессора в профильной прессе появлялась почти за 10 лет до этого.
Процессоры «Эльбрус» относятся к VLIW-процессорам. Подробности о том, что такое VLIW, лучше узнать из технических публикаций, но если коротко, то одна инструкция для процессора содержит несколько операций, выполняемых параллельно за один такт. В теории это дает преимущество над распространенными ныне архитектурами: за меньшее количество тактов процессора выполняется больше команд, аппаратная часть упрощается. Оптимизация последовательности исполняемых команд возложена на компилятор, что делает его неотъемлемой частью комплекса. Как следствие, неродной для VLIW-процессоров код является неоптимальным с точки зрения быстродействия, а создание такого компилятора становится нетривиальной задачей.
Однако особенности архитектуры процессоров не делают их узкоспециализированными. «Эльбрусы» — это универсальные центральные процессоры, способные работать в серверах, рабочих станциях и настольных ПК, решая привычные для пользователей задачи, в том числе запуск компьютерных игр.
К известным представителям такой архитектуры, помимо «Эльбрусов», относятся чипы Itanium. Вероятно, схожесть архитектур IA-64 и e2k породила миф о копировании архитектуры Intel в процессорах «Эльбрус». Это не так. Как уже упоминалось, в основе процессоров лежат разработки советских инженеров конца 80-х годов, а подготовка к выпуску настольных процессоров велась в 90-е годы.
Еще проще опровергнуть миф о «нероссийском» процессоре «Эльбрус», связанный с местом производства в Тайване. До февраля 2022 года процессоры производились на мощностях одной из крупнейших мировых фабрик — TSMC. Действительно, в России подобных производств нет. Но сам факт производства чипов отечественной разработки на зарубежном производстве не делает чипы иностранными. На мощностях TSMC производятся чипы Intel, AMD, Apple, NVidia и др.
Обсуждаемый перенос производства в Китай или российский Зеленоград не сделает эти процессоры ни более, ни менее отечественными. Производство микроэлектроники — это глобальная кооперация в мировом масштабе. Ни Китай, ни США не обладает полным циклом производство чипов по самым современным техпроцессам — начиная от сырья и средств производства до конечной продукции.
К большому сожалению, наличие в России компетенций по разработке универсальных центральных процессоров не означают возможность их производить даже по нормам давно освоенных в мире техпроцессов.
Чипмейкером № 1 в России является завод Микрон. На официальном сайте имеется информация о доступности технологий производства на 90—200 нм (нанометров). Техпроцесс 90 нм был лицензирован в 2010 году. Техпроцесс 65 нм в разработке: проходит квалификацию и освоение в производстве.
Современный «Эльбрус-8С» (2016) производится по техпроцессу 28 нм, перспективный «Эльбрус-16С» (первые инженерные образцы получены в 2020 году) — 16 нм. Анонсированный «Эльбрус-32С» должен был появится в 2025 году и выпускаться по нормам 7 нм.
Для сравнения: процессоры оригинальных Xbox One (2013) и PlayStation 4 (2013) выпускались по техпроцессу 28 нм. PS4Slim (2016) и Xbox One X(2017) получили процессоры выпущенные по техпроцессу 16 нм. Сердцем консоли Xbox Series стал чип, представленный в 2020 году изготовленный по технологии 7 нм.
В начале 2000-х в России была предпринята попытка запустить производство чипов на купленном у AMD оборудовании. Огромная сумма денег, выделенная государственным банком, была фактически похоронена еще до того, как у России в 2014 году появились первые проблемы с поставкой оборудования для производства микроэлектроники.
Так что российского процессора, произведенного в России, придется еще подождать.
С происхождением, архитектурой и производством процессора разобрались. А что про игры?
Эльбрус для игр
Бытует мнение, что российский «Эльбрус» создается только для использования в российскими государственными структурами и окологосударственными предприятиями. Игры — не его предназначение, так что тестировать их на этом процессоре не имеет смысла. Однако бессмысленность этого только кажущаяся.
История развития процессоров и компьютеров на их основе демонстрирует, что при их разработке на игры не рассчитывали, но играм это не мешало. Поэтому упрек в сторону отечественных процессоров в том, что якорным заказчиком систем на их основе выступают структуры, получающие бюджетное финансирование, во многом несправедлив. Первым ключевым заказчиком почти всех процессоров и устройств на их основе выступали государственные или крупные бизнес структуры, способные обеспечить единовременные массовые заказы.
Знаменитый в России и странах СНГ ZX-Spectrum 48k с процессором Zilog Z80 изначально нацеливался Клайвом Синклером для компьютеризации средних школ Великобритании. Старт этой программы пришелся на 1982 год, и Синклер рассчитывал на массовые государственные заказы. Да и следующий проект Sinclair QL нацеливалась вовсе не на захват игрового рынка.
Нелишним будет напомнить, что компания IBM (International Business Machines), популяризировавшая архитектуру x86 в своих PC, ориентировалась прежде всего на корпоративный и государственный сектор. Как производитель электронных вычислительных машин, IBM зарекомендовала себя уже в 50-х годах. Одними из первых компьютеров, производимых компанией, был AN/FSQ-7 для американской системы противовоздушной обороны SAGE.
Первые персональные компьютеры (PC) также были ориентированы на корпоративный рынок. Не каждый представитель среднего класса мог позволить купить для дома ПК за полторы тысячи долларов США (около 5000 долларов в нынешних ценах). Это цена бюджетной домашней модели с 16 кб оперативной памяти. В публикациях, перечисляющих прелести владения домашним ПК, игры стояли не на первом месте.
Существующий рынок комплектующих для ПК высококонкурентный. Побудить пользователей отказаться от привычного уклада способны только крупные корпорации, имеющие в своем распоряжении мощную финансовую подушку безопасности, компетенции для создания высокотехнологичных продуктов и мощную PR-машину.
Как успешный пример из недавнего прошлого — Apple, массово внедрившая процессоры ARM на десктопы, а до этого сменившая процессоры PowerPC на x86. Имея многомиллионную армию фанатов (во всех смыслах), компания может проделывать такие «фокусы». Производители ПО подтянутся в любом случае.
Есть и обратные примеры. Intel через 20 лет после выпуска на рынок процессоров Itanuim решила отказаться от развития архитектуры IA-64. Причиной отказа от развития послужили не только технологические сложности с особенностями архитектуры (аналогичной «Эльбрусам»), но и маркетинговые просчеты, а также необходимость сосредоточиться на линейке x86 процессоров.
У российской МЦСТ нет ни сформированной армии фанатов, ни мощной финансовой подушки безопасности. В России вообще нет богатых производителей электронных компонентов с историей. В 90-е годы электронная промышленность, оставшаяся от СССР, частично умерла, частично перешла на сборку западных образцов техники (многочисленные клоны ZX-Spectrum и т. п.). В 00-е годы лучше не стало. Никто не хотел вкладывать средства в производство отечественных компонентов при наличии дешевых западных.
Понимая особенности рынка, в МЦСТ реализовали двоичную трансляцию кода x86 процессоров в код e2k. Благодаря этому на «Эльбрусах» уже давно работают обычные ПК-игры и приложения в привычном для них окружении операционной системы Windows. Это было продемонстрировано еще пять лет назад на примере GTA: Vice City, запущенной на рабочей станции под управлением «Эльбрус-4С».
Современный процессор «Эльбрус-8С» показывает большую производительность. Абсолютные показатели производительности не впечатляют, но прогресс по сравнению с предшественником 4С налицо. Оценивая абсолютные значения fps нужно также учитывать слабую видеокарту, установленную на тестовый стенд. Результаты такие: Ведьмак 3 — 20 fps, Cyberpunk 2077 — 10 fps, Doom 2016 — 40 fps.
Компиляция игровых проектов под архитектуру e2k позволяет процессору лучше раскрыться в играх. Адаптированных проектов мало, в основном это игры с открытым исходным кодом для Linux, и большой популярностью и известностью они не пользуются. Впрочем, популяризация Steam Deck с операционной системой SteamOS, возможно, в будущем сделает игры для Linux более привычным продуктом. А перенос подобных проектов на системы под управлением «Эльбрусов» не требует много усилий.
Примером тому является портирование под архитектуру e2k еще в 2020 году игр Gaijin Entertainment. Портированные проекты показали удовлетворительную производительность на процессоре 8С с видеокартой AMD Radeon R9 380: War Thunder — 82 fps, больше чем на Windows, остальные проекты — более 30 fps. Недавние тесты на новом «Эльбрус-16С» продемонстрировали производительность 100 fps в War Thunder и более 40 кадров в секунду в других играх! При этом производительность уперлась слабую видеокарту Radeon RX580, по производительности сравнимую с Nvidia GTX 1060.
Перенос игр на новую архитектуру позволяет не только удовлетворить любопытство энтузиастов, но и решить более приземленные задачи. Такая работа, к примеру, выявила некоторые баги в компиляторе lcc компании МЦСТ. Кроме того, изменения и оптимизации, вносимые в исходный код при адаптации проектов, также положительно сказываются на производительности под Windows.
Ключевыми проблемами для желающих играть в игры дома на Эльбрусе являются физическая и ценовая доступность. Сейчас материнская плата E8C-mITX на базе «Эльбрус-8С» с интегрированным 2D-видео стоит чуть дороже 250 тысяч рублей. «Максимально российский ПК» в отечественном корпусе BITBLAZE Oberon 100L на базе процессора «Эльбрус-8С» с видеокартой AMD Radeon 4Gb, SSD 256 Гб и 16 Гб оперативной памяти оценивается в 540 тысяч рублей…
Дорого, но нужно понимать, что фактически производство процессоров «Эльбрус» и ПК на их основе — это штучный товар. Проблемы с ценовой доступностью решаются только при массовом производстве, обеспеченном массовым же спросом, который на начальном этапе могли бы обеспечить крупные предприятия или государственные структуры.
С физической доступностью несколько сложнее, готовой производственной площадки на данный момент нет. Несмотря на существующую возможность рядовому покупателю приобрести «Эльбрусы», следующие несколько лет не придется говорить о переходе российских геймеров на ПК под управлением отечественных процессоров. Пока не будут решены производственные проблемы, пока не получится снизить себестоимость производства за счет массовости выпуска чипов, сердцем игровых ПК останутся Intel и AMD, ввозимые сейчас в Россию по серым схемам.
Diagnosis
Процессоры «Эльбрус» — это действительно отечественная разработка. Существующие и перспективные центральные процессоры выпускаются по современным техпроцессам с отставанием от лидеров рынка на несколько лет.
Собственная архитектура, с одной стороны, является помехой для запуска игр, так как Windows-приложения требуют затрат на трансляцию кода x86 в код e2k. Это негативно сказывается на производительности. При переносе игр на архитектуру «Эльбруса», производительность лучше. В любом случае, как показывают тесты энтузиастов, производительности достаточно для того, чтобы запускать современные компьютерные игры, а слабой видеокарты уровня NVidia GTX1060 уже недостаточно для того, чтобы загрузить процессор.
В наши дни играть на «Эльбрусах» — развлечение для избранных энтузиастов, имеющих доступ к таким ПК. При существующей стоимости и производительности покупать такой ПК домой не имеет смысла, хотя возможность такая есть. Но если звезды сойдутся благосклонно, то, возможно, в будущем на «Эльбрусах» мы сыграем. Или наши дети.
P. S.
Спасибо Максиму imaxai Горшенину за полезные комментарии при подготовке публикации.