Рождение советской ПРО. Атака клонов
Как же Зеленоград пришел к идее копирования микросхем, почему не начали разрабатывать свое, отечественное?
А очень просто. Как мы помним, в НИИ-35 на теплой должности начальника сидел некий Б. В. Малин, все величие которого, как конструктора, заключалось в его отце – В. Н. Малине, заведующем общим отделом ЦК КПСС. Естественно, Шокин очень любил и уважал столько полезного человека. И как мы помним, Малин был в числе счастливчиков, по партийной линии прокатившихся в США на стажировку в области микроэлектроники.
Стажировались они до 1962 года и с удовольствием продолжали бы хоть до 1970-го, но случился Карибский кризис и возведение Берлинской стены. И отношения между СССР и США были испорчены окончательно. Из командировки Малин привез сувенирчик – добытые им аж шесть раритетных TI SN510. Так как Зеленоградский центр был уже основан и в нем надо было быстро начинать что-то производить (а конструкторы из партийных боссов как-то не очень получались), Малин просто показал Шокину образцы и тот повелел немедленно их скопировать.
Дадим слово самому Малину. Вот цитата из его личного отчета Шокину о результатах командировки:
Помимо совершенно типичного деспотичного хамства, характерного для всех видов советских начальников (в теме не разбираюсь, зато член ЦК!), мы видим и типичное же непонимание ими предметной области. Серийный выпуск малыми партиями в 1967 году копий американских микросхем, выпущенных еще в 1962 и устаревших на пять лет… Это был приговор всей отечественной электронике, с этого момента мы навсегда превратились в аутсайдеров, и это при полной возможности развивать самостоятельные разработки! Малин (отчего-то с гордостью) вспоминает:
Забивание гвоздей в крышку гроба отечественной микроэлектроники с 1962 по 1974 годы в виде фактического воровства устаревших на годы американских ИС нисколько не огорчает «ведущего инженера».
Первым клоном, изготовленным на Фрязинском заводе по проекту НИИ-35, стала ТС-100 – полный аналог TI SN510 (планарная кремниевая технология). При этом выпуск не стал легким:
И это при вполне существующей и рабочей технологии Осокина! К сожалению, завод РЗПП не обладал таким политическим весом и такими могущественными покровителями.
Малин не только был вхож к Шокину, он тесно общался с Председателем ВПК Смирновым, Президентом АН Келдышем и сменившим Микояна на посту Председателя Совета Министров СССР Косыгиным, фактически правившим страной параллельно с Хрущевым. Естественно, у рижан не было ни малейшего шанса что-то развивать в условиях столь тяжеловесной конкуренции.
Кроме этого, не забыли мы позаимствовать и SLT-модули, воплощенные в знаменитой серии ГИС «Тропа», которая использовалась в ЕС ЭВМ до середины 1970-х годов. К сожалению, для любителей копирования SLT появились уже после того, как стажировка советских спецов в США стала невозможной по политическим мотивам, а живой мэйнфрейм S/360 американцам и в кошмарном сне не привиделось бы продать в СССР. В итоге инженеры совершили истинный подвиг, скопировав ГИС, не имея исходников, буквально по фотографиям. Вот что говорит об этом первый директор зеленоградского НИИТТ В. С. Сергеев:
Опытные образцы были готовы к 1964, но производство удалось наладить лишь в 1967 году, а последние известные образцы относятся к… 1991 (!) году.
Серия состояла из ГИС 201ЛБ1 (позже К2ЛБ012, элемент НЕ), К201ЛБ4 (два элемента НЕ и два 2ИЛИ-НЕ), 201ЛБ5 (позже К201ЛБ6 и 201ЛБ7, пять элементов НЕ), 201ЛС1 (два элемента 2ИЛИ) и К2НТ011 (позже К201НТ1 и К201НТ2, сборки из четырех npn-транзисторов). Как любопытное упоминание этой серии в нынешней жизни – Единый тарифно-квалификационный справочник работ и профессий рабочих от 2007 (!) года, профессия «Ретушер прецизионной фотолитографии. 4-й разряд»:
Отметим, что советская промышленность не заморачивалась насыщением гражданского рынка микроэлектроникой, от слова совсем, речь не шла о микросхемах – даже микросборками и то не радовали. Многие предприятия были вынуждены осваивать их разработку и выпуск самостоятельно, под конкретные изделия, и продолжалось это не просто долго, а очень долго. Например, Минским приборостроительным заводом еще в 1993 выпускалась серия осциллографов С1-114/1 на ГИС собственной разработки, а сами эти ГИС, чудовищно, невообразимо устаревшие, были сняты с производства только в 2000 году!
По воспоминаниям людей, не имеющих отношения к военным технологиям, еще в начале 90-х на учебно-производственных комбинатах заставляли распознавать виды ламп по характерным признакам (даже стандарт был – опознать с двух метров).
Выпуск микросборок должен был заткнуть тотальную нехватку настоящих интегральных схем, которые в 99 % случаев шли в военную отрасль и расходились по немногим НИИ. На микросборках же выпускали бытовую технику высшего класса (низшую на лампах) – например, «элитные» радиоприемники «Орленок», «Космос» и «Рубин».
В бытовой технике копировались не только компоненты, с начала 1950-х стало традицией не мелочиться, а воровать все изделие целиком, при условии, что наш уровень технологий позволял его скопировать. Например, в 1954 году появился поразительный радиоприемник «Звезда-54». СМИ описывали это событие как огромный советский прорыв в оформительском дизайне и последний писк моды, на самом деле это была абсолютная копия французского Excelsior-52. Точно не установлено, каким образом прототип попал в ИРПА (Институт радиовещания и акустики). По некоторым данным, его привезли дипломаты, по другим – он был специально закуплен для копирования.
С транзисторными приемниками тоже была беда – один из первых советских, «Ленинград», был создан на основе Trans-Oceanic Royal-1000 1957 года выпуска американской фирмы Zenith, при этом производили его небольшой серией, а сборка была ручной.
Ну и наконец, из широко распространенных мифов можно упомянуть и тот, что якобы первым в мире функционально законченным изделием потребительской микроэлектроники стал тот самый советский радиоприемник «Микро» – первое изделие, выпущенное Зеленоградом в 1964 году.
Более того, ходят упорные слухи, что Хрущев раздаривал эти приемники лидерам иностранных государств, и те в шоке высказывались в духе «как это СССР смог нас обогнать». На самом же деле, от интегральной технологии в «Микро» была только плата с напылением, полупроводники были дискретными. На плату из ситалла через специальные трафареты были нанесены шесть слоев разных материалов, образующих только пассивные детали (более того – только емкостные). Транзисторы же в приемнике были обычные дискретные и просто на плате распаянные, что ясно видно на вскрытом приборе.
В результате вместо мифических «первых в мире пленочных ИС» получаем обычную печатную плату, только не традиционно травленную, а с вакуумным напылением и в несколько слоев – никаких чудес. Приемники же на дискретных транзисторах к 1965 году в США выпускались десятками видов (с 1956 года – один из первых в мире был Admiral Transistor) уже несколько лет, и поразить явно никого не могли (в Японии и Европе их также было огромное количество).
В наибольшей степени характеризует ту эпоху уникальный документ, один из немногих сохранившихся и находящихся в широком доступе – «Рекомендации по созданию узлов и блоков на твердых схемах», выпущенные для одного из воронежских НИИ в 1964 году в рамках некоего «заказа 1168»:
Далее идет большая таблица параметров микросхем, для которых рассматривается возможное воспроизводство – планируется украсть почти все, от видеоусилителя Fairchild MA704 и двухкаскадной схемы Дарлингтона Westinghouse WM1110 до триггера Motorola MK302G и логического вентиля 2ИЛИ-НЕ Sylvania SNG2! Затем следует около 10 страниц принципиальных схем и описания серии TI SN5xx, дополненных рекомендациями по проектированию устройств на ИС.
В результате применения этих гениальных методов развития отечественной электроники к 1970-му году в стране вообще не осталось оригинальных разработок, кроме германиевой ИС Осокина – скопировано было все, что можно: от огромных базовых матричных кристаллов до ничтожных сдвиговых регистров.
Забавно и то, что примитивная гибридная пленочная технология была в СССР чрезвычайно популярна даже когда весь остальной мир уже давно перешел на ИС. Дело в том, что производить схемы хотя бы средней интеграции было на советском уровне развития технологий очень сложно, в результате гражданскую продукцию собирали на монстрах типа 230-й серии. Это настоящие ИС, только изготовленные, скорее, как «макросхема»: гибридное исполнение, многослойная толстопленочная технология, каждая содержит до 40 логических элементов типа ТТЛ, образующих либо счетчики, либо регистры, либо устройства уравновешивания.
Очень необычно исполнение серии – многослойная коммутационная плата с регулярной структурой и внутренний монтаж методом перевернутого кристалла. Чудовища типа К2ИЕ301Б (примитивный четырехразрядный счетчик, зато размером больше спичечного коробка) выпускались у нас до 1990-х годов, зато сейчас они являются предметом охоты коллекционеров микросхем всего мира, наподобие ископаемых костей мамонтов.
Уровень российской микроэлектроники тех лет хорошо характеризуют не восторженные воспоминания патриотов, основанные на мифах в стиле книги «50 лет советской микроэлектроники»:
А вполне объективные (так как для высшего руководства, принимающего на основе этих бумаг стратегические решения) недавно рассекреченные доклады ЦРУ, посвященные анализу отечественной промышленности (USSR seeks to build advanced Semiconductor Industry with embargoed western machinery). Один из отчетов, подготовленный в 1972 году, посвящен достижениям Союза в производстве интегральных микросхем, в 1999 году этот документ был рассекречен и позднее опубликован в онлайн-библиотеке агентства. Вот некоторые выдержки из него:
Агент ЦРУ (его имя из доклада вырезано), побывавший на заводе в Брянске, писал:
Объемы производства на заводе в Ленинграде были оценены как существенно меньшие, нежели в Брянске. Тот же самый или другой агент американской разведки, посетивший завод «Светлана» в 1972 году, привел данные по выпуску менее чем 100 тыс. высокочастотных транзисторов в месяц и отметил, что на этом заводе также используется некоторое западное оборудование.
В докладе также отмечается, что производительность выпускаемых на этом заводе изделий ниже заявленной СССР для этого типа интегральных микросхем три года назад. По итогам посещения завода в Воронеже агент отметил наличие на этой площадке большого количества диффузионных печей – порядка 80 штук, однако, из них только около 20 на момент его визита реально использовалось. Установок проволочной термокомпрессионной сварки на заводе при этом оказалось немного. Для сравнения – в 1971 году в США было произведено более 400 миллионов ИС, приводит данные ЦРУ.
При этом созданный в 1949 году и рассекреченный в 1953 году знаменитый Coordinating Committee for Multilateral Export Controls (CoCom, Координационный комитет по экспортному контролю из 17 государств), предназначенный для контроля над оборотом опасных технологий, должен был предотвратить советскую угрозу миру, эффективно ограничивая военный потенциал СССР, лишив его доступа ко всем новым технологиям, которые могли бы быть применены в военных целях. Но мы помним, что СССР практически не имел целей, кроме военных, и все, что он разрабатывал, на 99 % шло в ВПК, соответственно КоКом перекрыл ему доступ практически ко всей продвинутой мировой технике.
На удивление это сработало чрезвычайно эффективно – например, мы так и не смогли ни купить, ни украсть настоящий CDC 7600 (пришлось с грехом пополам заменять его БЭСМ-6), так и не смогли достать живой Cray-1 (который в перспективе планировали выпускать как БЭСМ-10).
Но настоящая проблема была в другом – с начала 1960-х мы привыкли копировать западные ИС, а для этого жизненно нужно было скопировать и линии их производства. Вот здесь нас и поджидала засада – для Зеленограда, как мы помним, еще кое-что удалось купить у японцев, финнов и швейцарцев (даже не за валюту, а прямо за золото), но с середины 1960-х этот поток стал стремительно иссякать. Практически ни одна компания – производитель прецизионного оборудования для фотолитографии, не хотела попасть под санкции 17 государств сразу, рискуя ради ничтожной прибыли в СССР потерять весь бизнес, тем более что полная производственная линия с материалами и документацией – это нетривиальный объект для контрабанды.
В результате без станков нет и ИС, и у нас было лишь три пути, каждый со своими подводными камнями – работать до конца 1980-х на оборудовании 1963 года (так и делали), пытаться разработать свое (долго и не всегда успешно) или доставать хоть что-то через нейтральные страны типа той же Швейцарии. Последняя река быстро пересохла до ручейка, хотя, например, в конце 1980-х выяснилось, что компания Toshiba Machine Company с 1982 по 1984 год в обход запретов поставляла нелегально в СССР оборудование для прецизионной обработки винтов подлодок. Ели бы не развал Советов и смягчение политики Комитета, то эта история могла бы закончиться для нее очень печально.
Какой-то извращенной иронией видятся после этого пассажи отечественного историка электроники, неоднократно упоминаемого в этих статьях, Бориса Малашевича:
В общем-то, с чипами все стало ясно.
Теперь нам осталось поговорить о советских микропроцессорах и благополучно завершить тему развития советской микроэлектроники.
Для понимания дальнейшего текста упомянем, что микропроцессоры эволюционировали следующим образом.
Первое поколение микросхем, разработанных в 1962–1963 годах, были чипами малой интеграции. Это означало, что каждая микросхема содержала лишь самые базовые логические вентили – элементы 2И-НЕ, например.
Любой процессор (подчеркиваем, что не обязательно микропроцессор!) содержит в себе три основных компонента (естественно, в современных чипах это далеко не такие элементарные блоки, как в 1960-е, сейчас под АЛУ, например, понимают сразу интегральный элемент с регистрами, собственной прошивкой и т.п).
Первый – это арифметико-логическое устройство или АЛУ, предназначенное для выполнения (обычно) всего нескольких базовых операций – сложения и логических И, ИЛИ, НЕ. Традиционные АЛУ не содержали схем аппаратного вычитания, да они были и не нужны, вычитание заменяется, как правило, сложением с отрицательным числом. Естественно, АЛУ не содержали и блоков аппаратного умножения, деления, векторных и матричных операций. Также АЛУ работали только с целыми числами, до принятия стандарта IEEE 754 – 1985 оставалось еще лет 20, так что вещественную арифметику абсолютно каждый производитель компьютеров реализовал самостоятельно, в меру своей извращённости.
Если бы вы были программистами шестидесятых годов, то вещественная арифметика могла бы свести вас с ума. Единого стандарта не существовало ни на представление чисел, ни на округление, ни на операции с ними, в результате программы были практически непереносимы. Кроме того, у разных машин были свои странности в реализациях вещественных чисел, и их обязательно надо было знать и учитывать. На некоторых платформах определенные числа являлись нулями с точки зрения сравнения, но не являлись таковыми для сложения и вычитания, в результате для безопасной операции их нужно было предварительно умножить на 1.0, а затем сравнить с нулем.
На других платформах этот же трюк вызывал немедленную недокументированную ошибку перевыполнения, при том, что реальный выход за границы диапазона отсутствовал. Некоторые компьютеры при попытке выполнить такую операцию отбрасывали последние 4 значащих бита, большая часть машин возвращала нулевой результат для разности X и Y, если X и Y были малы, даже если они были не равны, а некоторые могли внезапно получить ноль, даже в случае огромной разницы между ними, если только одно число было близко к нулю. В результате операции «X = Y» и «X – Y = 0» вступали в противоречие и приводили к удивительным ошибкам. На суперкомпьютерах Cray, например, во избежание этого перед каждым умножением и делением делали переприсваивание «X = (X – X) + X». Анархия среди вещественной арифметики продолжалась до 1985 года, когда, наконец, был принят современный стандарт чисел с плавающей запятой.
Вторым важным компонентом процессора были регистры, которые должны были хранить обрабатываемые числа и выполнять над ними операции сдвига.
Наконец, третьим важнейшим компонентом было устройство управления – декодер поступающих из ОЗУ машинных команд, инициирующее выполнение тех или иных функций АЛУ над числами, лежащими в регистрах.
Устройства управления отличались по сложности, разрядности и типам команд, которые они могли декодировать, чем сложнее и медленнее было УУ, тем проще и удобнее было писать код, так как оно могло поддерживать самые разнообразные сложные команды, облегчая жизнь программистам. УУ обычно имело отдельную прошивку, в которой находился список поддерживаемых команд, и можно было в определенных пределах изменять возможности процессора, меняя чипы с этой прошивкой, эта концепция получила название микропрограммирование. Содержимое прошивки образовывало систему команд данного процессора, очевидно, что системы команд разных машин были несовместимы друг с другом.
В случае малой интеграции все эти компоненты реализовывались, как правило, на нескольких платах, и процессор представлял собой коробку, содержащую десятки таких плат с несколькими сотнями микросхем. Впрочем, уже в 1964 появились чипы средней интеграции, серия Texas Instruments SN7400. В 1970-м в линейке появилось первое полноценное АЛУ, 4-х битная микросхема 74181, которую можно было соединять параллельно, получая 8, 16 и даже 32 битные компьютеры (так называемые bit-slice ALU).
Чипы средней интеграции содержали в себе несколько сотен транзисторов, в отличие от нескольких десятков в предыдущем поколении. TI SN74181 нашел широчайшее применение и стал одним из самых знаменитых чипов в истории, в частности, именно на нем собирались процессоры ранних компьютеров Data General NOVA и некоторые серии DEC PDP-11 (также на них собирались и периферийные процессоры для них, например, KMC11, и их реализации вещественной арифметики – знаменитый FPP-12), Xerox Alto, с которого Стив Джобс содрал идею мышки и графического интерфейса, первый DEC VAX (модель VAX-11/780), Wang 2200, Texas Instruments TI-990, Honeywell option 1100 – научный сопроцессор для их мэйнфреймов H200/H2000 и множество других машин.
Чипы средней интеграции, благодаря невероятной дешевизне и простоте, продержались на рынке вплоть до 1980-х годов, даже когда уже появились микропроцессорные системы. Для сборки процессора на них обычно требовались 1–2 платы и несколько десятков микросхем.
В конце 1960-х прогресс фотолитографии достиг уровня нескольких тысяч логических вентилей на чип, так появились схемы большой интеграции. Они включали в себя обычно уже АЛУ со всей обвязкой и регистрами, благодаря чему стало возможным собирать процессор всего из 2–10 чипов. Отдельной разновидностью (ныне забытой) чипов большой интеграции стали так называемые BSP (bit-slice processor, термин не имеет устоявшегося перевода, обычно говорят «секционный»).
Идея BSP заключалась в том, чтобы соединить параллельно мощные чипы, содержащие все необходимые компоненты (только УУ было выполнено отдельно) и тем самым из микросхем небольшой разрядности набрать длинный процессор (встречались варианты до 64 бит!). BSP выпускали многие, в том числе National Semiconductor (IMP, 1973), Intel (3000, 1974), AMD (Am2900, 1975), Texas Instruments (SBP0400, 1975), Signetics (8X02, 1977), Motorola (M10800, 1979) и многие другие. Вершиной развития стали аж 16-битные AMD Am29100 и Synopsys 49C402, выпускаемые до середины 1980-х, и чудовищный 32-битный AMD Am29300, вышедший в 1985 году.
BSP имеет три очень значительных преимущества.
Первое заключается в том, что АЛУ можно использовать в горизонтальных конфигурациях для создания компьютеров, способных обрабатывать очень большие данные за один такт.
Второе преимущество BSP заключается в том, что двухчиповая конструкция позволила использовать ECL-логику, которая очень быстрая, но занимает много места и рассеивает много тепла. Ранние MOS-чипы, такие как PMOS или NMOS, изначально рассматривались как процессоры для калькуляторов и терминалов, потому что их скорость значительно уступала ECL-логике, только она, как считалось, подходила для создания серьезных компьютеров. Лишь после изобретения CMOS процессоры обрели тот облик, который имеют сейчас, до того балом правили секционные ECL-чипы. До CMOS считалось, что создать однокристальный процессор с приемлемым быстродействием вообще невозможно.
Третьим преимуществом BSP была возможность формировать собственные наборы инструкций, они могли быть созданы для эмуляции или улучшения существующих процессоров, таких как 6502 или 8080, или для создания уникального набора команд, специально адаптированного для максимальной производительности конкретного приложения. Сочетание скорости и гибкости сделало BSP очень популярной архитектурой.
Ну и наконец, поговорим о том, кто же создал первый микропроцессор.
За короткий промежуток времени между 1968 и 1971 годами было представлено несколько кандидатов на его роль, о большей части из них давно забыли. На самом деле идея создать микропроцессор и близко не была такой революционной, как транзистор или даже планарный процесс. Она буквально витала в воздухе, и за три года огромное количество разработчиков так или иначе подходило к однокристальной реализации компьютера.
Строго говоря, вопрос «кто изобрел микропроцессор» не имеет смысла, кроме чисто юридического. В конце 1960-х годов было очевидно, что процессор в конечном итоге будет размещен на одной микросхеме, и повышение плотности MOS-микросхем до такой степени, чтобы это было практично, было лишь вопросом времени. По сути, микропроцессор не был революцией, он просто пришел в тот момент, когда усовершенствования MOS и маркетинговые потребности сделали целесообразным его создание.
Официального определения микропроцессора нет.
В различных источниках он описывается в диапазоне от одиночного чипа до АЛУ на нескольких кристаллах. По сути, микропроцессор – это маркетинговый термин, обусловленный необходимостью Intel и Texas Instruments маркировать свои новые продукты.
Если бы было необходимо выбрать одного отца концепции микропроцессоров, то им стал бы Ли Бойсел (Lee Boysel). Во время работы в Fairchild ему пришла в голову идея компьютера на основе МОП-схемы, а также уже имеющихся компонентов – ПЗУ (изобретено в 1966) и DRAM (возникла в 1968). В итоге он сначала опубликовал несколько влиятельных статей о микросхемах MOS, а также манифест 1967 года, объясняющий, как на основе MOS можно построить компьютер, сопоставимый с IBM 360.
Бойсел покинул Fairchild и в октябре 1968 года, основал компанию Four-Phase Systems для создания своей MOS-системы, в 1970 он продемонстрировал System/IV, мощный 24-битный компьютер. В процессоре использовалось 9 микросхем: три 8-битных АЛУ AL1, три ПЗУ для микрокода и три микросхемы устройства управления, построенные на нерегулярной логике (random logic (RL) – метод реализации комбинаторных схем путем синтеза по высокоуровневому описанию, причем, поскольку синтез происходит автоматически, то расположение элементов и их соединений, на первый взгляд, кажется произвольным, практически все современные УУ синтезированы методом RL). Набор чипов продавался очень хорошо, и Four-Phase вошла в список Fortune 1000 до того, как в 1981 году была поглощена Motorola. Тем не менее AL1 не мог работать в режиме однокристального чипа и нуждался во внешнем УУ и ПЗУ с микрокодом.
Еще одной почти забытой компанией была Viatron, основанная в 1967, и уже в 1968 они представили свой System 21, 16-битный на заказных MOS-микросхемах. К сожалению, подрядчики подвели их с качеством чипов, и в 1971 Viatron обанкротилась.
Viatron буквально является автором термина «микропроцессор» – они использовали его в своем анонсе еще в 1968, но он не был одиночной микросхемой, так они назвали так весь терминал целиком. Внутри корпуса микропроцессора находилась куча плат – сам процессор состоял из 18 заказных микросхем MOS на 3 платах.
Уже известный нам Рэй Холт разработал по заказу ВВС США также знакомый нам F-14 CADC в 1968–1970 годах. Благодаря позднейшему пиару, многие считают его отцом микропроцессорной технологии, но CADC состоял из 4-х отдельных чипов очень оригинальной архитектуры.
Ну и наконец, 3 последних кандидата – истинные однокристальные схемы.
В 1969 компания Datapoint заключила с Intel договор на разработку однокристальной версии их процессора для терминала Datapoint 2200, который занимал целую плату. Забавно, что основатель компании Гас Рош (Gus Roche), их инженер Джек Фрассанито (Jack Frassanito) и специалист из Intel Стэн Мейзор (Stanley Mazor) предложили эту идею Роберту Нойсу, основателю Intel, но тот сначала отказался от нее, так как не увидел широких коммерческих перспектив.
Практически одновременно к Intel обращается небольшая японская компания Nippon Calculating Machine Ltd для разработки 12 микросхем нового калькулятора. Еще один инженер Intel Эдвард Хофф (Marcian Edward Ted Hoff Jr.), аналогично Стэну, доходит до идеи заменить их на один кристалл. В итоге они вдвоем начинают вести оба проекта: чип побольше – Intel 8008, и поменьше – Intel 4004.
Прослышав о проекте, к Datapoint обращается вездесущая Texas Instruments и искушает их, предлагая свое участие в разработке. Datapoint предоставляет им спецификации, и они изготавливают третий вариант настоящего микропроцессора – TI TMX 1795. Правда, самостоятельности тут было не очень много, вплоть до того, что в чипе повторена ранняя ошибка Intel с обработкой прерываний.
В этот момент Datapoint изобретает импульсный источник питания, что приводит к резкому уменьшению энергопотребления и нагрева их терминала, и отзывает свой контракт. Intel замораживает разработку на несколько месяцев, TI же продолжает, в итоге их анонс состоялся чуть раньше, чем коммерческий выпуск Intel 4004, что формально делает его первым микропроцессором в истории.
Наглая TI продолжала судиться (как в ситуации с первой интегральной схемой) со всеми, с кем только можно, аж до 1995 года, когда хитрый Ли Бойсел убедил суд, что первый процессор изобрел еще он и патенты Texas Instruments аннулировали. Дальнейшая история всем известна – чипы от TI практически не продавались, Intel же доделала оба процессора: и большой, и маленький, и заложила тем самым основы своей славы и богатства на десятилетия вперед.
Поразительно то, что, как и в случае с Осокиным, в СССР также разработали свой, полностью независимый вариант микропроцессора, о чем знает очень мало людей! В изначальном варианте, правда, это был трехчиповый BSP, но работа была закончена в 1976, опоздала не сильно, и никто не мешал модернизировать ее до полноценной одночиповой архитектуры.
В итоге, как всегда, в области чисто инженерных приоритетов, как и в случае с транзисторами и микросхемами, мы шли практически вровень с Западом и демонстрировали высокий научный уровень разработок, реализация же их в итоге была кошмарной.
Первый отечественный микропроцессор не взлетел из-за того, кто был его крестным отцом – не кто иной, как Давлет Гиреевич Юдицкий! Такое впечатление, что Шокин и Калмыков ненавидели всех, кто занимался хоть чем-то оригинальным: Карцева, Староса, Юдицкого – и целенаправленно давили все их разработки.
Как же Юдицкий, отец модулярных суперкомпьютеров, дошел до разработки процессора?
Об этом мы поговорим в следующих частях, отметим здесь лишь то, что в начале 1973 года он, в то время директор зеленоградского СВЦ, собрал компактную рабочую группу для разработки архитектуры новой мини-ЭВМ (не основанной на машинах DEC и HP, как СМ ЭВМ) – «Электроника-НЦ», модульной и достаточно оригинальной. В том же году Юдицкий поручил молодежному коллективу лаборатории В. Л. Дшхуняна заняться проработкой подходов к построению микропроцессоров – первых в СССР.
Проанализировав то, что выпускалось на Западе, за основу выбрали BSP и в 1976 году создали процессор серии 587 на трех чипах – ИК1, ИК2, ИК3, один из немногих, не имеющих прямого западного аналога (сейчас самый первый их релиз также является пределом мечтаний многих коллекционеров). В дальнейшем эта серия развилась в 588 (5 чипов), а в начале 1980-х специалисты СВЦ хотели, наконец, реализовать ее в однокристальном исполнении, но по требованию Шокинского Министерства электронной промышленности от оригинальной архитектуры отказались в пользу PDP-11.
Остальные разработчики не остались в стороне, ВНИИЭМ закупил чипы Intel 8080, всю периферию, комплект разработчика Intel Intellec-800 под эту архитектуру и увлеченно занялся реверс-инжинирингом. Процессор выпуска 1974 года разбирали до 1978 и в конце 1970-х запустили в серию как 580ИК80.
С этого момента началась эра копирования микропроцессоров. Вопреки распространенному мнению, Советы украли не только три чипа Intel (8080, 8085, 8086), знаменитый DEC LSI-11, воплощенный у нас в десятке форм и Zilog Z80. В СССР производилось множество аналогов процессоров всех видов.
Единственный из этого списка не украденный, а воспроизведенный по лицензии процессор – 1876ВМ1, завод «Ангстрем», 1990 год. Выпускаемый (и описываемый почему-то как собственная разработка, хотя консорциум MIPS предоставил все спецификации и документы на эту архитектуру), до сих пор как «32-битный RISC-процессор 14 МГц», при том, что его прототип – оригинальный R3000 работал на 40 МГц еще в 1988 году. В 1999 году в НИИСИ он был разогнан до 33 МГц и выпущен как 1890ВМ1Т «Комдив» – «новейшая отечественная разработка». Чуть более прогрессивный 120 МГц радиационно стойкий 1892ВМ5Я был собран на базе чуть менее древнего MIPS R4000 + DSP на FPGA (!) производства «Элвис».
Подведем итоги.
Эта таблица не охватывает и 1/10 всех клонов, также некоторые из этих чипов выпускались крайне ограниченным тиражом (например, цена 1810ВМ87 в хорошем состоянии легко доходит у коллекционеров до $200–300, настолько они редки), многие выпускались только в странах СЭВ (Болгарии и прочих) – в самом СССР был слишком низкий уровень производства.
В линейке Intel были пропущены процессоры 8088, 80186 и 80188, последние два – по причине малой распространенности в целом, 80286 с советской культурой производства изготовить вообще не осилили, его копировали и выпускали чрезвычайно малым тиражом только в ГДР (по крайней мере, автору не удалось обнаружить мифический экземпляр чисто советского КР1847ВМ286 ни в одной более-менее серьезной процессорной коллекции мира).
Процессор 8086 был выпущен примерно в год появления в США 80386 и стал последним из советских клонов.
Теперь мы вооружены всеми необходимыми знаниями для того, чтобы снова встретить нашего героя – Давлета Юдицкого, который как раз направлялся в Зеленоград разрабатывать микросхемы для своего грядущего суперкомпьютера ПРО. О нем и пойдет рассказ в следующем выпуске.
Первые клоны
А очень просто. Как мы помним, в НИИ-35 на теплой должности начальника сидел некий Б. В. Малин, все величие которого, как конструктора, заключалось в его отце – В. Н. Малине, заведующем общим отделом ЦК КПСС. Естественно, Шокин очень любил и уважал столько полезного человека. И как мы помним, Малин был в числе счастливчиков, по партийной линии прокатившихся в США на стажировку в области микроэлектроники.
Стажировались они до 1962 года и с удовольствием продолжали бы хоть до 1970-го, но случился Карибский кризис и возведение Берлинской стены. И отношения между СССР и США были испорчены окончательно. Из командировки Малин привез сувенирчик – добытые им аж шесть раритетных TI SN510. Так как Зеленоградский центр был уже основан и в нем надо было быстро начинать что-то производить (а конструкторы из партийных боссов как-то не очень получались), Малин просто показал Шокину образцы и тот повелел немедленно их скопировать.
Дадим слово самому Малину. Вот цитата из его личного отчета Шокину о результатах командировки:
Он выслушал доклад, посмотрел на схему в микроскоп и сказал: воспроизвести без всяких отклонений, даю вам срок три месяца.
Я по молодости не выдержал и рассмеялся.
– Вы чего смеетесь, отвыкли от наших темпов там у себя в Америке? Я, член ЦК, сказал: воспроизвести – значит воспроизведем! А вы, чтобы не смеяться, будете у меня главным конструктором и будете мне каждый месяц докладывать на коллегии.
Потом, подумав немного, А. И. Шокин все-таки спросил – а сколько вы считаете, надо?
Мы ответили, что надо три года…
Действующие схемы из НИИ-35 были продемонстрированы Шокину в 1965 году…
Серийный выпуск освоен в 1967.
Я по молодости не выдержал и рассмеялся.
– Вы чего смеетесь, отвыкли от наших темпов там у себя в Америке? Я, член ЦК, сказал: воспроизвести – значит воспроизведем! А вы, чтобы не смеяться, будете у меня главным конструктором и будете мне каждый месяц докладывать на коллегии.
Потом, подумав немного, А. И. Шокин все-таки спросил – а сколько вы считаете, надо?
Мы ответили, что надо три года…
Действующие схемы из НИИ-35 были продемонстрированы Шокину в 1965 году…
Серийный выпуск освоен в 1967.
Помимо совершенно типичного деспотичного хамства, характерного для всех видов советских начальников (в теме не разбираюсь, зато член ЦК!), мы видим и типичное же непонимание ими предметной области. Серийный выпуск малыми партиями в 1967 году копий американских микросхем, выпущенных еще в 1962 и устаревших на пять лет… Это был приговор всей отечественной электронике, с этого момента мы навсегда превратились в аутсайдеров, и это при полной возможности развивать самостоятельные разработки! Малин (отчего-то с гордостью) вспоминает:
С 1959 года разработки отечественных кремниевых интегральных схем, по сути дела, представляли собой непрерывный процесс конкурентной заочной борьбы с Джеком Килби. Действовали концепции повторения и копирования американского технологического опыта – методы так называемой «обратной инженерии» МЭП. Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США, и их копирование было строго регламентировано приказами МЭП (министр Шокин). Концепция копирования жестко контролировалась министром на протяжении более 19 лет, в течение которых автор работал в системе МЭП, вплоть до 1974 года.
Забивание гвоздей в крышку гроба отечественной микроэлектроники с 1962 по 1974 годы в виде фактического воровства устаревших на годы американских ИС нисколько не огорчает «ведущего инженера».
Первым клоном, изготовленным на Фрязинском заводе по проекту НИИ-35, стала ТС-100 – полный аналог TI SN510 (планарная кремниевая технология). При этом выпуск не стал легким:
…над решением этой проблемы работал коллектив в 250 человек научно-технологического отдела НИИ-35 и опытного цеха, специально созданного при отделе.
И это при вполне существующей и рабочей технологии Осокина! К сожалению, завод РЗПП не обладал таким политическим весом и такими могущественными покровителями.
Малин не только был вхож к Шокину, он тесно общался с Председателем ВПК Смирновым, Президентом АН Келдышем и сменившим Микояна на посту Председателя Совета Министров СССР Косыгиным, фактически правившим страной параллельно с Хрущевым. Естественно, у рижан не было ни малейшего шанса что-то развивать в условиях столь тяжеловесной конкуренции.
Кроме этого, не забыли мы позаимствовать и SLT-модули, воплощенные в знаменитой серии ГИС «Тропа», которая использовалась в ЕС ЭВМ до середины 1970-х годов. К сожалению, для любителей копирования SLT появились уже после того, как стажировка советских спецов в США стала невозможной по политическим мотивам, а живой мэйнфрейм S/360 американцам и в кошмарном сне не привиделось бы продать в СССР. В итоге инженеры совершили истинный подвиг, скопировав ГИС, не имея исходников, буквально по фотографиям. Вот что говорит об этом первый директор зеленоградского НИИТТ В. С. Сергеев:
Никаких технических материалов и литературы по этому направлению не было, мы имели только фотографию микросхем, выпускаемых фирмой IBM. Особенно в большом секрете за рубежом держалась технология изготовления резистивных, проводниковых и изоляционных паст. Всю работу мы начали с нуля: разработку конструкции, материалов, технологии и оборудования…
Уже с первых дней существования предприятия, помимо работ непосредственно по технологии ГИС, велись значительные работы по созданию и применению стекла, керамики, полимеров, клеев, изоляционных материалов, гальванических процессов, сварки, пайки, получению прецизионного инструмента (штампов, пресс-форм), химической фрезеровки, многослойных полимерных и керамических плат и многим другим процессам, необходимым в перспективах развития техники…
Уже с первых дней существования предприятия, помимо работ непосредственно по технологии ГИС, велись значительные работы по созданию и применению стекла, керамики, полимеров, клеев, изоляционных материалов, гальванических процессов, сварки, пайки, получению прецизионного инструмента (штампов, пресс-форм), химической фрезеровки, многослойных полимерных и керамических плат и многим другим процессам, необходимым в перспективах развития техники…
Опытные образцы были готовы к 1964, но производство удалось наладить лишь в 1967 году, а последние известные образцы относятся к… 1991 (!) году.
Серия состояла из ГИС 201ЛБ1 (позже К2ЛБ012, элемент НЕ), К201ЛБ4 (два элемента НЕ и два 2ИЛИ-НЕ), 201ЛБ5 (позже К201ЛБ6 и 201ЛБ7, пять элементов НЕ), 201ЛС1 (два элемента 2ИЛИ) и К2НТ011 (позже К201НТ1 и К201НТ2, сборки из четырех npn-транзисторов). Как любопытное упоминание этой серии в нынешней жизни – Единый тарифно-квалификационный справочник работ и профессий рабочих от 2007 (!) года, профессия «Ретушер прецизионной фотолитографии. 4-й разряд»:
Примеры работ: Негативы и диапозитивы микросхем типа «Тропа», устранение всех дефектов.
Отечественные так называемые функциональные модули 1960–1965 годов – к тому моменту безнадежно устаревшая технология. Вообще, эпоха 1955–1965 характеризуется тем, что устройства и разработки устаревали едва ли не раньше, чем успевали выйти в продакшн, в результате попытки копировать американские разработки в этой сфере были просто и безоговорочно убийственными. Слева – сравнение SLT-модуля, оригинального от S/360 и отечественного от ЕС Ряд-1 (та самая серия 201 «Тропа-1». Обратите внимание – насколько отставал уровень интеграции! И это 1971 (!) год. К этому моменту даже оригинальные SLT считались устаревшими, как лампы (фото https://1500py470.livejournal.com/).
Отметим, что советская промышленность не заморачивалась насыщением гражданского рынка микроэлектроникой, от слова совсем, речь не шла о микросхемах – даже микросборками и то не радовали. Многие предприятия были вынуждены осваивать их разработку и выпуск самостоятельно, под конкретные изделия, и продолжалось это не просто долго, а очень долго. Например, Минским приборостроительным заводом еще в 1993 выпускалась серия осциллографов С1-114/1 на ГИС собственной разработки, а сами эти ГИС, чудовищно, невообразимо устаревшие, были сняты с производства только в 2000 году!
Технологии 1964 года в отечественном приборе 2000 года. Осциллограф С1-114/1, микросборки и их внутренности. В США такую технику перестали выпускать примерно в начале 1970-х (фото https://www.drive2.ru)
По воспоминаниям людей, не имеющих отношения к военным технологиям, еще в начале 90-х на учебно-производственных комбинатах заставляли распознавать виды ламп по характерным признакам (даже стандарт был – опознать с двух метров).
Выпуск микросборок должен был заткнуть тотальную нехватку настоящих интегральных схем, которые в 99 % случаев шли в военную отрасль и расходились по немногим НИИ. На микросборках же выпускали бытовую технику высшего класса (низшую на лампах) – например, «элитные» радиоприемники «Орленок», «Космос» и «Рубин».
В бытовой технике копировались не только компоненты, с начала 1950-х стало традицией не мелочиться, а воровать все изделие целиком, при условии, что наш уровень технологий позволял его скопировать. Например, в 1954 году появился поразительный радиоприемник «Звезда-54». СМИ описывали это событие как огромный советский прорыв в оформительском дизайне и последний писк моды, на самом деле это была абсолютная копия французского Excelsior-52. Точно не установлено, каким образом прототип попал в ИРПА (Институт радиовещания и акустики). По некоторым данным, его привезли дипломаты, по другим – он был специально закуплен для копирования.
С транзисторными приемниками тоже была беда – один из первых советских, «Ленинград», был создан на основе Trans-Oceanic Royal-1000 1957 года выпуска американской фирмы Zenith, при этом производили его небольшой серией, а сборка была ручной.
В игре Fallout общая стилистика относится к так называемому атомпанку – фантастическому варианту альтернативной истории, в котором не были открыты полупроводники, в результате плазменные винтовки XXII века соседствуют там с монструозными ламповыми машинами 1950-х годов. Данный диафильм аж 1972 года погружает изучающего его в советский транзисторпанк – мир, в котором так и не случилась интеграция, и вершиной технологий считаются даже не ГИС, а самые первые микромодули, наследники Tinkertoy. Самое поразительное, что эта технология пропагандировалась как наипередовая в 1972 году. К счастью, большая часть этих монстров так и осталась в диафильмах.
Ну и наконец, из широко распространенных мифов можно упомянуть и тот, что якобы первым в мире функционально законченным изделием потребительской микроэлектроники стал тот самый советский радиоприемник «Микро» – первое изделие, выпущенное Зеленоградом в 1964 году.
Более того, ходят упорные слухи, что Хрущев раздаривал эти приемники лидерам иностранных государств, и те в шоке высказывались в духе «как это СССР смог нас обогнать». На самом же деле, от интегральной технологии в «Микро» была только плата с напылением, полупроводники были дискретными. На плату из ситалла через специальные трафареты были нанесены шесть слоев разных материалов, образующих только пассивные детали (более того – только емкостные). Транзисторы же в приемнике были обычные дискретные и просто на плате распаянные, что ясно видно на вскрытом приборе.
В результате вместо мифических «первых в мире пленочных ИС» получаем обычную печатную плату, только не традиционно травленную, а с вакуумным напылением и в несколько слоев – никаких чудес. Приемники же на дискретных транзисторах к 1965 году в США выпускались десятками видов (с 1956 года – один из первых в мире был Admiral Transistor) уже несколько лет, и поразить явно никого не могли (в Японии и Европе их также было огромное количество).
В наибольшей степени характеризует ту эпоху уникальный документ, один из немногих сохранившихся и находящихся в широком доступе – «Рекомендации по созданию узлов и блоков на твердых схемах», выпущенные для одного из воронежских НИИ в 1964 году в рамках некоего «заказа 1168»:
…Состав компонент и их параметров для трех базовых кристаллов 51, 52 и 53 серии фирмы Texas Instruments, аналоги которых намечены к воспроизводству в СССР: компоненты базового кристалла 51-й серии… транзистор А417 или А400Б (аналог 2N706A, 2N582), диод Б14А или Б14Б (аналог 1N914)…
Далее идет большая таблица параметров микросхем, для которых рассматривается возможное воспроизводство – планируется украсть почти все, от видеоусилителя Fairchild MA704 и двухкаскадной схемы Дарлингтона Westinghouse WM1110 до триггера Motorola MK302G и логического вентиля 2ИЛИ-НЕ Sylvania SNG2! Затем следует около 10 страниц принципиальных схем и описания серии TI SN5xx, дополненных рекомендациями по проектированию устройств на ИС.
В результате применения этих гениальных методов развития отечественной электроники к 1970-му году в стране вообще не осталось оригинальных разработок, кроме германиевой ИС Осокина – скопировано было все, что можно: от огромных базовых матричных кристаллов до ничтожных сдвиговых регистров.
Забавно и то, что примитивная гибридная пленочная технология была в СССР чрезвычайно популярна даже когда весь остальной мир уже давно перешел на ИС. Дело в том, что производить схемы хотя бы средней интеграции было на советском уровне развития технологий очень сложно, в результате гражданскую продукцию собирали на монстрах типа 230-й серии. Это настоящие ИС, только изготовленные, скорее, как «макросхема»: гибридное исполнение, многослойная толстопленочная технология, каждая содержит до 40 логических элементов типа ТТЛ, образующих либо счетчики, либо регистры, либо устройства уравновешивания.
Очень необычно исполнение серии – многослойная коммутационная плата с регулярной структурой и внутренний монтаж методом перевернутого кристалла. Чудовища типа К2ИЕ301Б (примитивный четырехразрядный счетчик, зато размером больше спичечного коробка) выпускались у нас до 1990-х годов, зато сейчас они являются предметом охоты коллекционеров микросхем всего мира, наподобие ископаемых костей мамонтов.
Уровень российской микроэлектроники тех лет хорошо характеризуют не восторженные воспоминания патриотов, основанные на мифах в стиле книги «50 лет советской микроэлектроники»:
С момента появления первых ИС прошло всего лишь около 20 лет, а результаты были получены фантастические...
А вполне объективные (так как для высшего руководства, принимающего на основе этих бумаг стратегические решения) недавно рассекреченные доклады ЦРУ, посвященные анализу отечественной промышленности (USSR seeks to build advanced Semiconductor Industry with embargoed western machinery). Один из отчетов, подготовленный в 1972 году, посвящен достижениям Союза в производстве интегральных микросхем, в 1999 году этот документ был рассекречен и позднее опубликован в онлайн-библиотеке агентства. Вот некоторые выдержки из него:
…лабораторный анализ доступных образцов, проведенный в США, выявил, что их дизайн довольно примитивен, а качество – в основном низкое. Образцы явно уступают аналогам, производимым в США. Даже изделия выпуска 1971 года с заводской маркировкой, судя по всему, представляют собой прототипы … Ничего не известно о наличии серийно выпускаемого в СССР гражданского оборудования, в котором использовались бы интегральные схемы … Если Союз создал масштабную и жизнеспособную индустрию микросхем, то озадачивает также его интерес к крупным закупкам оборудования и технологий у Запада для производства этих изделий… СССР слишком поздно получил планарную кремниевую технологию и из-за постоянных сложностей с производством исходного кремниевого материала в достаточном количестве, производство микросхем в Союзе все же началось совсем недавно и в очень небольших объемах… В 1968 году Союз предлагал обработанный кремний на продажу в Европу, однако, компании, которые его закупали, жаловались на низкое качество этого материала.
Агент ЦРУ (его имя из доклада вырезано), побывавший на заводе в Брянске, писал:
…технологии производства отстают на 5–10 лет от используемых в США. На заводе широко используется западное оборудование. Некоторые изделия в финальной стадии тестирования, по-видимому, содержат товарный знак основного американского производителя интегральных микросхем, хотя у агента не было возможности исследовать эти образцы вблизи, чтобы подтвердить данное подозрение.
Объемы производства на заводе в Ленинграде были оценены как существенно меньшие, нежели в Брянске. Тот же самый или другой агент американской разведки, посетивший завод «Светлана» в 1972 году, привел данные по выпуску менее чем 100 тыс. высокочастотных транзисторов в месяц и отметил, что на этом заводе также используется некоторое западное оборудование.
В докладе также отмечается, что производительность выпускаемых на этом заводе изделий ниже заявленной СССР для этого типа интегральных микросхем три года назад. По итогам посещения завода в Воронеже агент отметил наличие на этой площадке большого количества диффузионных печей – порядка 80 штук, однако, из них только около 20 на момент его визита реально использовалось. Установок проволочной термокомпрессионной сварки на заводе при этом оказалось немного. Для сравнения – в 1971 году в США было произведено более 400 миллионов ИС, приводит данные ЦРУ.
При этом созданный в 1949 году и рассекреченный в 1953 году знаменитый Coordinating Committee for Multilateral Export Controls (CoCom, Координационный комитет по экспортному контролю из 17 государств), предназначенный для контроля над оборотом опасных технологий, должен был предотвратить советскую угрозу миру, эффективно ограничивая военный потенциал СССР, лишив его доступа ко всем новым технологиям, которые могли бы быть применены в военных целях. Но мы помним, что СССР практически не имел целей, кроме военных, и все, что он разрабатывал, на 99 % шло в ВПК, соответственно КоКом перекрыл ему доступ практически ко всей продвинутой мировой технике.
На удивление это сработало чрезвычайно эффективно – например, мы так и не смогли ни купить, ни украсть настоящий CDC 7600 (пришлось с грехом пополам заменять его БЭСМ-6), так и не смогли достать живой Cray-1 (который в перспективе планировали выпускать как БЭСМ-10).
Но настоящая проблема была в другом – с начала 1960-х мы привыкли копировать западные ИС, а для этого жизненно нужно было скопировать и линии их производства. Вот здесь нас и поджидала засада – для Зеленограда, как мы помним, еще кое-что удалось купить у японцев, финнов и швейцарцев (даже не за валюту, а прямо за золото), но с середины 1960-х этот поток стал стремительно иссякать. Практически ни одна компания – производитель прецизионного оборудования для фотолитографии, не хотела попасть под санкции 17 государств сразу, рискуя ради ничтожной прибыли в СССР потерять весь бизнес, тем более что полная производственная линия с материалами и документацией – это нетривиальный объект для контрабанды.
В результате без станков нет и ИС, и у нас было лишь три пути, каждый со своими подводными камнями – работать до конца 1980-х на оборудовании 1963 года (так и делали), пытаться разработать свое (долго и не всегда успешно) или доставать хоть что-то через нейтральные страны типа той же Швейцарии. Последняя река быстро пересохла до ручейка, хотя, например, в конце 1980-х выяснилось, что компания Toshiba Machine Company с 1982 по 1984 год в обход запретов поставляла нелегально в СССР оборудование для прецизионной обработки винтов подлодок. Ели бы не развал Советов и смягчение политики Комитета, то эта история могла бы закончиться для нее очень печально.
Какой-то извращенной иронией видятся после этого пассажи отечественного историка электроники, неоднократно упоминаемого в этих статьях, Бориса Малашевича:
Тогда в мире было три страны, которые делали, скажем, фотолитографическое оборудование: США, Япония и Советский Союз. Это самое прецизионное оборудование среди всех технических устройств: уровень технологии в микроэлектронике зависит от уровня фотолитографии… Надо помнить, что при всех проблемах, которые испытывала наша страна, только в Советском Союзе была единственная в мире самодостаточная электроника. В которой все было свое и которая сама выпускала всю номенклатуру электронных изделий от радиоламп до СБИС. И обладала собственным материаловедением, собственным машиностроением – все было свое.
В общем-то, с чипами все стало ясно.
Теперь нам осталось поговорить о советских микропроцессорах и благополучно завершить тему развития советской микроэлектроники.
Эволюция
Для понимания дальнейшего текста упомянем, что микропроцессоры эволюционировали следующим образом.
Первое поколение микросхем, разработанных в 1962–1963 годах, были чипами малой интеграции. Это означало, что каждая микросхема содержала лишь самые базовые логические вентили – элементы 2И-НЕ, например.
Любой процессор (подчеркиваем, что не обязательно микропроцессор!) содержит в себе три основных компонента (естественно, в современных чипах это далеко не такие элементарные блоки, как в 1960-е, сейчас под АЛУ, например, понимают сразу интегральный элемент с регистрами, собственной прошивкой и т.п).
Первый – это арифметико-логическое устройство или АЛУ, предназначенное для выполнения (обычно) всего нескольких базовых операций – сложения и логических И, ИЛИ, НЕ. Традиционные АЛУ не содержали схем аппаратного вычитания, да они были и не нужны, вычитание заменяется, как правило, сложением с отрицательным числом. Естественно, АЛУ не содержали и блоков аппаратного умножения, деления, векторных и матричных операций. Также АЛУ работали только с целыми числами, до принятия стандарта IEEE 754 – 1985 оставалось еще лет 20, так что вещественную арифметику абсолютно каждый производитель компьютеров реализовал самостоятельно, в меру своей извращённости.
Если бы вы были программистами шестидесятых годов, то вещественная арифметика могла бы свести вас с ума. Единого стандарта не существовало ни на представление чисел, ни на округление, ни на операции с ними, в результате программы были практически непереносимы. Кроме того, у разных машин были свои странности в реализациях вещественных чисел, и их обязательно надо было знать и учитывать. На некоторых платформах определенные числа являлись нулями с точки зрения сравнения, но не являлись таковыми для сложения и вычитания, в результате для безопасной операции их нужно было предварительно умножить на 1.0, а затем сравнить с нулем.
На других платформах этот же трюк вызывал немедленную недокументированную ошибку перевыполнения, при том, что реальный выход за границы диапазона отсутствовал. Некоторые компьютеры при попытке выполнить такую операцию отбрасывали последние 4 значащих бита, большая часть машин возвращала нулевой результат для разности X и Y, если X и Y были малы, даже если они были не равны, а некоторые могли внезапно получить ноль, даже в случае огромной разницы между ними, если только одно число было близко к нулю. В результате операции «X = Y» и «X – Y = 0» вступали в противоречие и приводили к удивительным ошибкам. На суперкомпьютерах Cray, например, во избежание этого перед каждым умножением и делением делали переприсваивание «X = (X – X) + X». Анархия среди вещественной арифметики продолжалась до 1985 года, когда, наконец, был принят современный стандарт чисел с плавающей запятой.
Вторым важным компонентом процессора были регистры, которые должны были хранить обрабатываемые числа и выполнять над ними операции сдвига.
Наконец, третьим важнейшим компонентом было устройство управления – декодер поступающих из ОЗУ машинных команд, инициирующее выполнение тех или иных функций АЛУ над числами, лежащими в регистрах.
Устройства управления отличались по сложности, разрядности и типам команд, которые они могли декодировать, чем сложнее и медленнее было УУ, тем проще и удобнее было писать код, так как оно могло поддерживать самые разнообразные сложные команды, облегчая жизнь программистам. УУ обычно имело отдельную прошивку, в которой находился список поддерживаемых команд, и можно было в определенных пределах изменять возможности процессора, меняя чипы с этой прошивкой, эта концепция получила название микропрограммирование. Содержимое прошивки образовывало систему команд данного процессора, очевидно, что системы команд разных машин были несовместимы друг с другом.
В случае малой интеграции все эти компоненты реализовывались, как правило, на нескольких платах, и процессор представлял собой коробку, содержащую десятки таких плат с несколькими сотнями микросхем. Впрочем, уже в 1964 появились чипы средней интеграции, серия Texas Instruments SN7400. В 1970-м в линейке появилось первое полноценное АЛУ, 4-х битная микросхема 74181, которую можно было соединять параллельно, получая 8, 16 и даже 32 битные компьютеры (так называемые bit-slice ALU).
Чипы средней интеграции содержали в себе несколько сотен транзисторов, в отличие от нескольких десятков в предыдущем поколении. TI SN74181 нашел широчайшее применение и стал одним из самых знаменитых чипов в истории, в частности, именно на нем собирались процессоры ранних компьютеров Data General NOVA и некоторые серии DEC PDP-11 (также на них собирались и периферийные процессоры для них, например, KMC11, и их реализации вещественной арифметики – знаменитый FPP-12), Xerox Alto, с которого Стив Джобс содрал идею мышки и графического интерфейса, первый DEC VAX (модель VAX-11/780), Wang 2200, Texas Instruments TI-990, Honeywell option 1100 – научный сопроцессор для их мэйнфреймов H200/H2000 и множество других машин.
Чипы средней интеграции, благодаря невероятной дешевизне и простоте, продержались на рынке вплоть до 1980-х годов, даже когда уже появились микропроцессорные системы. Для сборки процессора на них обычно требовались 1–2 платы и несколько десятков микросхем.
В конце 1960-х прогресс фотолитографии достиг уровня нескольких тысяч логических вентилей на чип, так появились схемы большой интеграции. Они включали в себя обычно уже АЛУ со всей обвязкой и регистрами, благодаря чему стало возможным собирать процессор всего из 2–10 чипов. Отдельной разновидностью (ныне забытой) чипов большой интеграции стали так называемые BSP (bit-slice processor, термин не имеет устоявшегося перевода, обычно говорят «секционный»).
Идея BSP заключалась в том, чтобы соединить параллельно мощные чипы, содержащие все необходимые компоненты (только УУ было выполнено отдельно) и тем самым из микросхем небольшой разрядности набрать длинный процессор (встречались варианты до 64 бит!). BSP выпускали многие, в том числе National Semiconductor (IMP, 1973), Intel (3000, 1974), AMD (Am2900, 1975), Texas Instruments (SBP0400, 1975), Signetics (8X02, 1977), Motorola (M10800, 1979) и многие другие. Вершиной развития стали аж 16-битные AMD Am29100 и Synopsys 49C402, выпускаемые до середины 1980-х, и чудовищный 32-битный AMD Am29300, вышедший в 1985 году.
Плата центрального процессора от неидентифицированного американского компьютера 1970-х годов, нестандарнтый 14-битный процессор набран на 7 двухбитных BSP Sygnetics N3002 (лицензионная копия Intel 3002), фото из коллекции автора
BSP имеет три очень значительных преимущества.
Первое заключается в том, что АЛУ можно использовать в горизонтальных конфигурациях для создания компьютеров, способных обрабатывать очень большие данные за один такт.
Второе преимущество BSP заключается в том, что двухчиповая конструкция позволила использовать ECL-логику, которая очень быстрая, но занимает много места и рассеивает много тепла. Ранние MOS-чипы, такие как PMOS или NMOS, изначально рассматривались как процессоры для калькуляторов и терминалов, потому что их скорость значительно уступала ECL-логике, только она, как считалось, подходила для создания серьезных компьютеров. Лишь после изобретения CMOS процессоры обрели тот облик, который имеют сейчас, до того балом правили секционные ECL-чипы. До CMOS считалось, что создать однокристальный процессор с приемлемым быстродействием вообще невозможно.
Третьим преимуществом BSP была возможность формировать собственные наборы инструкций, они могли быть созданы для эмуляции или улучшения существующих процессоров, таких как 6502 или 8080, или для создания уникального набора команд, специально адаптированного для максимальной производительности конкретного приложения. Сочетание скорости и гибкости сделало BSP очень популярной архитектурой.
Отец микропроцессора
Ну и наконец, поговорим о том, кто же создал первый микропроцессор.
За короткий промежуток времени между 1968 и 1971 годами было представлено несколько кандидатов на его роль, о большей части из них давно забыли. На самом деле идея создать микропроцессор и близко не была такой революционной, как транзистор или даже планарный процесс. Она буквально витала в воздухе, и за три года огромное количество разработчиков так или иначе подходило к однокристальной реализации компьютера.
Строго говоря, вопрос «кто изобрел микропроцессор» не имеет смысла, кроме чисто юридического. В конце 1960-х годов было очевидно, что процессор в конечном итоге будет размещен на одной микросхеме, и повышение плотности MOS-микросхем до такой степени, чтобы это было практично, было лишь вопросом времени. По сути, микропроцессор не был революцией, он просто пришел в тот момент, когда усовершенствования MOS и маркетинговые потребности сделали целесообразным его создание.
Разнообразные редкие микросхемы большой интеграции американских военных компьютеров 1980-х годов, первый ряд -
IDT 49C402 (16-битный CMOS BSP), AMD Am29050 (32-битный RISC-процессор гарвардской архитектуры), Weitek 3332-100-GCD (32-битный вещественный сопроцессор IEEE), второй ряд Texas Instruments TMS390C602A (32-битный вещественный сопроцессор SPARC для аппаратного деления и извлечения квадратного корня, такие чипы использовались еще в 1991–1993 годах), Texas Instruments SIM74ACT8847 (64-битный (!) вещественный/целочисленный сопроцессор, 1988 год, для сборки компьютера на нем нужно было еще 5 микросхем), Texas Instruments TPCX1280 (прототип аэрокосмической радиационной стойкой ПЛИС на 8000 вентилей, середина 1980-х). Фото из коллекции автора.
IDT 49C402 (16-битный CMOS BSP), AMD Am29050 (32-битный RISC-процессор гарвардской архитектуры), Weitek 3332-100-GCD (32-битный вещественный сопроцессор IEEE), второй ряд Texas Instruments TMS390C602A (32-битный вещественный сопроцессор SPARC для аппаратного деления и извлечения квадратного корня, такие чипы использовались еще в 1991–1993 годах), Texas Instruments SIM74ACT8847 (64-битный (!) вещественный/целочисленный сопроцессор, 1988 год, для сборки компьютера на нем нужно было еще 5 микросхем), Texas Instruments TPCX1280 (прототип аэрокосмической радиационной стойкой ПЛИС на 8000 вентилей, середина 1980-х). Фото из коллекции автора.
Официального определения микропроцессора нет.
В различных источниках он описывается в диапазоне от одиночного чипа до АЛУ на нескольких кристаллах. По сути, микропроцессор – это маркетинговый термин, обусловленный необходимостью Intel и Texas Instruments маркировать свои новые продукты.
Если бы было необходимо выбрать одного отца концепции микропроцессоров, то им стал бы Ли Бойсел (Lee Boysel). Во время работы в Fairchild ему пришла в голову идея компьютера на основе МОП-схемы, а также уже имеющихся компонентов – ПЗУ (изобретено в 1966) и DRAM (возникла в 1968). В итоге он сначала опубликовал несколько влиятельных статей о микросхемах MOS, а также манифест 1967 года, объясняющий, как на основе MOS можно построить компьютер, сопоставимый с IBM 360.
Бойсел покинул Fairchild и в октябре 1968 года, основал компанию Four-Phase Systems для создания своей MOS-системы, в 1970 он продемонстрировал System/IV, мощный 24-битный компьютер. В процессоре использовалось 9 микросхем: три 8-битных АЛУ AL1, три ПЗУ для микрокода и три микросхемы устройства управления, построенные на нерегулярной логике (random logic (RL) – метод реализации комбинаторных схем путем синтеза по высокоуровневому описанию, причем, поскольку синтез происходит автоматически, то расположение элементов и их соединений, на первый взгляд, кажется произвольным, практически все современные УУ синтезированы методом RL). Набор чипов продавался очень хорошо, и Four-Phase вошла в список Fortune 1000 до того, как в 1981 году была поглощена Motorola. Тем не менее AL1 не мог работать в режиме однокристального чипа и нуждался во внешнем УУ и ПЗУ с микрокодом.
Очень редкая вещь – сверху, к сожалению, неполный микропроцессорный набор Four-Phase System/IV (1969 год), снизу – не менее редкий первый микропроцессор Intel 8008, разрабатывавшийся параллельно с 4004 для терминала Datapoint 2200 (1971 год). Фото из коллекции автора.
Еще одной почти забытой компанией была Viatron, основанная в 1967, и уже в 1968 они представили свой System 21, 16-битный на заказных MOS-микросхемах. К сожалению, подрядчики подвели их с качеством чипов, и в 1971 Viatron обанкротилась.
Viatron буквально является автором термина «микропроцессор» – они использовали его в своем анонсе еще в 1968, но он не был одиночной микросхемой, так они назвали так весь терминал целиком. Внутри корпуса микропроцессора находилась куча плат – сам процессор состоял из 18 заказных микросхем MOS на 3 платах.
Уже известный нам Рэй Холт разработал по заказу ВВС США также знакомый нам F-14 CADC в 1968–1970 годах. Благодаря позднейшему пиару, многие считают его отцом микропроцессорной технологии, но CADC состоял из 4-х отдельных чипов очень оригинальной архитектуры.
Ну и наконец, 3 последних кандидата – истинные однокристальные схемы.
В 1969 компания Datapoint заключила с Intel договор на разработку однокристальной версии их процессора для терминала Datapoint 2200, который занимал целую плату. Забавно, что основатель компании Гас Рош (Gus Roche), их инженер Джек Фрассанито (Jack Frassanito) и специалист из Intel Стэн Мейзор (Stanley Mazor) предложили эту идею Роберту Нойсу, основателю Intel, но тот сначала отказался от нее, так как не увидел широких коммерческих перспектив.
Практически одновременно к Intel обращается небольшая японская компания Nippon Calculating Machine Ltd для разработки 12 микросхем нового калькулятора. Еще один инженер Intel Эдвард Хофф (Marcian Edward Ted Hoff Jr.), аналогично Стэну, доходит до идеи заменить их на один кристалл. В итоге они вдвоем начинают вести оба проекта: чип побольше – Intel 8008, и поменьше – Intel 4004.
Прослышав о проекте, к Datapoint обращается вездесущая Texas Instruments и искушает их, предлагая свое участие в разработке. Datapoint предоставляет им спецификации, и они изготавливают третий вариант настоящего микропроцессора – TI TMX 1795. Правда, самостоятельности тут было не очень много, вплоть до того, что в чипе повторена ранняя ошибка Intel с обработкой прерываний.
В этот момент Datapoint изобретает импульсный источник питания, что приводит к резкому уменьшению энергопотребления и нагрева их терминала, и отзывает свой контракт. Intel замораживает разработку на несколько месяцев, TI же продолжает, в итоге их анонс состоялся чуть раньше, чем коммерческий выпуск Intel 4004, что формально делает его первым микропроцессором в истории.
Наглая TI продолжала судиться (как в ситуации с первой интегральной схемой) со всеми, с кем только можно, аж до 1995 года, когда хитрый Ли Бойсел убедил суд, что первый процессор изобрел еще он и патенты Texas Instruments аннулировали. Дальнейшая история всем известна – чипы от TI практически не продавались, Intel же доделала оба процессора: и большой, и маленький, и заложила тем самым основы своей славы и богатства на десятилетия вперед.
Поразительно то, что, как и в случае с Осокиным, в СССР также разработали свой, полностью независимый вариант микропроцессора, о чем знает очень мало людей! В изначальном варианте, правда, это был трехчиповый BSP, но работа была закончена в 1976, опоздала не сильно, и никто не мешал модернизировать ее до полноценной одночиповой архитектуры.
В итоге, как всегда, в области чисто инженерных приоритетов, как и в случае с транзисторами и микросхемами, мы шли практически вровень с Западом и демонстрировали высокий научный уровень разработок, реализация же их в итоге была кошмарной.
Первый отечественный микропроцессор не взлетел из-за того, кто был его крестным отцом – не кто иной, как Давлет Гиреевич Юдицкий! Такое впечатление, что Шокин и Калмыков ненавидели всех, кто занимался хоть чем-то оригинальным: Карцева, Староса, Юдицкого – и целенаправленно давили все их разработки.
Как же Юдицкий, отец модулярных суперкомпьютеров, дошел до разработки процессора?
Об этом мы поговорим в следующих частях, отметим здесь лишь то, что в начале 1973 года он, в то время директор зеленоградского СВЦ, собрал компактную рабочую группу для разработки архитектуры новой мини-ЭВМ (не основанной на машинах DEC и HP, как СМ ЭВМ) – «Электроника-НЦ», модульной и достаточно оригинальной. В том же году Юдицкий поручил молодежному коллективу лаборатории В. Л. Дшхуняна заняться проработкой подходов к построению микропроцессоров – первых в СССР.
Проанализировав то, что выпускалось на Западе, за основу выбрали BSP и в 1976 году создали процессор серии 587 на трех чипах – ИК1, ИК2, ИК3, один из немногих, не имеющих прямого западного аналога (сейчас самый первый их релиз также является пределом мечтаний многих коллекционеров). В дальнейшем эта серия развилась в 588 (5 чипов), а в начале 1980-х специалисты СВЦ хотели, наконец, реализовать ее в однокристальном исполнении, но по требованию Шокинского Министерства электронной промышленности от оригинальной архитектуры отказались в пользу PDP-11.
Остальные разработчики не остались в стороне, ВНИИЭМ закупил чипы Intel 8080, всю периферию, комплект разработчика Intel Intellec-800 под эту архитектуру и увлеченно занялся реверс-инжинирингом. Процессор выпуска 1974 года разбирали до 1978 и в конце 1970-х запустили в серию как 580ИК80.
С этого момента началась эра копирования микропроцессоров. Вопреки распространенному мнению, Советы украли не только три чипа Intel (8080, 8085, 8086), знаменитый DEC LSI-11, воплощенный у нас в десятке форм и Zilog Z80. В СССР производилось множество аналогов процессоров всех видов.
Единственный из этого списка не украденный, а воспроизведенный по лицензии процессор – 1876ВМ1, завод «Ангстрем», 1990 год. Выпускаемый (и описываемый почему-то как собственная разработка, хотя консорциум MIPS предоставил все спецификации и документы на эту архитектуру), до сих пор как «32-битный RISC-процессор 14 МГц», при том, что его прототип – оригинальный R3000 работал на 40 МГц еще в 1988 году. В 1999 году в НИИСИ он был разогнан до 33 МГц и выпущен как 1890ВМ1Т «Комдив» – «новейшая отечественная разработка». Чуть более прогрессивный 120 МГц радиационно стойкий 1892ВМ5Я был собран на базе чуть менее древнего MIPS R4000 + DSP на FPGA (!) производства «Элвис».
Вывод
Подведем итоги.
Эта таблица не охватывает и 1/10 всех клонов, также некоторые из этих чипов выпускались крайне ограниченным тиражом (например, цена 1810ВМ87 в хорошем состоянии легко доходит у коллекционеров до $200–300, настолько они редки), многие выпускались только в странах СЭВ (Болгарии и прочих) – в самом СССР был слишком низкий уровень производства.
В линейке Intel были пропущены процессоры 8088, 80186 и 80188, последние два – по причине малой распространенности в целом, 80286 с советской культурой производства изготовить вообще не осилили, его копировали и выпускали чрезвычайно малым тиражом только в ГДР (по крайней мере, автору не удалось обнаружить мифический экземпляр чисто советского КР1847ВМ286 ни в одной более-менее серьезной процессорной коллекции мира).
Процессор 8086 был выпущен примерно в год появления в США 80386 и стал последним из советских клонов.
Теперь мы вооружены всеми необходимыми знаниями для того, чтобы снова встретить нашего героя – Давлета Юдицкого, который как раз направлялся в Зеленоград разрабатывать микросхемы для своего грядущего суперкомпьютера ПРО. О нем и пойдет рассказ в следующем выпуске.
Информация