Американская компания Intel — абсолютный лидер на рынке процессоров общего назначения, в том числе и для игровых станций. Достичь этого ей помогли два выдающихся советских и российских ученых — Владимир Пентковский и Борис Бабаян. Рассказываем, какой вклад они внесли и где они сейчас.

Почему мы это рассказываем?

Процессор — один из главных факторов высокой производительности в играх. С развитием игровой индустрии растет и потребность в ресурсах ПК. Поначалу даже графическая обработка ложилась на процессоры, и это сильно ограничивало остальные задачи — математические и физические расчеты, а также игровую логику. С появлением 3D-ускорителей и видеокарт обработка графики перешла к ним. Часть ресурсов освободилась, но их никогда не бывает много. Физика и логика усложняются вместе с графикой, а значит, и процессор нужен все более производительный. Без него никакая видеокарта не выдаст достаточно кадров в секунду.

Большая часть рынка процессоров, в том числе и для настольных компьютеров, уже более 25 лет принадлежит Intel.

Что мы вкладываем в термин «процессор»

Центральный процессор — устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде. То есть, по сути, это мозг компьютера. Самые первые центральные процессоры представляли собой огромные шкафы, внутри которых располагались схемы и сборки из отдельных элементов. В 50-х годах это были реле, ферритовые сердечники и вакуумные лампы, в 60-х их заменили транзисторы. Первые образцы транзисторов были большими, но со временем размеры уменьшались, что позволило составлять из них схемы относительно малых габаритов — микросхемы.

Со временем и микросхемы становились все меньше; появилась возможность создавать так называемые микропроцессоры — элементы, состоящие из одной или множества мелких микросхем. В наше время именно микропроцессоры называют процессорами, так как они практически полностью вытеснили своих «отцов». Кроме того, процессоры малых габаритов стали основой для того, чтобы компьютеры могли появиться в каждом доме. Но в 70-х годах, когда и появились первые микропроцессоры, об этом речи еще не шло — они стоили слишком дорого. А когда появились первые более дешевые образцы, ПК на их основе не обладали высокой производительностью, а значит — и широким функционалом.

В то же время действительно мощные процессоры использовались только в суперкомпьютерах. В США их разработкой занимались сразу несколько частных компаний, а в СССР — НИИ, в том числе Институт точной механики и вычислительной техники Академии наук. Советское руководство поручило ученым скопировать американский суперкомпьютер Cray, но работы шли очень медленно. Гораздо лучше работал другой подход — брать все самое лучшее из другого изделия — Burroughs B5000 — и дополнять его апгрейдами собственной разработки.

В конце 70-х ИТМиВТ выпустил суперкомпьютер — «Эльбрус». Одним из инженеров, проектирующих ЭВМ, стал Борис Арташесович Бабаян, а базовый язык для него написал Владимир Мстиславович Пентковский. В основе ЭВМ были процессоры с суперскалярной архитектурой, позволяющей выполнять две и более независимых команд за такт. Похожую технологию применяли еще в американском суперкомпьютере CDC 6600, выпущенном в 1963 году, но широкой общественности об этом принципе первыми рассказали советские учёные. То, что СССР опередил конкурентов, подтверждаети один из разработчиков первого западного массового суперскалярного процессора Motorola MC88100 Кит Дифендорфф в февральском выпуске журнала Microprocessor Report за 1999 год. По его словам, аналогичную «Эльбрусу» схему на западе применили только спустя почти 15 лет.

Позже появился «Эльбрус-2» — усовершенствованный «Эльбрус», ставший самым массовым суперкомпьютером СССР. В середине 80-х началась разработка «Эльбрус-3» под руководством Бабаяна. Помимо прочих улучшений, он поддерживал эмулятор кода процессоров Intel, а значит, мог использовать западное ПО. При этом производительность падала лишь на 10-30%. Одновременно с этим Пентковский возглавил разработку отдельного процессора — «Эль-90». В его основе лежали решения, которые применяли при создании «Эльбрус-2» и «Эльбрус-3».

В этот же период начинала развитие компания Intel. Ее основали в 1968 году, но по началу в разработке суперкомпьютеров она почти не участвовала. Intel начала с производства микросхем, а спустя три года с момента основания сделала первый доступный массам микропроцессор — Intel 4004. Его использовали в микрокалькуляторах, а следующий чип — Intel 8008 — ставили на производственные линии по бутылочному розливу, терминалы ввода-вывода и те же калькуляторы. Более поздние ее продукты использовались в настольных компьютерах, но их функционал был далек от того, к которому привыкли мы.

Утечка мозгов

В конце 80-х в СССР началась перестройка. Стране было не до процессоров, и денег на финансирование разработок критически не хватало. Но коллектив ученых из ИТМиВТ продолжал работу над совершенствованием «Эльбрус-3» и «Эль-90», насколько это было возможно. В то же время рухнул железный занавес, упала секретность, и советские разработчики получили возможность сотрудничать с иностранными компаниями, в том числе и с американскими.

К тому моменту уже создали один упрощенный рабочий прототип «Эльбрус-3» и инженерный образец «Эль-90». Довести их до ума возможности просто не было — в 1991 году Советский союз распался, начался экономический кризис. Но двумя годами ранее сотрудники Intel приехали в Москву для посещения лаборатории Вычислительной техники РАН и оттуда пригласили Пентковского в США для «обмена опытом». Сразу же после распада СССР и прекращения финансирования разработки собственных процессоров он окончательно переехал в США, где стал одним из ведущих инженеров Intel.

В то же время на старте 90-х началось стремительное развитие персональных компьютеров — их мог позволить себе любой более-менее обеспеченный человек. Кроме того, появились интернет, операционные системы с большими возможностями и мультимедиа. На рынке ПК начала расти конкуренция. Intel как один из лидеров в этой отрасли запустила разработку принципиально нового процессора — Pentium. На момент выхода в 1993 году он превосходил любого конкурента и позволил компании вырваться в лидеры на рынке массовых процессоров для настольных ПК.

Судя по всему, Пентковский принимал непосредственное участие в его разработке: многие решения, использованные в «Эль-90», использовались и там. Например, раздельные кэши команд и данных, а также режим сверхнадежных вычислений, реализованный еще в «Эльбрус-2». В СССР его создавали по требованию армии — несколько процессоров в одной системе сравнивали результаты вычислений и пересчитывали их, если они не сходились. Кроме того, Pentium обладал средствами мониторинга производительности, которые были у «Эль-90», но не у других.

Pentium был первым коммерчески успешным суперскалярным процессором Intel. После него все процессоры общего назначения используют суперскалярность, в том числе и современные многоядерные. Исключениями являются лишь Intel Atom и ему подобные — их делают для мобильных устройств, питающихся от батареи. Но они не годятся ни для одной более-менее серьезной задачи, в том числе и для игр.

Официально Пентковский начал работать в Intel с 1993 года, как раз когда вышел Pentium. И если его прямое участие в разработке первой модели можно доказать лишь косвенно, то Pentium III разрабатывал точно он — сама Intel подписала Пентковского как руководителя разработкой архитектуры. Также ходит легенда, что процессор получил название Pentium как раз в честь российского ученого, но официальная версия Intel иная — название произошло от Penta, что в переводе означает «пять». Ведь Pentium — это процессор пятого поколения.

Бабаян же после распада СССР основал компанию МЦСТ, где продолжил разработку своих процессоров. В 1991 году он заключил контракт на сотрудничество с американской компанией Sun Microsystems — вместе они занялись разработкой чипов на архитектуре SPARK, которую использовала Sun. Часть вырученных средств уходила на работу над принципиально новым процессором — 64-разрядным «Эльбрус-2000» или E2k. Одновременно с этим и Intel в сотрудничестве с Hewlett-Packard запустила работы над своим продуктом — Itanium (кодовое название — Merced). Его проектная частота составляла 800 МГц, объем кэша третьего уровня — от 2 до 4 МБ, а TDP — 60 Вт.

Но Бабаян и его коллектив приготовили кое-что получше. На конференции Microprocessor Forum в феврале 1999 года он заявил, что E2k значительно превосходит Merced по всем параметрам. Был только один нюанс — у Бабаяна не было даже инженерного образца. Процессор существовал лишь в описании на языке Verilog — по сути, это финальный этап перед созданием топологии и переносом на кристалл. E2k в теории работал на частоте 1,2 ГГц, в три раза превосходил Itanium по тестам вычислений целых чисел и в пять раз — с плавающей точкой. При этом размеры кристалла и уровень TDP были меньше. Кроме того, в отличие от американского конкурента, он имел совместимость с 32-разрядными инструкциями.

Производство E2k так и не началось. Бабаян не нашел денег даже на создание первой партии, несмотря на то, что на следующих конференциях о новом «Эльбрусе» рассказывал не он, а глава исследовательского подразделения Microsoft Гордон Белл. Но никто так и не решился вложить деньги в массовое производство E2k. Ни у кого не было уверенности, что дело выгорит и у кого-то получится подвинуть Intel, которая к тому моменту стала абсолютным лидером на рынке процессоров.

Но в итоге Itanium на персональных компьютерах не прижился — его архитектура поддерживала только 64-разрядные инструкции. Выпуск задержали на два года, а к тому времени AMD выпустила расширение AMD64, позволяющее выполнять 32-разрядные программы в 64-разрядном режиме. Плюс цена на Itanium из-за недостаточной распространённости и сложности архитектуры была запредельной — от $1,2 тыс. до $4 тыс. Его устанавливали только на серверы, которые использовались для задач с параллельным вычислением.

Текущее положение дел

В 2004 году 500 сотрудников МЦСТ вместе с Борисом Бабаяном перешли в Intel. До этого американская компания уже работала в России 12 лет, но после перехода Бабаяна и его коллег штат сотрудников российского подразделения увеличился вдвое. Вместе с этим Intel получила возможность использовать более ста патентов США, защищающих архитектурные решения «Эльбрусов». Сам Бабаян объяснил переход в Intel единственным способом довести хорошую идею до ее коммерческой реализации:

«Когда шли переговоры с Intel, мы понимали, что, возможно, придется заниматься не совсем тем, что мы делали до сих пор. Однако, познакомившись с планом разработок компании, мы увидели такое количество новых идей и областей применения для наших знаний и опыта, что согласились без колебаний. Безусловно, работа с лидерами индустрии — это взаимообогащающий процесс и единственный способ довести хорошую идею до ее коммерческой реализации. Нас радует то, что через несколько лет наши разработки станут частью самых массовых компьютерных систем в мире».

В Intel Бабаян занимает позицию директора по архитектуре подразделения программных решений. Он стал первым европейским ученым, удостоенным звания Intel Fellow — оно присуждается за вклад в развитие отрасли информационных технологий. Кроме него Intel Fellow получили 85 сотрудников компании, штат которой насчитывает около 85 тыс. человек по всему миру.

В итоге МЦСТ лишилась многих ценных кадров, в том числе и научного руководителя, а также интеллектуальной собственности. Несмотря на это, разработка «Эльбрусов» не остановилась. Для России производство собственных процессоров — вопрос национальной безопасности, и основные заказчики МЦСТ — министерство обороны. Процессоры постоянно совершенствуются, но, само собой, до Intel в решении повседневных задач им еще далеко.

Владимир Пентковский умер в США в 2012 году в возрасте 66 лет. Он участвовал в разработке еще нескольких поколений процессоров Intel, и многие его решения будут применяться в наших компьютерах еще очень долго.