Китайские процессоры, видеокарты, память и накопители в 2019 году

Год 2019-й стал четвёртым годом с момента старта программы «Сделано в Китае — 2025». Среди прочих вызывающих уважение целей этот проект предусматривает поэтапное вытеснение из китайской высокотехнологической продукции технологий, сырья и комплектующих иностранного происхождения. В соответствии с планом, в 2020 году доля китайской продукции в изделиях и товарах должна составить до 40 %, а к 2025 году возрасти уже до 70 %. Это же касается выпуска полупроводников и изделий из них, включая вычислительную технику и электронику. В 2016 году, например, Китай удовлетворил на внутреннем рынке только 33 % спроса на полупроводники, выпустив этой продукции на сумму $65 млрд.

Выше приведена диаграмма, скомпилированная изданием South China Morning Post, которая показывает, какая доля выручки от мирового полупроводникового сектора приходилась на китайские компании в 2015 году, на момент принятия той самой программы «Сделано в Китае — 2025». По мнению издания, сегмент полного цикла производства чипов (IDM, Integrated Device Manufacturers) в Китае на тот момент отсутствовал полностью. На проектные бесфабричные компании (Fabless) приходилось 10 % от мировой выручки. На производство чипов (Foundry) приходилась доля выручки 7 %, и на долю упаковки и тестирования (OSAT, Outsourced Semiconductor Assembly and Test) оставалось 12 % выручки.

В целом всего за каких-то 20 лет Китай добился впечатляющих успехов. Опережают его только Тайвань, США и Южная Корея, причем последняя лишь за счёт сосредоточенного там производства памяти DRAM и NAND (до 80 % от мирового производства). Очевидно, что Китаю необходимо быстро создавать IDM-центры производства (полного цикла) и планомерно расширять всё остальное, а также совершенствовать технологии производства, в чём он отстаёт практически ото всех остальных высокотехнологически развитых стран.

В этом году, четыре года спустя после начала работы программы «Сделано в Китае — 2025», китайские компании добились определённых успехов в таких областях, которые ранее им были недоступны или в которых они были практически незаметны. Также подтянулся сектор производства полупроводников, включая контрактное производство. С него и начнём поведение итогов года.

⇡#Производство полупроводников

С опозданием, но в августе 2019 года всё же началось рисковое производство 14-нм полупроводников с транзисторами FinFET силами крупнейшего в Китае контрактного производителя чипов — компании Semiconductor Manufacturing International (SMIC, расположение предприятий см. на картинке ниже). Массовое производство первых 14-нм национальных продуктов SMIC должно было начаться в ноябре или декабре. На момент написания «итогов» подтверждения этому не было. Тем не менее в 2019 году SMIC фактически приблизилась к полномасштабному запуску в стране первого разработанного в Китае техпроцесса с использованием вертикальных транзисторных структур.

Техпроцессы с нормами 45, 32 и 28 нм компания SMIC лицензировала у американской компании IBM. К сегодняшнему дню этот китайский производитель полупроводников самостоятельно почти догнал своих бывших учеников, введя в строй 14-нм FinFET-производство и готовясь запустить рисковое производство FinFET с нормами 12 нм. Коммерческий запуск 14-нм техпроцесса будет иметь для Китая важнейшее значение. Например, в виде перспективы выпуска в стране 14-нм клонов процессоров AMD EPYC на ядрах Zen (Hygon Dhyana), которые попали под санкции США. Но о них мы поговорим ниже, в разделе, посвящённом процессорам.

Также в 2019 году планы освоить 14-нм производство чипов очертил другой китайский производитель ― шанхайская компания Huali Microelectronics (HLMC). В этом году HLMC освоила выпуск чипов с использованием техпроцесса 28 нм HKC+ для производства энергоэффективных и мобильных решений. С помощью обычного техпроцесса 28 нм HKC (аналог техпроцесса HKMG в западной терминологии) компания HLMC выпускает серийные x86-совместимые процессоры Zhaoxin KX-5000. Компании Zhaoxin тоже не помешали бы передовые техпроцессы в Китае. Пока для выпуска процессоров новых поколений она вынуждена обращаться к тайваньской TSMC.

Впрочем, дальнейший прогресс китайцев находится в прямой зависимости от санкций США. Уже есть признаки того, что китайцам могут заблокировать поставку EUV-сканеров компании ASML. Без этого оборудования Китай не сможет шагнуть ниже 7-нм техпроцесса. Но об этом мы поговорим в «итогах» в последующие годы.

⇡#Производство памяти

После старта программы «Сделано в Китае — 2025» в стране начали закладывать фундамент для производства памяти DRAM и NAND. Без национального производства памяти говорить о развитии Китая как высокотехнологической державы совершенно бессмысленно. Поэтому уже в 2016 году начали создаваться первые специализирующиеся на разработке и производстве DRAM и NAND компании и строиться первые заводы для выпуска этих видов памяти на 300-мм кремниевых подложках. За прошедшие с тех пор три года этот посев наконец дал первые жизнеспособные ростки.

В начале сентября китайская компания Yangtze Memory Technologies (YMTC) ― совместное предприятие холдинга Tsinghua Unigroup и компании XMC ― приступила к массовому производству 64-слойных микрочипов флеш-памяти TLC 3D NAND ёмкостью 256 Гбит (фото 300-мм пластины с этой памятью на фотографии ниже). К концу года YMTC нарастила объёмы производства до 20 тыс. 300-мм подложек в месяц — в масштабе мирового рынка 3D NAND это совсем немного. Но к концу следующего года объёмы производства будут утроены — до 60 тыс. пластин в месяц, что составит небольшую, но уже заметную рыночную долю — 3 %. Поскольку YMTC строит ещё два завода, то к 2025 году она будет обладать внушительным производством с месячным объёмом до 300 тыс. 300-мм пластин, а это 25 % от сегодняшнего ежемесячного глобального производства чипов NAND.

В этом году первой в стране серийно выпускать в крупных масштабах оперативную память китайской разработки с богатым европейским наследием начала компания ChangXin Memory Technologies. К концу года объёмы производства не превысили 10 тыс. 300-мм подложек в месяц. Продукция ― 8-Гбит чипы LPDDR4 с нормами производства предположительно 19 нм ― будет использоваться в мобильных устройствах, в бытовой электронике и в качестве буферов SSD отечественной разработки.

По оценкам аналитиков, к концу следующего года ChangXin сможет в четыре раза увеличить число ежемесячно обрабатываемых пластин ― до 40 тыс. штук. По сегодняшним меркам ― это 5 % глобального производства памяти в мире. Для сравнения: ветеран отрасли тайваньская компания Nanya сегодня удерживает только 3,1 % на мировом рынке памяти DRAM. В этом году на рынке DRAM Китай начал процесс, завершение которого через год выведет страну на передний край противостояния мировым лидерам рынка памяти.

Следует отметить, что западные «партнёры» не прекращают мешать Китаю с производством национальной памяти. В этом году ещё одна китайская компания ― Fujian Jinhua Integrated Circuit ― должна была начать массовое производство памяти DDR4. Но этого не произошло. Регулирующие органы США с помощью правительственных структур наложили запрет на продажу американского производственного оборудования компании Fujian Jinhua. Производственные линии Fujian остались незавершёнными, и запуск памяти в серию не состоялся. Тоже, в общем-то, итог года.

Несмотря на давление санкциями, Китай продолжает выстраивать платформу для национального производства памяти. Важной вехой на этом пути стало объявление летом компанией Tsinghua Unigroup о создании нового, буквально с нуля, национального производителя памяти. В конце августа было выбрано место для строительства нового завода для выпуска памяти DRAM. Руководить предприятием будет бывший генеральный директор тайваньской Nanya Technology Чарльз Као, а помогать ему в этом будет бывший генеральный директор японской компании Elpida Memory. Это ― всем вехам веха, и поставлена она в этом году. На фото выше руководство Tsinghua Unigroup открывает новую строительную площадку в Китае (сентябрь 2019 года).

Наконец, в области выпуска перспективных видов энергонезависимой памяти Китай вторгся в вотчину компаний Intel и Micron. Осенью этого года китайская компания Jiangsu Advanced Memory Technology начала массовый выпуск чипов памяти на основе материала с фазовым переходом. В случае Intel похожая технология стала базовой для выпуска продукции под брендом Optane. Компания AMT пока далека от выпуска SSD или модулей DIMM на памяти PCM. Она лишь освоила выпуск перезаписываемых микросхем EEPROM на PCM. Но переход китайцев к производству дискретных чипов памяти для твердотельных накопителей или для модулей памяти на эффекте фазового перехода ― это лишь вопрос времени. Главное, что технология готова и доведена до стадии производства, пусть даже на раннем этапе освоения.

⇡#Накопители SSD

Твердотельные накопители на памяти 3D NAND компании YMTC с буфером из китайской DRAM и с контроллерами китайских компаний существуют пока в виде ознакомительных образцов. Такие «стопроцентно» китайские накопители в следующем году намерена массово выпускать китайская компания Longsys, о чём она сообщила ранее в этом году на праздновании своего 20-летия. К нам подобные накопители могут попасть как по официальным каналам под брендом Lexar, которым с 2017 года владеют китайцы, так и под брендом Longsys.

Для кого-то это может стать приятной неожиданностью, но в случае покупки чисто китайских SSD может обнаружиться 3D NAND-память производства компании Intel. У Intel в китайском городе Даляне мощное производство флеш-памяти, которую она договорилась в определённых объёмах поставлять дочерним структурам холдинга Tsinghua Unigroup. Последняя, в свою очередь, договорилась поставлять 3D NAND Intel и своей YMTC-компании Longsys. В Intel не афишируют эти поставки, но информация о них так или иначе просачивается.

Контроллеры SSD среди китайских компаний разрабатывают около десятка специализированных фирм. Это гарантирует, что в Китае будет полный цикл производства твердотельных накопителей. Национальная безопасность требует, чтобы определённые продукты гарантированно оказались без «закладок». Итогом года на этом поприще можно назвать компанию Guokewei. Этот разработчик спроектировал и представил в прошедшем году контроллер SSD на IP-ядре компании Loongson (ниже фото с этого мероприятия).

Компания Loongson известна нам по разработке одного из первых в Китае микропроцессоров для ПК на ядрах Godson. Архитектура Godson использует систему команд MIPS. Микроконтроллер SSD GK2302 оказался на 15 % производительнее предыдущей разработки на ядрах ARM (GK2301) и потребляет на 6,5 % меньше энергии. В коммерческих SSD контроллер Godson GK2302 появится в следующем году, вероятно, в накопителях компании Longsys.

⇡#Процессоры

Ветеран китайского процессоростроения архитектура Godson компании Longsys в 2019 году себя ничем особенно выдающимся не проявила. Компания продолжает расширять модельный ряд 28-нм процессоров для мобильных и настольных ПК, а также перевела производство чипсетов на 28-нм техпроцесс. На основе процессоров и контроллеров Longsys выпускается активное сетевое оборудование, сложная микроэлектроника, телекоммуникационное оборудование, компьютеры, ноутбуки и серверы.

Веха в истории с Longsys может скрываться в том, что в прошедшем году впервые представлен релиз открытой архитектуры MIPS. Это может сделать систему совместимых команд, процессоры и программную экосистему популярными у целой армии независимых разработчиков и открыть путь к вычислительным платформам Longsys пользователям по всему свету. Этому также может поспособствовать то, что американские санкции запрещают распространять разработки ARM в Китае. Китайские компании просто вынуждены будут искать альтернативу ARM, обнаруживая её, например, в архитектуре MIPS.

Прорывом года может считаться другая разработка ― x86-совместимые процессоры компании Zhaoxin. Китайская Zhaoxin лицензировала разработки архитектуры вычислительных ядер, встроенной графики и интерфейсов у тайваньской компании VIA. На основе приобретённых лицензий были созданы процессоры ZX-C и, позже, 28-нм KX-5000. Новые 16-нм процессоры KX-6000, как утверждается, опираются на самостоятельно разработанную компанией архитектуру Lujiazui.

Летом 2019 года начались массовые поставки 16-нм процессоров серии KX-6000 в виде трёх 4-ядерных моделей и трёх 8-ядерных. Кроме этих решений, нацеленных на настольные ПК, моноблоки и ноутбуки, Zhaoxin заказывает для выпуска на мощностях тайваньской TSMC серверные 8-ядерные процессоры KH-30000 и версии ЦП для активного сетевого оборудования и оборудования для связи. По производительности старшая модель KX-6000 с 8 ядрами и тактовой частотой 3 ГГц на равных соперничает с 4-ядерными моделями процессоров Intel Core i5 на 14-нм архитектуре Skylake и даже кое-где опережает их. В этом году системы на базе процессоров Zhaoxin представили около десяти крупных китайских производителей, среди которых отметим серверы компании Lenovo ThinkServer и ПК Lenovo Kaitian.

Выше мы видели пример успешного сотрудничества китайской компании с условно иностранным разработчиком процессоров (на Тайване, откуда родом компания VIA, запрещён или ограничен экспорт высоких технологий на материк). Теперь поговорим об отрицательном примере. Санкции США привели к запрету сотрудничества между компаниями AMD и китайской Hygon. Эти две компании создали лазейку, с помощью которой они смогли протаскивать в Китай фактически клоны процессоров Ryzen и EPYC на ядрах Zen первого поколения (техпроцесс 14 нм).

Вопросами производства и поставок процессоров Hygon занимались две компании-прокладки ― обе СП с AMD (схема действий на фото выше). Непосредственно «китайские» процессоры выпускались в США, на заводе Fab 8 компании GlobalFoundries. Это не афишировалось. Американские источники при упоминании места производства процессоров Hygon обычно писали «где-то в Китае или, возможно, у TSMC». У последней нет 14-нм производственных линий, как нет таких линий и в Китае. Так что источник этих процессоров — секрет Полишинеля. Итогом года в данном случае можно назвать провал или близкую к провалу ситуацию с клонами AMD EPYC.

Значительный прогресс и даже прорыв произошел в сфере разработки китайских процессоров и ускорителей для суперкомпьютеров общего назначения и для платформ глубокого машинного обучения. Для этих продуктов китайцы воспользовались как архитектурой ARM, так и открытой архитектурой RISC-V. Поскольку это отдельная большая тема, мы коснёмся её лишь вкратце.

Но начнём с неудачи, аналогичной ситуации с «китайскими» AMD EPYC. Весной этого года было принято решение ликвидировать совместное предприятие Guizhou Huaxintong Semi-Conductor Technology, созданное компанией Qualcomm с китайской Huaxintong Semiconductor (HXT). Как и в случае с китайскими AMD EPYC, компания Qualcomm добавила в 64-ядерные ARM-процессоры Centriq собственной разработки китайские блоки шифрования и передала разработку китайцам. В Поднебесной они получили имя StarDragon, а выпускала их Samsung с использованием 10-нм техпроцесса. По неназванным причинам в этом году Qualcomm решила свернуть проект, оставив китайскую сторону с разработкой, у которой нет перспектив развития, что автоматически ставит на ней крест. Выше на фото «дракон», который не взлетел.

Подобные события заставляют китайцев самостоятельно разрабатывать процессоры и ИИ-ускорители. Так, компания Phytium Technology, разработчик процессоров на ARM для суперкомпьютеров Tiahne-1A и Tiahne-2 (в своё время они занимали первые строчки рейтинга TOP500), в 2019 году выпустила упрощённое 16-нм четырёхъядерное решение Phytium FT2000/4 для моноблоков, ПК и встраиваемых компьютеров.

Обратный пример ― выпуск самого производительного в мире процессора на архитектуре ARM ― показала компания Huawei. В январе этого года она анонсировала 64-ядерный 7-нм процессор Kunpeng 920 (кодовое имя разработки ― Hi1620), который на 30 % опережал всех ближайших соперников. Санкции США могут заблокировать дальнейшее развитие и этих процессоров, если компания ARM вынуждена будет прервать лицензирование новых ядер китайским компаниям. Поэтому в Китае всё чаще присматриваются к открытой архитектуре и набору команд RISC-V.

Процессор с поддержкой набора команд RISC-V создало подразделение Pingtouge Semiconductor корпорации Alibaba Group. Это решение для умной периферии с небольшим потреблением энергии. Процессор Alibaba XuanTie 91 несёт до 16 вычислительных ядер и обещает стать основой целого ряда вещей с подключением к Интернету. Как видим, китайские компании освоили весь спектр процессорных решений: от периферийных платформ до серверных и кластеров. Доля китайских систем в списке TOP500 в этом году увеличилась до 45,6 % (228 штук), но следует уточнить, что далеко не все они оснащены выпущенными в Китае процессорами.

⇡#Видеокарты

С отечественными видеокартами в Китае всё намного хуже, чем с процессорами, хотя встроенные видеоядра есть в процессорах с архитектурой Godson и Zhaoxin. Дискретной графикой в стране занимается компания Jingjia Microelectronics. Сегодня в активе Jingjia Micro 28-нм графические процессоры JM7200 с потреблением 10 Вт. По производительности эти GPU сравнимы с 28-нм GPU NVIDIA GT 640, что может говорить о неплохой оптимизации или о некоторых архитектурных находках. Продукцию Jingjia используют военные в авиационных системах наведения и производители серверов, которым нужна поддержка встроенных графических консолей.

В этом году Jingjia Microelectronics приступила к завершающей фазе разработки графических процессоров следующего поколения. Процессоры JM92xx, тоже 28-нм, существенно увеличат свою производительность ― до уровня GPU NVIDIA GTX 1080. Отличительной особенностью JM92xx станет использование памяти HBM и шины PCI Express 4.0. При потреблении до 200 Вт GPU JM92xx будет обладать лучшей пропускной способностью памяти, чем GPU NVIDIA GTX 1080: 512 Гбайт/с у JM92xx против 320 Гбайт/с у GTX 1080. Это не позволит догнать актуальные продукты NVIDIA и AMD, но обеспечит определённый буфер по импортозамещению в Китае.

⇡#Выводы

Все представленные выше достижения ― это результат работы огромных коллективов и бизнеса в течение нескольких пятилеток подряд. Производитель чипов компания SMIC, например, начала свою деятельность в 2000 году. После кризиса 2008 года SMIC некоторое время была убыточна, но без поддержки государства смогла продержаться достаточно, чтобы остаться на плаву и раз за разом внедрять новые техпроцессы.

В то же время правительство Китая через подконтрольные структуры и фонды оказывает также прямую финансовую помощь полупроводниковой отрасли в виде субсидий и поощрительных программ. На 12-ю пятилетку, например (с 2011 по 2015 год), были заложены огромные суммы на модернизацию компьютерного парка ПК, что дало возможность также финансировать разработку отечественных процессоров для персональных компьютеров. Так, процессоры Zhaoxin KX-6000 в том виде, в котором мы их увидели в 2019 году, родились из СП китайцев с тайваньской VIA, созданного в январе 2014 года.

Новый план стимулирования развития высокотехнологических отраслей, принятый в 2015 году, рассчитан на несколько пятилеток. Финансирование и поддержка будет проведена до 2025 года, затем будет продлена на две пятилетки, до 2035 года, и, наконец, до 2049 года, когда Китай будет отмечать 100-летие КНР. Эта дата должна стать наивысшей точкой для Китая в его стремлении к лидерству на мировой арене если не во всём, то во многом. И этот путь будет отмечен многими вехами, достижениями большими или маленькими, но наверняка такими, на которые стоит хотя бы обратить внимание.