Почему военным компьютерам не нужны чипы последних поколений?

Большая часть людей считает, что словосочетание «военный компьютер» скрывает за собой что-то нереально мощное, уж точно превосходящее все, что работает у них в телефонах и ноутбуках.
Нет ничего более далекого от правды.

То, что изображено на картинке сверху очень похоже на какую-то примитивную плату от допотопного советского настольного калькулятора и уж точно не ассоциируется с одной из самых технически сложных миссий в истории человечества. Это одна из нескольких десятков плат от Saturn V LVDC – компьютера, который 20 июля 1969 успешно доставил на Луну легендарный Apollo 11 и его экипаж. То, что вы видите – это не только не микропроцессор, это даже не микросхемы вообще! Компьютер LVDC использовал разработанную IBM технологию ULD – Unit load device. Каждый такой квадратик содержал 1-4 кремневых кристалла в каждом из которых был только один транзистор или два диода – всего 30-90 транзисторов на плату, размером с лист А5. Для сравнения, современный типовой процессор AMD Ryzen 5 на площади всего в 81 кв. мм содержит 4,8 миллиарда транзисторов. Тактовая частота составляла 2,048 МГц, против нескольких ГГц обычного современного домашнего процессора. Операции выполнялись побитово-последовательно: на обработку каждого бита требовалось аж 4 такта, на одну фазу инструкции - 14 бит, на одну инструкцию - 3 фазы, поэтому время базового цикла выполнения инструкции составляло целых 168 тактов для простого сложения. Производительность составляла всего 12 тыс. операций в сек., против более 400 миллиардов операций для AMD Ryzen 5.

Кто-то может решить, что это удивительное исключение и более сложные задачи (хотя попасть ракетой в конкретное место Луны после 4 дней полета – задача весьма нетривиальная) требовали в то же время больших ресурсов, но это не так. В 1976 г. был выпущен пилотный образец ставшего легендарным комплекса С-300, ЭВМ для него разрабатывал ИТМиВТ. Машина 5Э26 помещалась в кузов здоровенного тягача МАЗ-543, была собрана на дискретных схемах ИС 133 и имела производительность порядка 1 миллиона операций в сек. (вообще, производительность 5Э26 есть великая загадка, в разных источниках приводятся цифры от 0,9 до 1,5 миллиона). Объем памяти составлял жалкие 32 кбит (причем на ферритах!) – в современных микроконтроллерах память больше на порядки. Доделать его удалось только к 1979 году, а на вооружении первая версия состояла до 1988 года, при этом следующий процессор – 40У6 был собран на такой же дискретной логике (ИС серий 530, 533, 537 РУ6, 539 и 169) и продержался в использовании до середины 1990-х. Его производительность составляла порядка 2,5 миллионов операций в секунду – примерная производительность приставки Sega тех же лет. Этого хватало, что бы сбивать все, что летает, с весьма неплохой эффективностью!

Если вы думаете, что в США дела обстояли сильно прогрессивнее, то вы также ошибаетесь. Компьютер WCC главного конкурента С-300, комплекса MIM-104 Patriot, первая версия которого была испытана в 1986 г. был собран на т.н. bit-slice чипах (они же – секционный процессор) AMD Am2900 и имел частоту всего в 6 МГц. Занимал он, конечно, объемы сильно меньшие, нежели 40У6 (примерно стол, а не грузовик), но по производительности значительно уступал тому же Intel 386, выпущенному в 1985 г. (частота даже в первой версии в два раза выше – 12 МГц, разрядность – 32 бита против 24 у WCC). Что забавно – несмотря на более мощное железо (и более передовое – АЛУ на микросхемах, вместо дискретной рассыпухи) Patriot показал себя в первых боях в Заливе куда хуже своего допотопного конкурента С-300.

Та же тенденция продолжается до сих пор, какой вид оружия не возьми. Разработанный в 1967 году на архитектуре легендарного семейства S/360 компьютер IBM System/4 Pi, представляющий собой здоровенный чемодан с платами, использовался во всех тяжелых летунах США – от B-52 до Space Shuttle (с 1977 по аж 2011 год) и даже бомбардировщике B-1B. В 1970 г. совершил первый полет Grumman F-14 Tomcat. Его бортовой компьютер F-14 CADC представлял собой плату на чипах Garrett AiResearch MP944 работающих на частоте 357 КГц. Крылатая ракета BAe Dynamics Sea Eagle с 1985 по 1999 г. летала на британском микропроцессоре Ferranti F100-L по мощности примерно равному знаменитому Zilog Z80 из домашнего компьютера ZX Spectrum. Этот же процессор использовался в британской самоходке Abbot. В 1980 г. был принят Генеральный план US AF по авионике (AMP), в рамках которого корпорация GEC Avionics Rochester разработала так называемый SCADC – стандартный центральный компьютер обработки полетных данных.

Параллельно был принят стандарт MIL-STD-1750, регламентирующий систему команд, которую должен иметь военный микропроцессор, предназначенный для использования в SCADC и прочей военной технике. Всего 16-битный, с частотой 16 МГц, производительностью около 8 миллионов операций в секунду, эталонный чип был разработан в 1980 г. калифорнийской компанией UTMC (United Technologies Microelectronics Center) из Колорадо-Спрингс. За следующие двадцать лет были выпущены многочисленные реализации от компаний Honeywell, CPU Technology, Inc., Delco Systems Operations, Dynex Semiconductor, GEC-Plessey, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Marconi Electronic Devices, McDonnell-Douglas, Fairchild Semiconductor, National Semiconductor и Royal Aircraft Establishment Farnborough.

Многие из них использовали чрезвычайно экзотические по современным меркам технологии, такие как арсенид галлия вместо кремния и ECL-логику вместо типовой CMOS. Эта архитектура выпускается и сейчас, она прославилась тем что на нем летали F-111, F-16, F-18 и даже легендарный вертолет AH-64D Apache Longbow. Ультрасовременные истребители F-22 и F-35 летают на процессоре PowerPC G4-31. Это версия PowerPC G4 – процессора, выпускавшегося Motorola с 1999 по 2003 г. и использованного, например, в домашнем компьютере Apple Power Mac G4, пожалуй, это единственный военный процессор, который использовался в домашних системах и имел относительно приличную производительность. Однако, с частотой в 500 МГц он имел приличную производительность по меркам 1999 года, а F-35 летает до сих пор! В России предпочитают архитектуру процессоров SPARC, разработанную в 1985 г. в Стэнфордском университете. В частности именно такие процессоры использует комплекс С-300 в версии ПМ2 «Фаворит» и С-400. Сам компьютер производится компанией МЦСТ под маркой Эльбрус-90микро (не путать с их микропроцессором Elbrus!) с 2001 г. и работает на процессорах МЦСТ-R (существуют версии от R150 на 150 МГц до МЦСТ-R1000 2015 г. с частотой в 1 ГГц, впрочем последнего изготовлено всего несколько и то уже на Тайване).

Итак, как видите, военная электроника вовсе не нуждается в каких-то чудовищных гигагерцах и нанометрах. Вся военная техника, даже самая передовая, обладает вычислительной мощностью, сравнимой, как максимум, с игровыми приставками конца 1990-х годов. Почему так происходит? Во-первых, военная техника монозадачна. Военному процессору не нужно обрабатывать AAA-графику и физику топовых игр, мгновенно декодировать UHD-видео и заниматься другими типовыми домашними вещами. Вместо этого он должен обладать совсем другими характеристиками. Во-первых, подавляющее большинство военных процессоров являются радиационно-устойчивыми. Это автоматически приводит к применению экзотических технологий, таких как «кремний на сапфире» (SOS) и подобных, что мгновенно роняет частоты на порядок и поднимает толщину кристалла на пару порядков – никаких 3-4 нанометра, только суровые 0,5 – 0,6 мкм. Одновременно с этим военные чипы должны иметь минимальное энергопотребление и высокую тепловую стойкость (в идеале при пассивном охлаждении), что так же приводит к тому, что их сложно сделать мощнее, чем Intel 486.

Военные компьютеры также защищены куда лучше, нежели домашние и даже промышленные, все что можно приклеить намертво или впаять – приклеивается, заливается изоляторами и впаивается, все поддерживает горячую замену на уровне целых плат. Военный компьютер может быть рассчитан на работу в очень неблагоприятных условиях с экстремальными температурами, например, от -20C до +65C, влажностью от 5% до 95%, высокой запыленностью воздуха, а также другими неблагоприятными для аппаратуры факторами. От них может потребоваться работа в среде с высоким содержанием соли, например, на корабле, или они могут быть рассчитаны на сильные удары и вибрации, например, на подводной лодке. Военные компьютеры самолетов должны быть устойчивы к авариям и способны работать на больших высотах. Один и тот же компьютер может потребоваться для работы как в Афганистане, так и на Аляске без каких-либо изменений в конструкции. Все это приводит к максимально дубовым и надежным решениям, не оставляющим места экстремальной производительности их домашних собратьев.

Еще одна причина состоит в том, что военные компьютеры производятся крайне малыми сериями. Например, B-52, самый массовый тяжелый бомбардировщик Холодной войны, изготовлено 744 машины для которых понадобилось не более 1000 бортовых компьютеров (с учетом запчастей) – в результате IBM System/4 Pi не было смысла выпускать тиражом более нескольких тысяч (с учетом прочих применений). Это и близко не подходит к коммерческим тиражам в десятки миллионов микропроцессоров. Естественно, что бы стоимость компьютера не была сравнима со стоимостью всего самолета (а микроэлектроника в разработке чрезвычайно дорога) – не имеет смысла делать сверхнавороченный процессор.

Еще одна причина – срок службы. Армия не может себе позволить (даже если захочет) выбрасывать свой старый самолет раз в полгода, когда появляется новый iPhone на 0,01% тоньше и на 2% быстрее предыдущего. Военные программы пишутся и отлаживаются годами, а аппаратура используется десятилетиями без существенных изменений. Авионика самолетов по сути сменила три поколения чипов за 30 лет, со времен, когда ими заменили древние электромеханические аналоговые машины. Сколько поколений сменили домашние ПК – сложно посчитать. Сам самолет спокойно может прослужить 10-15 лет и в течении этого срока ему может потребоваться ремонт и замена бортового компьютера на идентичный. Естественно, он будет выпущен в достаточном количестве и не будет обновляться все эти годы, пока самолет не отправится в утиль. В потребительских компьютерах используются самые передовые разработки для достижения максимальной производительности, необходимой, например, для игр, в ущерб надежности и совместимости. Срок службы материнской платы в потребительском компьютере может измеряться месяцами, а не годами и уж точно не десятилетиями. В домашних компьютерах за время их жизни нередки случаи, когда все компоненты, такие как материнская плата, накопители, процессор были последовательно заменены. Это недопустимо для военного компьютера, на который были разработаны стандарты и созданы все сопроводительные документы, а системы многократно протестированы и утверждены.

Подводя итог – если вы видите военный компьютер, знайте, вы видите артефакт иных времен и иных технологий, спроектированный, скорее всего, еще при молодости ваших отцов, выпускаемый десятилетиями и производительностью, сопоставимой с игровыми приставками 1990-х годов. Потому что больше военным и не нужно.