25.05.2017, ЧТ, 11:45, Мск, Текст: Владимир Бахур
«Ростех» показал первые образцы ПК и серверов на отечественных 8-ядерных 64-битных процессорах «Эльбрус 8С». Установочные партии первых серверов на новых чипов ожидаются к концу 2017 г.
Первые образцы работающих ПК и серверов
Объединенный холдинг «Росэлектроника» (входит в «Ростех») в рамках конференции «ЦИПР 2017» в Иннополисе (Татарстан) представил первые образцы персональных компьютеров и серверов на базе микропроцессоров «Эльбрус-8С». Новая отечественная техника, по данным разработчиков, имеет повышенную производительность и гарантирует пользователям высокий уровень защиты информации. Новые серверы предназначены для обработки больших объемов информации, в том числе в режиме реального времени.
На базе чипов «Эльбрус-8С» планируется организовать массовое производство серверов, рабочих станций и других средств вычислительной техники для государственных учреждений и бизнес-структур, предъявляющих повышенные требования к информационной безопасности, а также для применения в области высокопроизводительных вычислений, обработки сигналов, телекоммуникации.
«Это новое поколение отечественной вычислительной техники. Все этапы сборки осуществляются на наших производственных площадках и на предприятиях отечественных партнеров. Все это гарантирует высокий уровень информационной безопасности оборудования, -- сказал заместитель гендиректора «Росэлектроники» Арсений Брыкин . -- Мы ожидаем, что первая опытная партия персональных компьютеров на основе нового процессора будет готова уже к концу II квартала 2017 года. Образцы нового оборудования мы представляем сегодня на конференции "ЦИПР" в Иннополисе».
Чипы «Эльбрус-8С» в 4-процессорной серверной системе
В составе объединенной «Росэлектроники» разработку и внедрение программно-аппаратных платформ «Эльбрус» ведет Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ) им. И. С. Брука. Разработкой и производством процессором «Эльбрус-8С» занимается компания МЦСТ. Первые образцы процессоров «Эльбрус-8С» для лабораторных экспериментов были получены в конце 2014 г. Массовое производство процессоров будет производиться с соблюдением норм 28-нанометрового технологического процесса.
Установочная партия 2- и 4-процессорных серверов на основе «Эльбрус-8С», согласно данным «Росэлектроники», будет выпущена к концу 2017 г.
Технические подробности
Универсальные микропроцессоры «Эльбрус-8С» являются полностью российской разработкой. Кристалл каждого процессора имеет 8 процессорных ядер с улучшенной 64-разрядной архитектурой «Эльбрус» третьего поколения, кэш-память L2 суммарным объемом 4 МБ (8 х 512 КБ) и кэш-память L3 объемом 16 МБ.
Особенности архитектуры «Эльбрус» подразумевают возможность выполнять на каждом ядре до 25 операций за один машинный такт, что обеспечивает высокую производительность при умеренной тактовой частоте. Чипы поддерживают технологию динамической двоичной трансляции, позволяющей обеспечивать исполнение приложений и операционных систем, распространяемых в двоичных кодах x86, в том числе в многопоточном режиме.
Архитектура процессора «Эльбрус-8С»
Процессоры «Эльбрус-8С» поддерживают режим защищенных вычислений с особым аппаратным контролем целостности структуры памяти, который позволяет обеспечить высокий уровень информационной безопасности использующих его программных систем.
Рабочая частота процессоров «Эльбрус-8С» 1,3 ГГц, вычислительная мощность составляет порядка 250 гигафлопс на чип на операциях с одинарной точностью (FP32).
По сравнению с 4-ядерными процессорами «Эльбрус-4С», пиковая производительность новых чипов процессора «Эльбрус-8С», по данным разработчиков, выше в 3-5 раз, пропускная способность каналов ввода-вывода выше в 8 раз.
Процессор «Эльбрус-8С»
Процессоры «Эльбрус-8С» рассчитаны на работу с памятью стандарта DDR3-1600 с поддержкой ECC (до 4контроллеров памяти). Возможна организация многопроцессорных систем с поддержкой до 4 процессоров в системе; для поддержки кэш-когерентности реализована фильтрация снупирования. Для межпроцессорного обмена предусмотрено 3 дуплексных канала с пропускной способностью 16 ГБ/с каждый (8 ГБ/с в каждую сторону).
Процессоры «Эльбрус-8С» совместимы с контроллером периферийных интерфейсов («южный мост» КПИ-2). Чипы КПИ-2 поддерживают шину PCI-Express 2.0 (PCI-Express 16 + 4 линий), 3 порта Gigabit Ethernet, до 8 устройств SATA 3.0, до 8 портов USB 2.0, до 7 устройств в шиной PCI 32/66, а также интерфейсы IDE, Audio HDA, RS-232, IEEE1284, SPI, I2C и GPIO.
Для платформы «Эльбрус-8С» предусмотрена система двоичной совместимости с бинарными кодами x86/х86-64. Также обеспечена возможность разработки прикладного ПО, тесты для самодиагностики аппаратуры.
Базовой операционной системой для платформы «Эльбрус» является ОС «Эльбрус» на базе ядра Linux. Система программирования платформы поддерживает языки С, С++, Java, Фортран-77, Фортран-90.
Про десктопные процессоры от Intel и AMD слышали и пользуются ими многие. Олдфаги помнят, что порядка 10 лет назад у них был конкурент - процессоры от VIA (которые, увы, конкуренции не выдержали). Ну и уж совсем гики знают про советско-российские процессоры Эльбрус (хотя, впрочем, в свете последних новостей, о них знают достаточно много людей). Поэтому в этой статье мы и поговорим об этих процессорах: как они создавались, на какой архитектуре работали, и что из себя представляют сейчас.
В СССР отлично понимали, что за процессорами будущее. При этом брать разработки других компаний было нехорошо - нужно, чтобы и элементная база, и теоретические разработки происходили на территории страны (что, впрочем, не помешало с помощью reverse engineering создать множество клонов процессоров от Intel вплоть до 286). В результате, в 1980 году, был представлен вычислительный комплекс Эльбрус-1, который был построен по нормам ТТЛ (транзисторно-транзисторной логика - микросхемы, состоящие из биполярных транзисторов и резисторов, где транзисторы играли роль не только логических элементов, но и использовались для усиления выходного сигнала) и включал в себя 10 ЦП. Итоговая производительность была на уровне 12 млн операций в секунду: для примера, процессор Intel 8086, с которого, собственно, и пошли х86 процессоры, мог выполнять 330 тыс оп/с, и только Intel i486DX, вышедший 10 лет спустя, мог тягаться с этим вычислительным комплексом.
В 1985 году был представлен новый вычислительный комплекс - Эльбрус-2. Он также имел 10 ЦП, но построены они были на основе интегральных схем ИС-100 (полученными с помощью reverse engineering из процессоров Motorola 10000ой серии). Каждый процессор имел частоту в 20 МГц, и суммарно кластер мог оперировать со 144 МБ ОЗУ. Внешней памятью выступала магнитная лента, а адресуемый объем достигал 700 МБ (столько же, сколько на обычной CD-болванке). Итоговая производительность была уже 125 млн оп/с - это сравнимо с процессорами архитектуры Cortex M3 с частотой в 100 МГц, которые, к примеру, играют роль сопроцессоров для датчиков в iPhone (и называются Apple M7-M10): да, производительность целого вычислительного кластера, который занимал не одну комнату и требовал серьезного охлаждения, теперь помещается в крохотном чипе в смартфоне.
Новый виток развития Эльбрус пришелся на смутные времена, 1989-1994 годы: заниматься обратной разработкой было уже нельзя: во-первых, Россия - не СССР, и патенты иностранных фирм нарушать было уже нельзя. Во-вторых, одно дело - заниматься reverse engineering процессора с 100 тыс транзисторов, а другое - с десятком миллионов: это гораздо сложнее. В итоге пришлось переходить на VLIW-архитектуру (она специально создана для многопроцессорных систем: одна инструкция процессора содержит несколько операций, выполняемых параллельно, причем известно, какой вычислительный блок выполняет какую операцию). Очевидно, что совместимости с Эльбрус-2 не было, как не было и денег на производство, так что Эльбрусы «похоронили» до начала нулевых.
Новейшее время, разработки ЗАО МЦСТ
В начале нулевых, когда основные проблемы в стране были решены, правительство снова обратило внимание на отечественные процессоры. Увы - время было упущено: с 1994 по 2000 год Intel сделали огромный скачок: процессоры нарастили частоты на порядок, техпроцесс также уменьшился на порядок. А Эльбрусы по сути так и остались на уровне начала 90ых, и нужно было что-то решать.
И тут, на мой взгляд, МЦСТ сделали серьезную ошибку: поняв, что архитектуру нужно менять, они выбрали SPARC. Разумеется, х86-процессоры для них были закрыты, но ведь был же стабильно развивающийся ARM, который также, как и SPARC, свободен для лицензирования. И если последний прекратил свое развитие аж в 1993 году на девятой версии, то ARM развивается дальше. К счастью, в МЦСТ достаточно быстро поняли тупиковость этого пути, и уже в 2005 году представили первый процессор на собственной архитектуре «Эльбрус», и эта архитектура продолжает развиваться. Но все еще 5 лет были потеряны, что для процессоров достаточно серьезный срок.
Поговорим о «Эльбрусе» подробнее. Эта архитектура основана на все той же VLIW и разработках Эльбрус-3 90ых годов. Основное отличие от привычных нам RISC (это ARM и SPARC) и CISC (x86) заключается в принципах анализа зависимостей и порядка выполнения поступающего потока инструкций: в традиционных архитектурах именно процессор находит независимые операции и запускает их параллельно на разных ядрах, и этот динамический анализ зависимостей и поддержка внеочередного выполнения команд приводит к тому, что современные процессоры могут выполнять 4-6 команд за такт. В архитектуре «Эльбрус» основную работу по анализу зависимостей и оптимизации порядка операций берет на себя компилятор. Процессору на вход поступают т.н. «широкие команды», в каждой из которых закодированы инструкции для всех исполнительных устройств процессора, которые должны быть запущены на данном такте. От процессора не требуется анализировать зависимости между операндами или переставлять операции между широкими командами: все это делает компилятор, исходя из анализа исходного кода и планирования ресурсов процессора. В результате аппаратура процессора может быть проще и экономичнее, а процессоры способны выполнять до 23 (и даже 33 в некоторых случаях) команд за такт!
В итоге архитектура «Эльбрус» успешно исправляет основную проблему современных вычислительных систем - распараллеливание задачи на большое число потоков: если у Intel или AMD с этим проблемы (самый банальный пример - в играх 4ядерные i7 оказываются на уровне или даже лучше 8ядерных Ryzen), то МЦСТ это проблему преодолели.
Производительность Эльбрус
Еще одной важной особенностью Эльбрусов является то, что они в режиме динамичной двоичной трансляции способны «крутить» х86-код - то есть на них можно запускать Windows и полноценные программы для нее. Динамическая двоичная трансляция позволяет «на лету» преобразовывать двоичные коды х86 инструкций в машинные коды «Эльбруса», то есть по сути запускается виртуальная машина с полноценным BIOS, и уже на ней запускается х86-код.
В итоге оценить производительность мы можем сразу по двум параметрам: во-первых, в GFLOPS - это чисто математическая производительность, которая позволяет приблизительно оценить возможности процессоров на любых архитектурах. Эльбрус 4С, который сейчас является самым производительным из тех, что можно купить, имеет 4 ядра с частотой в 800 МГц, построен на 65 нм техпроцессе, имеет 8 МБ кэша L2 и производительность с двойной точностью на уровне 25 Гфлопс. Для оценки - Intel Core 2 Quad Q6600, 4ядерный мощный процессор, выпущенный в конце нулевых, имеет производительность в 35 Гфлопс. i7-4770, предтоповый процессор 2013-2014 года, имеет производительность уже 250 Гфлопс. Правда, они оба имеют тепловыделение в 65 Вт против 45 у Эльбруса, но разница в производительности гораздо существенней.
Второй способ оценки производительности - это запуск Windows, что и было сделано: на Эльбрус-4С запустили Windows 7 и игру GTA: Vice City (которой уже больше 10 лет):
Самый интересный момент происходит на 10:07 - на экране видно, что эмулируется процессор Pentium 4 с частотой в 800 МГц, а объем доступной ОЗУ - 2.5 ГБ:
Что нам это говорит? То, что каждое ядро по своим возможностям сравнимо с Pentium 4, то есть поддерживает все те же инструкции, что и процессор почти 15-летней давности - никаких AVX, только MMX и старые версии SSE (правда, тут 4 ядра, но и случай не тот, где количество превращается в качество). Поэтому нормально будет работать софт лишь до середины нулевых - все, что новее, уже требует как минимум SSE 4, а вообще говоря уже и AVX. И второе - виртуальная машина требует 1 ГБ ОЗУ (так как всего из 4 ГБ на х86-системе доступно должно быть 3.5, а тут - 2.5), что достаточно мало. В общем и целом все это здорово, но все же хуже разработок конкурентов: так, Windows 10 была запущена и нормально работала на ARM-процессоре, причем запускали там не игрушку 15-летней давности, а достаточно тяжелый Photoshop.
Причем небольшая производительность даже не основная проблема: для Эльбруса создана ОС на основе Linux, и там производительность более чем хорошая - проблем с запуском офисных программ и браузеров нет, а большинству пользователей (и офисных работников) большего и не нужно. Основная проблема в стоимости - так как производство небольшое, то стоимость каждого чипа оказывается заоблачной, а полностью готовый ПК стоит больше 100 тысяч рублей: за такие деньги сейчас можно собрать или хороший игровой ПК, или среднестатистическую рабочую станцию. МЦСТ же предлагает за ту же сумму по сути обычный офисный ПК, цена которого не превышает 15 тысяч рублей даже при покупке РСТ-комплектующих. Поэтому единственный очевидный сценарий использования - в госпредприятиях, где цена не имеет значения. Обычным же людям пока приходится пользоваться «басурманской» техникой, но кто знает - может быть, лет через 10, Эльбрусы станут конкурентоспособными.
Ранее уже началось производство первой серии серверов «Эльбрус 4.4», которые были разработаны организацией МЦСТ с участием процессоров «Эльбрус-4С». Теперь же производитель расширил свой ассортимент первым персональным компьютером - Эльбрус-401.
В продаже первый российский компьютер Эльбрус-401 появится уже летом. Стоить он будет, по словам помощника гендиректора по маркетингу МЦСТ Константина Трушкина, 400 тыс. рублей. Предназначен этот компьютер по цене автомобиля для тех покупателей, у кого имеются «перспективные проекты».
К. Трушкин объясняет ценник следующим образом: «
Сейчас мы производим одну из первых опытных партий. Она, к сожалению, получается достаточно дорогой, но мы видим спрос, большой интерес даже на этих условиях. Мы пока не видим возможности, скажем так, и, может быть, даже не видим большого смысла для, таких, рядовых покупателей, для частных лиц, для энтузиастов обращаться к нам с просьбой продать эту машину просто потому, что она достаточно дорогая
».
То, что компьютер с отечественным процессором появился именно сейчас, имеет неплохую перспективу в будущем. По мнению представителей МЦСТ, в скором времени подобные устройства значительно подешевеют. К 2020 году планируется сделать компьютеры более массовым, что отлично совпадает с планами Минпромторга по импортозамещению, касающихся не только программного обеспечения, но и электроники.
Работает процессор Эльбрус-4С на тактовой частоте 800 МГц, оперативная память - 24 Гб, при чем ее можно увеличить до 96 ГБ. Жесткий диск имеет объем 1ТБ, mSATA - 128ГБ. Материнская плата также имеет набор периферийных интерфейсов. Видеокарта здесь не отечественного производства - штатная AMD Radeon 6000. Операционная система собственная - ОС Эльбрус, построенная на основе Linux. Некоторые приложения имеют открытый исходный код. Также есть возможность установки других операционных систем - Windows XP и вариации Linux. Сейчас идет прием заявок на приобретение компьютера, но только от юридических лиц.
Характеристики :
- 24 ГБ (3x 8 ГБ) оперативной памяти DDR3-1600;
- жесткий диск SATA 3 Гбит/с объемом 1 ТБ;
- mSATA SSD объемом 128 ГБ;
- интегрированное видеоядро Silicon Motion SM718 16 МБ (2D, 1920x1080);
- дискретная видеокарта Radeon серии HD 6000;
- пишущий DVD-привод;
- 450 Вт блок питания;
- корпус форм-фактора Mini-Tower.
четырехъядерный микропроцессор Эльбрус-4С (800 МГц, 2 МБ кэша) с производительностью до 50 Гфлопс;
Мнение Байон
Компьютер построен на различной с компьютерами Intel архитектуре и предназначен в большей степени для решения узкоспециализированных задач. Поэтому предлагаем не смущаться невысоким на первый взгляд показателем частоты процессора - 800МГц. Недостающие характеристики российского процессора с успехом компенсируются преимуществами в архитектуре отечественного устройства.
Всем нам знакомы процессоры Intel Pentium. Существует мнение, что свое название он получил в честь российского ученого Владимира Мстиславовича Пентковского, который руководил разработкой архитектуры процессора Pentium III, а ранее работал в МЦСТ и разрабатывал советский суперкомпьютер Эльбрус.
Все привыкли к тому, что на рынке микропроцессоров балом правят три крупных американских производителя: Intel, AMD и IBM. Это действительно так! Однако это не означает, что микропроцессоры больше никто не производит. Как правило, в большинстве развитых стран есть собственные «государственные» производители интегральных схем. Не стоит думать, что они пытаются каким-то образом составить конкуренцию «большой тройке» - вовсе нет. Причина локальной разработки и производства процессоров кроется несколько в другом, а именно в необходимости выпуска собственных решений для оборонной отрасли, где использование иностранной электронной базы запрещается из соображений национальной безопасности.
Само собой, ситуация характерна и для России. Главным отечественным решением являются процессоры на базе архитектуры «Эльбрус», разработкой которых занимается компания МЦСТ. В конце апреля был анонсирован скорый выход четырехъядерной модели «Эльбрус-4С», о которой и пойдет речь в сегодняшнем материале.
Однако для начала мы вернемся в прошлое и взглянем, как зарождалась архитектура «Эльбрус».
Процессор «Эльбрус» производства МЦСТ
История
Трудиться над архитектурой «Эльбрус» начали более 40 лет назад, а именно в 1973 году. Работы велись в стенах «Института точной механики и вычислительной техники имени Лебедева» (ИТМиВТ) под руководством академика Всеволода Сергеевича Бурцева - известного ученого в области систем управления и конструирования универсальных ЭВМ. Конечно же, «заказ» на подобного рода компьютерную технику поступил от военных.
Всеволод Бурцев - человек, стоящий у истоков архитектуры «Эльбрус»
Выпуск первого поколения компьютеров с архитектурой «Эльбрус» состоялся в 1980 году. Их особенностью являлась масштабируемая архитектура: они поддерживали параллельную работу до 10 процессоров одновременно. Объем оперативной памяти составлял 64 Мбайт (или 2 20 машинных слов), а быстродействие такого компьютера достигало отметки в 12 миллионов операций в секунду.
Компьютер «Эльбрус»
Однако главной инновацией «Эльбруса» была его суперскалярная архитектура - в компьютерах она применялась впервые. Как выяснилось позднее, на то время компания IBM уже имела некоторые разработки в этой области, однако довести суперскалярную архитектуру до массовых решений по разным причинам они так и не смогли. Поэтому американские производители начали использовать суперскалярную архитектуру лишь в 1990-х годах. Первыми массовыми устройствами с такой архитектурой стали процессоры Intel Pentium.
Процессор Pentium стал первой разработкой Intel, использующей суперскалярную архитектуру
Спустя пять лет после выхода первого поколения процессоров завершилась разработка компьютера «Эльбрус-2». Архитектурно он несильно отличались от «Эльбрус-1», однако в них применялась другая элементная база, что позволило поднять производительность новых процессоров более чем в 10 раз - до 125 млн операций в секунду. Также был увеличен объем оперативной памяти компьютера: с 64 Мбайт до 144 Мбайт, а пропускная способность каналов ввода/вывода составила 120 Мбайт/с.
«Эльбрус-2», как и его предшественник, был предназначен для использования в оборонной отрасли. В итоге компьютер эксплуатировался в Центре управления космическими полетами, а также в ядерных исследовательских центрах в Арзамасе-16 и Челябинске-70. Помимо этого, существовала и другая версия «Эльбрус-2», оптимизированная под более простые задачи. Она носила название «Эльбрус 1-КБ» и пришла на смену устаревающей системе БЭСМ-6, которая к тому времени использовалась уже на протяжении двух десятков лет. Разработчики сохранили программную совместимость между «Эльбрус 1-КБ» и БЭСМ-6, поэтому переход на новые компьютеры оказался вполне безболезненным.
Компьютер «Эльбрус-2»
После успешного выпуска «Эльбрус-2» полным ходом шла разработка нового компьютера, который ожидаемо получил название «Эльбрус-3». В третьем поколение устройств планировалось огромное количество архитектурных изменений. Разработчики из ИТМиВТ именовали новую архитектуру «постсуперскалярной». Данный принцип лежал в основе архитектуры будущих процессоров Intel Itanium. Поэтому, как бы это странно ни звучало, но отечественные инженеры вновь в плане внедрения инноваций опережали своих западных коллег.
Однако дальше проектирования дело не дошло. В 1994 году был создан тестовый образец процессора «Эльбрус-3», но серийное производство так и не было налажено по достаточно глупой причине: устройство оказалось совсем не востребованным. Спустя 6 лет уже инженеры компании МЦСТ пытались воплотить в жизнь идеи «Эльбрус-3» в новом процессоре «Эльбрус-2000» (также известного как Е2К), который теоретически мог стать конкурентом анонсированному процессору Intel Itanium. Однако массовое производство «Эльбруса-2000» требовали значительных финансовых вливаний, а найти инвестора разработчикам так и не удалось.
Создание МЦСТ и ее разработки
Стоит сделать небольшое отступление и сказать пару слов о МЦСТ, которая со времен «Эльбрус-3» и занимается разработкой подобных решений. Компания была основана 2 марта 1992 года как Товарищество с ограниченной ответственностью (ТОО) «Московский центр SPARC-технологий» (МЦSТ). Наличие аббревиатуры SPARC в названии связано с тем, что на тот момент компания МЦСТ рассматривала в качестве основного партнера американскую корпорацию Sun Microsystems, которая продвигала свои вычислительные машины с архитектурой SPARC. И наличие этой аббревиатуры в названии предоставляло ей существенные льготы при сотрудничестве. Например, МЦСТ получила доступ к передовым технологиям проектирования микропроцессорной техники, операционным системам, системам программирования и другим технологиям. На период развития компании это было очень существенной поддержкой. И если поначалу компания работала в тесном сотрудничестве с такими гигантами, как Sun Microsystems, Avanti, Compass, Synopsys, то вскоре инженеры МЦСТ, набравшись опыта, полностью переключились на разработку устройств по государственным заказам.
Система со SPARC-процессором МЦСТ R500
Вплоть до 2007 года МЦСТ выпускала лишь микропроцессоры с архитектурой SPARC и вычислительные системы на их базе. Собственная архитектура «Эльбрус» отошла на второй план. В период с 1997 по 2007 годы были выпущены четыре SPARC-микропроцессора: МЦСТ-R100, МЦСТ-R150, МЦСТ-R500 и МЦСТ-R500S. Также увидел свет и вычислительный комплекс «Эльбрус-90микро». Несмотря на свое название, к данной архитектуре система не имела никакого отношения.
Лишь в 2005 году возобновилась работа над архитектурой «Эльбрус», основанной на микроархитектуре VLIW (Very Long Instruction Word). А уже в 2007 году был представлен одноименный процессор. Его основные характеристики мы собрали в таблицу, которую вы можете увидеть снизу.
| Технологический процесс | 0,13 мкм |
| Рабочая тактовая частота | 300 МГц |
| Пиковая производительность | 64 разряда, GIPS/GFLOPS - 6,67/2,4 32 разряда, GIPS/GFLOPS - 9,5/4,8 16-8 GIPS - 12,2–22,6 |
| 64 Кбайт | |
| 64 Кбайт | |
| Кэш-память 2-го уровня | 256 Кбайт |
| 9,6 Гбайт/с | |
| 4,8 Гбайт/с | |
| Размеры кристалла | 15,0х12,6 |
| Количество транзисторов | 75,8 млн |
| Рассеиваемая мощность | 6 Вт |
Конечно, для 2007 года характеристики чипа были более чем скромные - он ни в коем случае не составлял конкуренции современным процессорам, например, поколению Intel Conroe, представленному в 2006 году. «Эльбрус» уступал им по всем параметрам. Процессор выпускался по устаревшим 130-нм технологическим нормам, тогда как Intel и AMD уже освоили 65-нм техпроцесс. Как ни странно, но производство процессора было доверено тайваньской компании TSMC. Странно потому, что «камень» предназначался для использования в «оборонке», а производство на сторонних мощностях, таким образом, напрямую влияло на безопасность системы из-за возможных «закладок».
Процессор «Эльбрус»
Что касается скорости работы «Эльбруса», то его пиковая производительность в 64-разрядном режиме составляла 2,4 ГФЛОПС. Для сравнения: пиковая производительность бюджетного двухъядерного процессора Intel Core 2 Duo E4300 с актуальной на то время архитектурой Conroe и тактовой частотой 1,8 ГГц составляла 14,4 ГФЛОПС, то есть в 6 раз больше! Поэтому вы можете представить, насколько медленным был «Эльбрус» для 2007 года. Тем не менее, для оборонной отрасли производительности процессора было вполне достаточно, поэтому на его основе была создана вычислительная система «Эльбрус-3М1».
Вычислительный комплекс «Эльбрус-3М1»
Комплекс «Эльбрус-3М1» поставлялся с защищенной операционной системой МСВС-Э (Мобильная система Вооруженных Сил), в основе которой лежит Linux версии 2.6.14. Кроме этого компьютер оснащался пакетом тестовых и диагностических программ, а также был обратно совместим со старыми вычислительными комплексами «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». По уровню производительности «Эльбрус-3М1» был сопоставим с системой на базе Pentium III с тактовой частотой 500 МГц. Было проведено сравнительное тестирование в режиме совместимости с платформой x86, и «Эльбрус-3М1» превзошел в скорости процессор Intel. Помимо этого, проводилось тестирование и в «родной» платформе для системы МЦСТ. В таком режиме производительность «Эльбрус-3М1» находилась на уровне с конфигурацией на базе процессора Intel Pentium 4 с частотой 2000 МГц. Для оборонной отрасли такого уровня производительности было более чем достаточно.
Следующим этапом развития архитектуры стала система на кристалле «Эльбрус-S», выпущенная в 2010 году. Для удобства сравнения мы свели все основные характеристики процессора в следующую таблицу.
| Технологический процесс | 0,09 мкм |
| Рабочая тактовая частота | 500 МГц |
| Пиковая производительность | 64 разряда, GFLOPS - 4 32 разряда, GFLOPS - 8 |
| Кэш-память команд 1-го уровня | 64 Кбайт |
| Кэш-память данных 1-го уровня | 64 Кбайт |
| Кэш-память 2-го уровня | 2 Мбайт |
| Пропускная способность шин связи с кэш памятью | 16 Гбайт/с |
| Пропускная способность шин связи с оперативной памятью | 8 Гбайт/с |
| Площадь кристалла | 142 мм2 |
| Количество транзисторов | 218 млн |
| Рассеиваемая мощность | 13 Вт - типовая, 20 Вт - максимальная |
Характеристики нового процессора были улучшены в сравнении с «Эльбрусом». Прежде всего стоит отметить, что производство «Эльбрус-S» было переведено на 90-нм технологические «рельсы». Пускай в 2010 году Intel и AMD уже производили процессоры по тонкому 32-нм техпроцессу, но для отечественного устройства этот переход стал значительным шагом вперед. Тактовая частота «Эльбрус-S» составляла 500 МГц, что на 200 МГц выше, чем у «Эльбруса». Выросла и пиковая производительность: до 4 и 8 ГФЛОПС в 64-разрядном и 32-разрядном режимах соответственно. Увеличился и объем кэш-памяти второго уровня - до 2 Мбайт. Да и сам чип стал сложнее: количество транзисторов в сравнении с предшественником выросло почти в три раза.
Процессор «Эльбрус-S»
В придачу к «Эльбрус-S» МЦСТ представила контроллер периферийных устройств (КПИ) - он же «южный мост». Хаб обеспечил поддержку как «гражданских» интерфейсов, так и промышленных. Благодаря КПИ стало возможным созданием специального четырехпроцессорного рабочего модуля МВ3S/C, который используется в военной технике.
| Технологический процесс, нм | 130 |
| Тактовая частота, МГц | 250 |
| Последовательная шина связи с процессором, пропускная способность, Гбайт/с | 2 |
| Контроллер PCI-Express версии 1.0a | 8 линий |
| Контроллер PCI версии 2.3 | 32/64 бита, частота 33/66 МГц |
| Контроллер Ethernet 1 Гбит/с | 1 порт |
| Контроллер SATA 2.0 | 4 порта |
| Контроллер IDE | PATA-100, 2 порта по 2 устройства |
| Контроллер USB 2.0 | 2 порта |
| Контроллер звукового интерфейса AC-97 | 2-канальное стерео |
| Контроллер последовательного интерфейса RS-232/485 | 2 порта |
| Контроллер параллельного интерфейса IEEE-1284 с поддержкой DMA | 1 порт |
| Контроллер программируемых универсальных входов-выходов GPIO | 16 сигналов |
| Интерфейс I2C | 4 канала |
| Число транзисторов, млн | 30 |
| Потребляемая мощность, Вт | 6 |
Спустя год было налажено производство следующего поколения процессоров под названием «Эльбрус-2С+». В своих пресс-релизах компания МЦСТ указывала шестиядерную архитектуру. Однако это совсем не так! «Эльбрус-2С+», по сути, является двухъядерной моделью. Он обладает двумя модулями архитектуры «Эльбрус», но также имеет и четыре ядра цифровых сигнальных процессоров (DSP) фирмы «Элвис». Помимо этого, кристалл претерпел множество изменений. Так, объем кэш-памяти второго уровня каждого из ядер составляет 1 Мбайт. Была добавлена поддержка памяти DDR2 с эффективной частотой 800 МГц, а также дополнительный канал ввода/вывода, посредством которого можно подключить еще один КПИ.
Двухъядерный процессор «Эльбрус-2С+»
Для процессора была реализована версия компилятора языка C, которая позволяет генерировать код для ядер DSP и обеспечивать эффективное взаимодействие основной программы, исполняющейся на ядрах CPU, а также процедур, исполняющихся на DSP. Забегая чуть вперед, скажем, что программировать под ядра DSP было сравнительно трудно, поэтому в следующем поколении процессоров инженеры МЦСТ от них отказались вовсе. В результате внесенных изменений производительность процессоров значительно возросла и уже составляла 28 ГФЛОПС в 32-разрядном режиме. Если сравнивать быстродействие «Эльбрус-2С+» с процессорами Intel, то отечественная разработка окажется чуть выше по скорости, чем решения Intel Core 2 Duo.
| Технологический процесс | 0,09 мкм |
| Рабочая тактовая частота | 500 МГц |
| Число ядер архитектуры Эльбрус Число ядер DSP (Elcore-09) | 2 4 |
| Пиковая производительность (ядра CPU + ядра DSP) | 64 разряда, GFLOPS – 8+0 32 разряда, GFLOPS – 16+12 |
| Кэш-память команд 1-го уровня | 64 Кбайт |
| Кэш-память данных 1-го уровня | 64 Кбайт |
| Кэш-память 2-го уровня | 1 Мбайт |
| Встроенная память DSP (на ядро DSP) | 128 Кбайт |
| Пропускная способность шин связи с кэш памятью | 16 Гбайт/с |
| Пропускная способность шин связи с оперативной памятью | 12,8 Гбайт/с |
| Площадь кристалла | 289 мм2 |
| Количество транзисторов | 368 млн |
| Рассеиваемая мощность | 25 Вт |
Производительность процессора можно примерно оценить по следующим диаграммам.
Результаты тестирования в пакете SPEC2000 FP
Результаты тестирования в пакете SPEC2000 Int
Помимо «Эльбрус-2С+», в тестировании участвовали процессоры Intel Pentium-M ULV (1 ГГц, кэш-память 1 Мбайт, 2х DDR-266) и Intel Atom D510 (1,66 ГГц, кэш-память 1 Мбайт, DDR2-800), а также еще один процессор компании МЦСТ - R1000. В качестве тестового программного обеспечения был выбран пакет SPEC2000. Как видно из диаграмм, в режиме FP производительность «Эльбрус-2С+» находится на заметно более высоком уровне, нежели у конкурентов. В режиме Int ситуация выравнивается, и зачастую производительность всех процессоров находится на одном уровне, хотя местами отечественные решения откровенно «проседают».
Процессоры «Эльбрус-2С+» предполагалось использовать в системах цифровой интеллектуальной обработки сигнала, таких как радары и анализаторы изображений. Однако в то же время новые чипы были более приспособлены для гражданских задач. Например, компания Kraftway даже выпустила тестовую партию моноблочных компьютеров на базе кристаллов «Эльбрус-2С+», однако дальше этого дело не пошло.
И вот в апреле 2014 года компания МЦСТ представила свою следующую разработку - четырехъядерные процессоры «Эльбрус-4С».
Архитектура процессоров «Эльбрус-4С»
Прежде чем мы начнем подробное изучение архитектуры новых процессоров «Эльбрус-4С», необходимо уделить немного внимания современной архитектуре в целом. Как вам известно, все интегральные решения можно разделить на две большие группы: CISC (Complex Instruction Set Computer) и RISC (Reduced Instruction Set Computer). Уже из названий становится понятно, что CISC-процессоры работают со сложными инструкциями, а RISC - с упрощенными. Сложность инструкций для первой категории заключается в том, что их длина не ограничена. Вдобавок к этому они могут содержать сразу несколько арифметических действий. До начала 1980-х абсолютно все процессоры имели CISC-архитектуру, однако тогдашние исследования компании IBM показали, что сложные инструкции далеко не всегда обрабатываются быстрее, чем последовательность элементарных операций, соответствующая такой сложной инструкции. Так появилась архитектура RISC, предусматривающая использование упрощенных команд.
Примером CISC-архитектуры могут считаться все x86-совместимые процессоры, однако это не совсем так. Работа таких решений базируется на ядре типа RISC. Каждый x86-процессор имеет специальный блок декодирования инструкций, который преобразует CISC-команды в RISC-инструкции.
При этом процессоры x86 являются суперскалярными. Это означает, что за один такт процессор может обрабатывать сразу несколько инструкций. В далеком прошлом процессоры не обладали суперскалярностью и исполняли за такт лишь одну операцию. Тогда это не создавало проблем. Но со временем от CPU требовалась всё более высокая производительность, да и технологические возможности позволяли создавать более сложные системы. Поэтому суперскалярность стала неотъемлемой частью процессорных архитектур. Главной проблемой суперскалярности считается то, что нельзя так просто исполнять несколько операций параллельно, поскольку между ними могут существовать зависимости. Для наглядности тут можно провести параллель с программированием: нельзя запустить на исполнение сразу две функции, если одна из них использует результирующее значение другой. Поэтому в суперскалярных процессорах есть специальная аппаратура, которая анализирует зависимости между операциями и принимает решение об очередности их исполнения.
Принцип работы архитектуры «Эльбрус»
Что касается процессоров «Эльбрус», то они базируются на архитектуре VLIW. По большому счету VLIW является развитием RISC-архитектуры и суперскалярности. Особенностью VLIW является то, что в каждой команде может содержаться до 23 элементарных операций, которые должны исполняться параллельно. При этом задача распараллеливания возлагается на компилятор, в отличие от традиционных суперскалярных архитектур, где за распараллеливание отвечают аппаратные блоки процессора. Эффективность такого метода действительно выше. Компилятор способен анализировать исходный код гораздо тщательнее, чем аппаратура RISC/CISC-процессора, и находить больше независимых операций. Поэтому в архитектуре «Эльбрус» больше параллельно работающих исполнительных устройств, чем в традиционных решениях. На многих алгоритмах она демонстрирует более высокую скорость. Кроме этого, не будем забывать, что в случае использования компилятора для распараллеливания операций отпадает надобность в специальных аппаратных блоках процессора, а это делает устройство кристалла более простым и надежным.
Принцип работы процессора «Эльбрус»
Среди других особенностей архитектуры «Эльбрус» инженеры МЦСТ выделяют следующие:
- 6 каналов арифметико-логических устройств (АЛУ), работающих параллельно;
- регистровый файл из 256 84-разрядных регистров;
- аппаратная поддержка циклов, в том числе с конвейеризацией. Повышает эффективность использования ресурсов процессора;
- программируемое асинхронное устройство предварительной подкачки данных с отдельными каналами считывания. Позволяет скрыть задержки от доступа к памяти и полнее использовать АЛУ;
- поддержка спекулятивных вычислений и однобитовых предикатов. Позволяет уменьшить число переходов и параллельно исполнять несколько ветвей программы;
- широкая команда, способная при максимальном заполнении задать в одном такте до 23 операций (более 33 операций при упаковке операндов в векторные команды).
Конечно, не забыли разработчики и о режиме x86-совместимости. Для этого в архитектуре была реализована система динамической трансляции двоичных кодов x86 в коды процессора «Эльбрус». Если говорить простым языком, то система трансляции создает виртуальную машину, в которой работает гостевая операционная система для этой разрядности. По словам разработчиков, на платформе «Эльбрус» в режиме эмуляции платформы x86 удалось запустить более 20 операционных систем (в том числе несколько версий Windows) и сотни приложений.
Разработчики МЦСТ в целях повышения безопасности пошли иным путем. Процессоры «Эльбрус-4С» поддерживают так называемое защищенное исполнение программ. Его суть заключается в том, чтобы гарантировать работу приложения только с инициализированными данными, проверять все обращения в память на принадлежность к допустимому диапазону адресов, обеспечивать межмодульную защиту (например, защищать вызывающее ПО от ошибки в библиотеке). Эти проверки осуществляются аппаратно.
Тут же стоит отметить и другую интересную функцию безопасности новых процессоров. В кристаллах «Эльбрус-4С» стек связующей информации (цепочка адресов возврата при процедурных вызовах) отделен от стека пользовательских данных и недоступен для таких вирусных атак, как подмена адреса возврата. При этом разработчики подчеркивают, что на сегодняшний день вирусов для платформы «Эльбрус» попросту не существует.
Технические характеристики «Эльбрус-4С»
В сравнении со своим предшественником процессор «Эльбрус-4С» сделал значительный шаг вперед. Помимо увеличения количества ядер до четырех, он получил множество других улучшений.
| Технологический процесс | 65 нм |
| Рабочая тактовая частота | 800 МГц |
| Число ядер архитектуры Эльбрус | 4 |
| Пиковая производительность | 64 разряда, GFLOPS – 25 32 разряда, GFLOPS – 50 |
| Кэш-память команд 1-го уровня | 128 Кбайт |
| Кэш-память данных 1-го уровня | 64 Кбайт |
| Кэш-память 2-го уровня | 8 Мбайт |
| Организация оперативной памяти | До 3 каналов DDR3-1600 ECC |
| Пропускная способность каналов оперативной памяти | 38,4 Гбайт/с |
| Каналы межпроцессорного обмена | 3, дуплексные |
| Пропускная способность каждого канала межпроцессорного обмена | 12 Гбайт/с |
| Площадь кристалла | 380 мм2 |
| Количество транзисторов | 986 млн |
| Рассеиваемая мощность | До 60 Вт |
Прежде всего нужно отметить, что производство процессора было переведено на 65-нм техпроцесс. Тактовая частота CPU возросла до 800 МГц. Удвоился объем кэш-памяти команд первого уровня, теперь он составляет 128 Кбайт. А объем кэш-памяти второго уровня составляет 8 Мбайт (против 1 Мбайт у «Эльбрус-2С+»). Также значительно выросла пропускная способность каналов оперативной памяти. Эти изменения позволили добиться внушительной прибавки производительности новых процессоров. Так, в 64-разрядном режиме пиковая производительность составляет 25 ГФЛОПС, что более чем в три раза выше, чем показатель «Эльбрус-2С+». В 32-разрядном режиме производительность достигла отметки 50 ГФЛОПС. Вместе с тем возросла и сложность кристалла. «Эльбрус-4С» содержит 986 млн транзисторов, а его полезная площадь составляет 380 мм 2 .
Ближайшее будущее процессоров «Эльбрус»
Компания МЦСТ ни в коем случае не планирует снижать темпы разработки и выпуска новых решений. На 2015 год уже запланирован анонс восьмиядерного 28-нм процессора «Эльбрус-8С». Кристалл оснастят 4 Мбайт кэш-памяти второго уровня и 16 Мбайт кэш-памяти третьего уровня, а его тактовая частота составит 1300 МГц. При этом пиковая производительность достигнет отметки 250 ГФЛОПС. Планируется, что «Эльбрус-8С» будет работать в связке с контроллером периферийных устройств второго поколения (КПИ-2), который будет отличаться увеличенной до 16 Гбайт/с пропускной способностью.
Однако 8-ядерный чип является не единственным находящимся в разработке процессором МЦСТ. Компания также «допиливает» экономичный «одноголовый» чип «Эльбрус-1С+», предназначенный для использования в ноутбуках, терминалах и промышленной автоматике. Его отличительной особенностью является наличие встроенного видеоядра с поддержкой аппаратного ускорения 3D-видео. Процессор будет выпускаться в соответствии с 40-нм технологическими нормами. Производительность ядра составит около 24 ГФЛОПС, а встроенного видео - около 28 ГФЛОПС. «Эльбрус-1С+» также будет совместим с новым «южным мостом» КПИ-2, а его энергопотребление составит не более 10 Вт. Выпуск этого процессора также запланирован на 2015 год.
Заключение
Подробное изучение архитектуры процессора «Эльбрус-4С» оставило после себя двоякое впечатление. С одной стороны, не будем лукавить, по многим параметрам она является устаревшей и значительно отстает от продукции AMD и Intel. С другой стороны, отечественная электроника уже давно находится в периоде застоя, поэтому было бы глупо ожидать, что в такой ситуации процессоры МЦСТ смогут составить хоть какую-то конкуренцию западным разработкам. И здесь главное понимать, что предпринимаются реальные попытки возродить отечественную индустрию электроники. В такой ситуации выпуск «Эльбрус-4С» - очень большой шаг вперед. Тем более, что в архитектуре реализовано несколько очень интересных технологий, а со своими задачами в оборонной отрасли он справляется более чем уверенно.
У компании МЦСТ большие планы на будущее. Это и выпуск процессоров «Эльбрус-8С», и «Эльбрус-1С+». Так что следующий год во многом покажет, насколько конкурентоспособной окажется российская отрасль микроэлектроники.
Восьмиядерный процессор «Эльбрус-8С», выпускаемый по технологическому процессу 28 нм, был представлен на четвёртой конференции «ИТ на службе оборонно-промышленного комплекса». Крупнейшее специализированное мероприятие, объединяющее разработчиков и ИТ-специалистов ВПК, началось вчера в г. Иннополис (Республика Татарстан) и продлится до 29 мая.
О завершающем этапе работ по созданию отечественного микропроцессора на новом для России техпроцессе объявил Александр Якунин – генеральный директор «Объединенной приборостроительной корпорации», входящей в «Ростех».
«Прорывной результат достигнут в рамках проекта «Байкал», который мы ведем совместно с компанией «Т-Платформы», – пояснил Александр Якунин. – Только что выпущен первый инженерный образец процессора «Байкал-Т» с революционным для России техпроцессом 28 нм.
Следующей российской разработкой будет новое поколение процессоров «Эльбрус» на таком же техпроцессе. Его создание вышло на завершающую стадию, очередной инженерный выпуск сейчас проходит тестирование».
Разработку «Эльбрус-8С» ведёт Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ) имени И. С. Брука при участии компании МЦСТ. Его характеристики выглядят так:
- площадь кристалла 350 кв. мм;
- восемь идентичных процессорных ядер без гипертрединга;
- кэш второго уровня 512 KB на ядро;
- кэш третьего уровня – общий, 16 МБ;
- собственная архитектура «Эльбрус», разработанная в ЗАО «МЦСТ»;
- система команд с векторными ускорителями и инструкциями для ускорения математических расчётов, шифрования и обработки сигналов. Они не выделяются в отдельные расширения, а предусмотрены изначально;
- система оптимизирующей двоичной трансляции кода обеспечивает совместимость с архитектурами x86 / x86-64 при лицензионной независимости от Intel и достижении производительности на уровне 80% от нативной;
- возможность прямого исполнения команд без двоичной трансляции в двадцати дистрибутивах ОС и свыше тысячи популярных приложений (список быстро пополняется);
- встроенные механизмы защиты от запуска вредоносного кода: структурированная память с доступом к объектам через дескрипторы и контекстной защитой по языковым областям видимости; определение нарушения границ объекта (переполнения буфера), использования неинициализированных данных и опасных отклонений от стандартов программирования.
- поддержка четырёх слотов памяти стандарта PC3‑12800 (DIMM DDR3-1600);
- исполнение 30 операций за такт;
- тактовая частота 1.3 ГГц – планируемый частотный потолок, при котором возможна стопроцентная загрузка всех восьми ядер неограниченно долгое время в стандартных условиях. Для работы в неблагоприятных (и особенно – полевых) условиях эксплуатации для защиты от перегрева будет реализована схема автоматического снижения частоты (аналог throttling) и (временное) программное отключение отдельных ядер средствами операционной системы;
- пиковая производительность 250 Гфлопс на вычислениях с плавающей запятой одинарной точности (FP32) при полной загрузке всех блоков FPU;
- рассеиваемая мощность на уровне 60 – 90 Вт (расчётные показатели);
- процессор распаивается прямо на плате, что позволяет снизить затраты на корпусировку чипов и их отбраковку.
Работать «Эльбрус-8С» будет в паре с контроллером периферийных интерфейсов отечественной разработки – КПИ-2.
В этой микросхеме, пока выпускаемой по технологическому процессу 65 нм, реализована поддержка 20 линий шины PCI-Express 2.0 (8+8+4), трёх гигабитных сетевых контроллеров Ethernet, восьми портов SATA v.3.0 и восьми портов USB 2.0. Скорость обмена данными с процессором у КПИ-2 составляет 16 Гбайт/с.
Помимо поддержки основных интерфейсов она содержит встроенный контроллер SPMC, обеспечивающий энергосберегающие функции, а также контроллер прерываний.
Аппаратная часть взаимодействует с операционной системой через собственный микрокод BIOS. Возможна работа с дистрибутивами Linux, FreeBSD, QNX, Windows XP, но для ответственных сфер применения рекомендуется ОС «Эльбрус» на базе ядра Linux 2.6.33. Коллективом МЦСТ проделана огромная работа по созданию ОС реального времени с собственными механизмами обработки прерываний, синхронизации, управления памятью и поддержки тегированных вычислений. Всё это направлено на раскрытие потенциала архитектуры отечественного процессора и защиты от распространённых эксплоитов.
Оптимизация кода программ с учётом архитектуры «Эльбрус» достигается за счёт применения специализированных средств разработки: оптимизирующих компиляторов с языков C и C++, Фортран и Java, отладчики, средства и библиотеки для распараллеливания вычислений. Среди последних возможно использование интерфейса передачи сообщений между процессами (MPI) и открытого стандарта OpenMP.
Развитие процессоров “Эльбрус”. Уже создаются служебные программы и вспомогательные компоненты, оптимизированные для выполнения на процессорах «Эльбрус». Это утилиты, сервисы, библиотеки общего назначения, поддержка баз данных, графическая подсистема (на базе Xorg, GTK+ и Qt), средства для работы с сетью и периферийными устройствами.
Первоочередная задача – выполнить импортозамещение на ключевых объектах ВПК и стратегически важных объектах российской инфраструктуры. «Компьютерра» уже о технической возможности создать троянскую закладку аппаратного уровня в процессорах Intel архитектуры Ivy Bridge, которую исключительно сложно обнаружить. Эта работа исследователей проводилась на базе университета штата Массачусетс и позиционировалась как доказательство концепции – подобные закладки можно создавать и в других процессорах.
«Применение техники с зарубежными ключевыми компонентами создает большие угрозы в критически важных для страны сферах управления и производства, – отмечает Александр Якунин. – Прежде всего, с точки зрения защиты данных и скрытых возможностей влияния на работу оборудования извне»
Государственные испытания процессора «Эльбрус-8С» назначены на конец этого года. В случае их успешного прохождения серийный выпуск начнётся уже в 2016 году. Пока речь идёт скорее о мелкосерийном производстве на уровне порядка 50 тысяч процессоров в год, но это уже огромный шаг для российской микроэлектроники.
«В конце этого – начале следующего года «Т-Платформы» должны завершить работу над новым процессором «Байкал-М», а в 2018 году мы планируем представить «Эльбрус-16С» на той же технологии 28 Нм, с частотой 1,5 ГГц и производительностью уже свыше 512 ГФлопс», – озвучивает ближайшие планы Александр Якунин. Уже известно, что следующий процессор «Эльбрус» будет исполнять 50 операций за такт. Его расчётная производительность будет выше, чем у «Эльбрус-8С» в 2,5 раза.
В статье использованы материалы ОАО “Объединенная приборостроительная корпорация”.
