Что известно о российских микропроцессорах «Эльбрус»? "ЭВМHISTORY": Эльбрус. История серии суперкомпьютеров

Эльбрус Бабаяна и Pentium Пентковского

Перспективный микропроцессор E2k (Эльбрус-2000), разрабатываемый российской компанией Эльбрус, получил широкую известность лишь недавно, после статьи Кита Дифендорффа "Русские Идут" в февральском выпуске ведущего западного издания в области микропроцессорных архитектур "Microprocessor Report".

Основные тезисы статьи:

• новый процессор должен показывать в 3-5 раз более высокую производительность, потреблять меньше электроэнергии и быть дешевле в производстве, чем Intel Merced;
• команда Эльбрус имеет достаточно хорошую репутацию и опыт, чтобы действительно выпустить такой процессор;
• компьютеры Эльбрус, реализующие основные современные архитектурные принципы, начали выпускаться задолго до того, как идеи на эту тему начали только обсуждаться на Западе;
• процессор Эльбрус-3 был изготовлен в 1991 году по очень старой, даже по тем временам, кристальной технологии, но по производительности в два раза превосходил Cray.;
• технологические новшества E2K столь же впечатляющи, как и архитектурные: E2K реализует лучшую схемотехнику, чем та, которая используется в рекордсмене последнего времени, процессоре Alpha 21264;
• КМОП технология E2K с низким энергопотреблением позволит в ближайшие 2-3 года иметь "суперкомпьютер в карманном электронном блокноте ";
• в области компиляторов команда Эльбрус не менее квалифицирована, чем в разработке архитектуры или электронном проектировании: распараллеливающий компилятор E2K в настоящее время достигает показателя 10-ти операций за такт, что почти в три раза выше, чем лучший в отрасли компилятор Alpha;
• в режиме интерпретации E2K исполняет код микропроцессоров Intel и Sun всего на 10-30% медленнее, чем свой собственный (для сравнения, пакет FX!32, исполняющий код процессоров Intel на компьютерах Alpha, замедляет исполнение в 3 раза); при этом E2K позволяет достичь 100% двоичной совместимости для любых кодов процессоров Intel для любой операционной системы, что выгодно отличает E2K от того же FX!32;
• важным свойством E2k является "непробиваемая" защита исполняемых кодов и данных от вирусов; развитие подобного направления оборвалось на Западе вместе с провалом микропроцессора Intel 432.

О том, что в России разрабатывается процессор, по своим возможностям потенциально превосходящий Merced, поведали средства массовой информации всего мира. В Internet не стихают обсуждения этой темы. Об Эльбрус E2k очень высоко отзываются многие признанные Западные специалисты по микропроцессорам. По их мнению, в российский микропроцессор заложены уникальные идеи с большим будущим.

В начале этого года Эльбрус завершил логическое проектирование процессора и все системное программное обеспечение. На точной модели E2k были получены оценки производительности. Теперь предстоит завершающий этап — перенос архитектуры на кристалл.

В этой статье кратко изложена история компьютеров семейства Эльбрус, рассказано об отечественных приоритетах на некоторые архитектурные решения, широко используемые в современных микропроцессорах. Ведь изучение истории часто позволяет яснее увидеть будущее.

Эльбрус

С именем Эльбрус связана история всей мировой вычислительной отрасли. Компания Эльбрус была образована на базе ИТМиВТ имени С.А. Лебедева (Института Точной Механики и Вычислительной Техники, коллектив которого на протяжении более 40 лет разрабатывал суперкомпьютеры для оборонных систем Советского Союза). В процессоре E2k воплощены и развиваются идеи российского суперкомпьютера Эльбрус-3, построенного в 1991г. Сегодня архитектуру Эльбрус-3 принято относить к EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing — вычисления с явным параллелизмом команд).

По словам Бориса Арташесовича Бабаяна, главного архитектора суперкомпьютеров линии Эльбрус, суперскалярная архитектура была изобретена в России: "В 1978-ом году мы сделали первую суперскалярную машину, Эльбрус-1. Сейчас на Западе делают суперскаляры только такой архитектуры. Первый суперскаляр на Западе появился в 92-ом году, наш в 78-ом. Причем тот вариант суперскаляра, который сделали мы, аналогичен Pentium Pro, который Intel сделал в 95-ом году ".

Подтверждают историческое первенство Эльбрус и в Америке. В той же статье из Microprocessor Report Кит Дифендорфф, разработчик Motorola 88110, одного из первых западных суперскалярных процессоров, пишет: "В 1978 году, почти на 15 лет раньше, чем появились первые западные суперскалярные процессоры, в Эльбрус-1 использовался процессор, с выдачей двух команд за один такт, изменением порядка исполнения команд, переименованием регистров и исполнением по предположению ".

В 1991г в Эльбрус (тогда еще ИТМиВТ) побывал г-н Розенбладт (Peter Rosenbladt) из фирмы Hewlett-Packard, и получил исчерпывающую документацию на Эльбрус-3. Позже выяснилось, что именно тогда HP начала проект, приведший к совместной с Intel разработке EPIC-процессора Merced. Его архитектура очень схожа с Эльбрус-3, а отличия в основном связаны с упрощениями сделанными в микропроцессоре от Intel.

По словам Б.А. Бабаяна, Петер Розенбладт предлагал сотрудничество с HP. Но Бабаян выбрал Sun (первая встреча с руководством Sun состоялась еще в 1989г). И в 1991г с Sun был заключен контракт. От официальных представителей Sun известно, что Эльбрус принимал участие в разработке микропроцессора UltraSPARC, оптимизирующих компиляторов, операционных систем (в том числе Solaris), инструментария Java, библиотек мультимедиа.

Первоначально проект E2k финансировался фирмой Sun. Сейчас проект полностью независим, вся интеллектуальная собственность на него принадлежит Эльбрус и защищена примерно 70-ю патентами США. Б.А. Бабаян поясняет "Если бы мы и дальше работали с Sun в этой области, то все принадлежало бы Sun. Хотя 90% работы было выполнено еще до появления Sun ".

В Sun с 1992 по 1995 Эльбрус работал вместе с известным микропроцессорным архитектором Дэйвом Дитцелом. Как рассказывает Б.А. Бабаян, "Потом Дэйв образовал собственную фирму — Transmeta и начал работать над машиной, очень похожей на нашу. Мы по-прежнему поддерживаем с Дитцелом тесные контакты. Да и он очень хочет с нами сотрудничать ". Про будущий продукт Transmeta пока известно мало. Известно, что это VLIW/EPIC микропроцессор с низким энергопотреблением, двоичная совместимость с x86 обеспечивается динамической трансляцией объектного кода.

А совсем недавно я выяснил, что разработки Эльбрус имеют непосредственное отношение и к самым распространенным сейчас универсальным микропроцессорам — семейству x86 фирмы Intel.

Пентиум

Отечественные суперкомпьютерные ноу-хау реализованы в микропроцессорах Pentium. Бывший сотрудник ИТМиВТ Владимир Пентковский в настоящее время является ведущим разработчиком микропроцессоров фирмы Intel. Вместе с Пентковским в Intel попали огромный опыт и совершенные технологии, разработанные в ИТМиВТ. По словам Кита Дифендорффа, компьютеры Эльбрус, в которых реализованы основные принципы современных архитектур, такие как SMP, суперскалярная и EPIC архитектуры, начали выпускаться задолго до того, как идеи на эту тему начали только обсуждаться на Западе.

Все системное программное обеспечение Эльбрус-1 и Эльбрус-2 было создано с использованием языка программирования высокого уровня Эль-76, а не традиционного ассемблера. Эль-76 напоминает язык Algol-68, принципиальное отличие, пожалуй, состоит в динамическом связывании типов в Эль-76, которое поддержано на аппаратном уровне. Эль-76 является одновременно языком прикладного программирования, управления заданиями, системного программирования. Ассемблер в Эльбрус не использовался — только высокоуровневое программирование. Эль-76 перед исполнением переводился в байткод на манер Java. Этот байткод "на ходу" аппаратно транслировался в простые машинные команды.

В ИТМиВТ Владимир Пентковский принимал участие в разработке суперкомпьютеров Эльбрус-1 (1978) и Эльбрус-2 (1984). В 1986 году он возглавил проект 32-разрядного микропроцессора Эль-90. К 1987 году логический дизайн будущего микропроцессора был завершен, а в 1990г произведены первые прототипы. В Эль-90 сочетались концепция RISC и архитектура Эльбрус-2.

Основные характеристики Эль-90:

• выдача до трех команд за такт
• 32-разрядная архитектура
• упрощенный набор команд (по сравнению с Эльбрус-2), большинство команд исполняются за один такт
• аппаратная поддержка языков программирования высокого уровня
• исполнение по предположению
• изменение порядка исполнения команд
• предсказание ветвлений
• переименование регистров
• раздельные кэши команд и данных по 32KB
• конвейеризованное устройство вещественной арифметики
• поддержка мультипроцессорности (до 10 процессоров)
• режим "сверхнадежных вычислений" (несколько процессоров независимо производят вычисления и сравнивают результаты, а если результаты расходятся, считают заново). Этот режим требовался, потому что используемая в Эльбрус элементная база была недостаточно надежной для некоторых военных приложений.

В 1990г Пентковский начал работу над Эль-91С, последователем Эль-90. Но после изменения в России политической и экономической системы, финансирование разработки прекратилось. На период с 1991 по 1999 год Пентковский теряется из нашего поля зрения. Вновь его имя появляется в Intel Technology Journal. Согласно приложению "биографии разработчиков" к статье, посвященной архитектуре микропроцессора Pentium III (http://developer.intel.com/technology/itj/q21999/articles/art_2who.htm#pentkovski), Владимир Пентковский является главным архитектором Pentium III.

Хочется также напомнить, что в 1993 году Intel представила свой принципиально новый 32-разрядный процессор Pentium. Вот некоторые из его характеристик:

• декодер команд Pentium заменяет команды x86 простыми RISC-подобными, которые процессор способен эффективно обрабатывать
• суперскалярная архитектура с выдачей до двух команд за такт
• предсказание ветвлений
• раздельные кэши команд и данных
• конвейеризованный блок операций с вещественными числами
• поддержка многоуровневой иерархии памяти, кэш первого и второго уровня
• поддержка мультипроцессорности (2 процессора)
• поддержка отладки, мониторинг производительности
• режим "сверхнадежных вычислений" — два процессора Pentium независимо производят вычисления и сравнивают результаты — если результаты расходятся, считают по-новому.

Не правда ли, между Pentium и Эль-90 очень много общего?

Может статься, что процессор Pentium назван по фамилии своего разработчика Владимира Пентковского. Действительно, в 1995 году фирма Intel выпустила более совершенный процессор Pentium Pro, который уже вплотную приблизился по своим возможностям к Российскому микропроцессору 1990 года. В Pentium Pro был улучшен декодер команд x86, совершенствовано суперскалярное ядро, добавлено исполнение по предположению, изменение порядка исполнения команд, переименование регистров, улучшен блок операций с вещественными числами.

Сегодня предыдущий начальник Пентковского, Борис Бабаян, намерен противопоставить Intel новейшу разработку компании Эльбрус, процессор E2k.

E2k

Микропроцессор Эльбрус E2k с архитектурой EPIC разрабатывает отечественная компания Эльбрус Интернэшнл (www.elbrus.ru). Руководит проектом член-корреспондент РАН Б.А. Бабаян. Серийное производство начнется в 2001 году, при условии достаточного финансирования. Можно предположить, что в начале 2000г будет реализован прототип E2k. Причем возможно, что он будет произведен на мини-заводе в Москве. Сейчас процессор существует в виде описания на специализированном языке Verilog, такое описание является финальным этапом логического проектирования, на следующем этапе Verilog-описание переносят на кристалл. Уже готов весь набор системного программного обеспечения E2k. Он включает в себя распараллеливающий компилятор и двоичный транслятор кода x86. Примерно два года назад Эльбрус демонстрировал исполнение MS Windows 95 и игры MS FlightSimulator на рабочей станции Sun с процессором UltraSPARC. По всем показателям Эльбрус E2k должен превзойти американские разработки. Е2k будет иметь более высокую производительность при меньшем энергопотреблении и меньших размерах кристалла. При этом программной двоичной трансляцией обеспечивается полная совместимость с кодом x86 почти без потерь производительности по сравнению с собственным кодом E2k. Кстати, языки программирования C и C++ со статическими типами на E2k могут обрести новые интересные свойства — аппаратно поддержанные динамику типов и контекстную защиту.

Российской разработкой заинтересовалась корпорация Microsoft, для операционных систем которой, вероятно, очень бы пригодилась производительность E2k. Легенда компьютерного мира Гордон Бэлл (Gordon Bell), который, работая в DEC, создавал компьютеры линий PDP и VAX, а сейчас возглавляет исследовательское подразделение Microsoft (Telepresence Research Group), популяризирует проект Эльбрус E2k на международных конференциях.

Его лекция с названием "Следующее десятилетие супервычислений" (The Next Ten Years in Supercomputing) 26 мая 1999 г открывала Международный Симпозиум по Высокопроизводительным Вычислениям (International Symposium on High Performance Computing) в Японии, а 10 июня — четырнадцатую Манхеймовскую Конференцию по Суперкомпьютерам (Mannheim Supercomputer Conference) в Германии. Оба раза доктор Бэлл часть лекции посвятил рассказу о E2k. В слайде под названием "Russian Elbrus E2K" он приводит таблицу, где оценивает E2k и Merced. Причем сравнение свидетельствует явно не в пользу детища Intel.

Ниже приведена таблица из доклада Гордона Бэлла.

Гордон Бэлл (www.research.microsoft.com/users/gbell/bio.htm) является не только высокопоставленным сотрудником Microsoft, но и влиятельным в компьютерном мире консультантом и предпринимателем. Он создал несколько частных фирм, занимающихся разработкой перспективных технологий.

Заключение

Проект Эльбрус E2k уже имеет научный и технический вес — ведь разработано много новых интересных архитектурных решений, созданы совершенные компиляторы нового поколения. А еще E2k означает, что в России сохранились специалисты высшего класса. Профессор Б.А. Бабаян и другие сотрудники Эльбрус преподают в российских вузах, следовательно, специалистов еще прибавится.

Поэтому мне кажется, что проект уже удался, вне зависимости от реализации в железе. Хотя, наверно, Эльбрус со мной не согласится по части реализации — и реализует.

У компьютера есть технологический процесс 65 нм с тактовой частотой 800 Гц, порты SATA-2 и USB 2.0 , предустановленный SSD 120 ГБ с интерфейсом mSATA и поддержкой DDR3-1600 с ECC. Базовая конфигурация предлагается 24 ГБ оперативной памяти (с возможностью расширения до 96 ГБ). Среди особенностей архитектуры «АРМ Эльбрус-401» можно выделить следующие: наличие 6 параллельно работающих каналов арифметико-логических устройств; регистровый файл из 256 84-разрядных регистров; аппаратную поддержку циклов; поддержку спекулятивных вычислений и однобитовых предикатов; команду, которая может задать в одном такте до 23 операций при максимальном заполнении. Также в компьютер установлена видеокарта AMD Radeon серии 6000.

Компьютер «АРМ Эльбрус-401»

Процессор нового поколения - «Эльбрус-8С»

Технические характеристики «Эльбрус-8С»

У компьютера присутствует своя архитектура «Эльбрус», которая разработана в ЗАО «МЦСТ». Векторные ускорители систем команд помогают сделать шифрование и обработку сигналов более быстрым.

Взаимодействие аппаратной части с ОС происходит через собственный микрокод BIOS. Процессор совместим с дистрибутивами Linux, FreeBSD, QNX, Windows XP , но рекомендованная операционная система «Эльбрус» на базе ядра Linux 2.6.33. Применение специализированных средств разработки (оптимизирующие компиляторы с языков C и C++, Фортран, Java и т.д.) дает возможность оптимизировать код программы с учетом архитектуры «Эльбрус».

Процессор «Эльбрус-8С»

Компанией уже разрабатываются служебные программы и вспомогательные компоненты, оптимизированные для работы на процессорах. Это все - средства для работы с сетью и периферийными устройствами (утилиты, библиотеки общего назначения, сервисы, поддержка баз данных, графическая подсистема).

«Эльбрус-8С» должен работать в паре с КПИ 2 - контроллером периферийных интерфейсов российского производства.

В умах подавляющего большинства обывателей прочно укоренилась мысль о том, что в области проектирования вычислительной техники наша страна играет роль безнадёжного аутсайдера. США, Европа, и, быть может, Китай – вот лидеры производства современных микропроцессоров и систем. Однако это не совсем верно: как подтверждают факты, собственные разработки у нас тоже имеются, и они не только приближаются по определённым параметрам к новейшим достижениям полупроводниковых технологий, но кое в чём их даже превосходят. Насколько продвинулась отечественная наука в этой области и скоро ли можно будет увидеть на прилавках магазинов российский процессор , мы и расскажем в нашем обзоре.

Как всё начиналось

Наверняка многие слышали о том, что во времена Сталина кибернетика была объявлена лженаукой. Гораздо меньше людей знают о том, что кибернетика и вычислительная техника – это отнюдь не одно и то же. Как раз последняя развивалась в то время очень активно, а в 1948 году Постановлением Совета Министров СССР №2369 для этой цели был создан Институт точной механики и вычислительной техники, получивший впоследствии имя Сергея Алексеевича Лебедева. Сам Сергей Алексеевич был приглашён в институт в 1950 году для разработки одной из первых отечественных ЭВМ БЭСМ-1.

А вот с приходом к власти Никиты Сергеевича, развенчавшего «культ Сталина», был взят курс на копирование зарубежных достижений в этой области. Тем не менее, разработка своих систем продолжалась, и в 1969 году, в связи с необходимостью оснащения стратегических систем специального назначения высокопроизводительной вычислительной техникой, родилась идея архитектурной линии «Эльбрус». Под руководством Всеволода Сергеевича Бурцева, ставшего впоследствии академиком Российской Академии Наук, созданный многопроцессорный вычислительный комплекс (МВК) «Эльбрус-1» был предъявлен государственной комиссии и в 1979 году прошёл государственные испытания. Он был спроектирован на основе микросхем TTL-логики и включал в себя 10 процессоров с суммарной производительностью 15 млн. операций в секунду (15 Мфлопс). На тот момент это была великолепная машина: впервые в мире применялась суперскалярная архитектура, позволявшая параллельно отрабатывать несколько машинных команд. Наряду с центральным процессором имелись специализированные: для обмена данными с внешними устройствами, для быстрого преобразования Фурье, для эмуляции команд БЭСМ-6 и для решения целого ряда специальных задач. Объем оперативной памяти достигал солидного объёма в 64 МБ.

Чтобы воспользоваться всеми достоинствами оригинальной архитектуры и системы команд МВК, несколько институтов разрабатывали для него не только операционную систему, но и языки программирования высокого уровня. А шестью годами позже, в 1985 году, в серийное производство был запущен «Эльбрус-2», который представлял собой незначительно модернизированный с точки зрения схемотехники «Эльбрус-1», переведенный на новую элементную базу микросхем ЭСЛ-технологии серии «ИС-100». Этот МВК уже достигал производительности в 125 Мфлопс. МВК строился по модульному принципу, с учётом обеспечения надёжности. Благодаря своему быстродействию и отказоустойчивости, он в течение многих лет использовался в центральных объектах стратегических систем страны. Всего было выпущено 30 экземпляров МВК «Эльбрус-2».

Следующим этапом развития серии стал проект МВК «Эльбрус-3». Руководил им член-корреспондент Академии наук СССР Борис Арташесович Бабаян. Он предложил передовую архитектурную реализацию концепции широкого командного слова. Опытный образец машины изготовили в 1990 году, но её отладка не была завершена по причине прекращения финансирования проекта из-за экономических проблем того периода.

Технологии «SPARC»

Дальнейшее продолжение развития линии «Эльбрус» связано с ТОО «Московский центр SPARC-технологий», сформировавшимся в 1992 году и впоследствии переименованным в ЗАО «МЦСТ». Старшее поколение, знакомое с микропроцессорами с 90-х годов прошлого века, хорошо помнят процессоры семейства SPARC, выпускавшиеся компанией «Sun Microsystems». В то время это была весьма популярная платформа в среде, как это принято сейчас говорить, корпоративных заказчиков. Компания занималась созданием промышленных систем на основе архитектуры SPARC v8, как для зарубежных, так и для отечественных заказчиков. Знакомство с этим направлением помогло МЦСТ как получить опыт для развития собственной архитектуры процессора «Эльбрус» (называвшейся в то время «архитектура E2k»), так и просто пережить период экономических трудностей, сохранив свой уникальный коллектив.

Как следствие работы с новой архитектурой, в 2001 году у МЦСТ появился первый микропроцессор собственной разработки, названный R150. Он выпускался по довольно грубому техпроцессу с нормами литографии 350 нм, что делало его достаточно дешёвым и пригодным для производства на большинстве существующего оборудования. В то же время, его характеристики были вполне конкурентоспособными: при общей потребляемой мощности 5 Вт его единственное ядро могло работать на частоте 150 МГц, обеспечивая производительность порядка 150 Мфлопс. А всего лишь через 3 года увидел свет следующий чип – R500, выпускающийся уже по нормам 130 нм, что заметно повысило его эффективность. Работая на частоте 500 МГц, он обладал производительностью в 500 Мфлопс при потребляемой мощности 1 Вт! А ещё через 3 года, в 2007 году, появился очередной продукт эволюции процессоров семейства SPARC – R500S, содержащий уже два ядра с общей производительностью 1 Гфлопс.

Заметим, что хотя эта архитектура принадлежит к категории RISC и принципиально несовместима с архитектурой Intel x86, при использовании её для промышленных применений это не представляет серьёзной проблемы: всё равно разработка аппаратуры, да и программного обеспечения, ведётся в большинстве случаев «с нуля» под нужды конкретного заказчика, так что потенциальная совместимость с существующим ПО не приносит обычно никакой выгоды.

Процессоры серии «Эльбрус»

Несмотря на активную работу с архитектурой SPARC, развитие собственного направления было продолжено. В 2000 году было утверждено ТЗ на вычислительный комплекс «Эльбрус-3М1» и микропроцессор «Эльбрус», а через 7 лет, в 2007 году, были проведены первые государственные испытания. Работоспособность отечественной архитектуры «Эльбрус» была полностью подтверждена. Он обладал следующими характеристиками: техпроцесс – 130 нм, одно ядро, работающее на частоте 300 МГц, потребляемая мощность 6 Вт, производительность 4,8 Гфлопс.

В 2009 году прошла сертификацию операционная система «Эльбрус», созданная на базе ядра Linux 2.6.33. Была проделана фундаментальная работа по преобразованию ОС Linux в операционную систему, поддерживающую режим работы в жёстком реальном времени, а также написано множество специализированных библиотек. Заметную помощь ЗАО «МЦСТ» в создании ПО и проектировании вычислительных модулей с 2006 года оказывает коллектив открытого акционерного общества «Институт электронных управляющих машин имени И. С. Брука» (ОАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука»), непосредственно участвующий в разработках.

Первый серийно выпускаемый микропроцессор «Эльбрус-S», производимый по технологическим нормам 90 нм, и контроллер периферийных интерфейсов (КПИ) для него прошли испытания в 2010 году. Он тоже имел всего одно ядро, но мог работать на частоте в 500 МГц, выдавая производительность 8 Гфлопс, но и рассеивал заметно большую мощность – до 20 Вт. Для сравнения заметим, что такую же производительность имел в своё время процессор AMD Athlon 64, работающий на частоте 2,2 ГГц.

Всего лишь годом позже, в 2011-м, было начато производство кристалла следующего поколения – «Эльбрус-2С+», при тех же технологических нормах – 90 нм – имеющего заметно большую производительность в целых 28 Гфлопс (что соответствует уровню примерно посередине между Intel Core 2 Duo и Intel Core i3). Такой прорыв оказался возможен за счёт наличия четырёх дополнительных ядер встроенного сопроцессора, предназначенного для цифровой обработки сигналов (DSP), и двух основных ядер, тактовая частота которых составила те же 500 МГц. Справедливости ради заметим, что из-за некоторой трудоёмкости программирования встроенного DSP он не снискал большой популярности, поэтому в модели следующего поколения от него решено было отказаться.

А что же происходит в настоящее время? Сейчас, в 2014 году, МЦСТ выпускает самую совершенную модель – «Эльбрус-4С», выполненный по технологии 65 нм и работающий на частоте 800 МГц. Благодаря наличию четырёх ядер с двумя мегабайтами кеш-памяти на каждое ядро, он обеспечивает внушительную производительность 50 Гфлопс, вплотную приближаясь к Intel Core i7-975 Extreme Edition (53 Гфлопс). Его потребляемая мощность при этом заметно скромнее и составляет всего 45 Вт. Серийное производство пока не начато, но уже существуют опытные образцы. А так как дефицитное оборудование для этого не требуется – благодаря «крупному» техпроцессу достаточно любой из множества широко доступных фабрик, то этот момент не за горами.

Итак, мы вкратце рассмотрели номенклатуру и историю создания отечественных процессоров. Насколько же они конкурентоспособны? Какие у них отличия от продукции AMD/Intel, достоинства и недостатки? Какие применения находят эти уникальные изделия? И, наконец, можно ли запустить на «Эльбрусе» ОС Windows? Ответы на эти вопросы, а также тесты производительности, последуют во второй части этой статьи, которая появится на нашем сайте в ближайшие дни.

Технические характеристики процессоров, выпускаемых ЗАО «МЦСТ»

* возможно подключение внешней кеш-памяти объёмом до 1 МБ

** возможно подключение внешней кеш-памяти объёмом до 4 МБ

RISC, CISC, и всякое такое

Все выпускаемые сегодня процессоры делятся на два больших класса: процессоры с сокращённым набором команд, или RISC (Reduced Instruction Set Computing), и процессоры с полным набором команд, или CISC (Complete Instruction Set Computing). Набор команд первых из них отличается аскетичностью, сами команды однотипны и выполняются за небольшое фиксированное время, что позволяет эффективнее наращивать тактовую частоту. Зато в CISC-системе команды более универсальны, что несколько упрощает написание программного кода.

С точки зрения программиста, все x86-совместимые процессоры являются CISC-процессорами, но на самом деле, их современные модели спроектированы на основе RISC-ядра. Выполнение CISC-команд эмулируется аппаратурой процессора путём их преобразования «на лету» в команды RISC-ядра с помощью специального блока декодирования инструкций и микропрограммы-транслятора.. Такой подход позволяет повысить эффективность работы при сохранении совместимости, а также позволяет исправлять некоторые ошибки проектирования уже после выпуска чипа в серийное производство. Это достигается путём изменения кода микропрограммы-транслятора, обычно выполняемого средствами BIOS той системной платы, куда установлен процессор (именно об этом идёт речь, когда производители выпускают модификации BIOS, «совместимые с процессором таким-то»: то есть, в него внесена модифицированная версия микропрограммы для этой модели процессора, исправляющая некоторые ошибки, тогда как сам процессор будет прекрасно работать и на «несовместимом» BIOS’е).

Когда программист или компилятор создаёт программу в виде последовательности ассемблерных инструкций, то подразумевается, что они будут исполняться последовательно, одна за другой, и исполнение каждой инструкции полностью завершается перед запуском на исполнение следующей инструкции. Так устроены системы команд всех RISC и CISC процессоров. Первые модели процессоров были способны выполнять не больше одной инструкции за один такт, и это ограничение не создавало неудобств. Но со временем технология позволила делать всё более сложные чипы, и тогда для увеличения производительности стали «учить» процессор выполнять по нескольку инструкций за такт. Это свойство называется суперскалярностью. Но есть проблема: нельзя просто так запускать параллельно несколько операций, потому что среди них могут быть зависимости. Например, одна инструкция читает число из памяти в регистр, а следующая – инкрементирует полученное значение в регистре. Их можно запускать только последовательно, но в самих инструкциях нет информации об их взаимозависимости. Поэтому нужна специальная и сложная аппаратура, детектирующая зависимости и гарантирующая корректность исполнения инструкций «вне очереди». Все современные x86-совместимые микропроцессоры – суперскалярные. Например, самые современные чипы на архитектуре Haswell выполняют до восьми операций за такт. Но объём аппаратуры анализа зависимостей для такого числа операций весьма велик, и поэтому чипы получаются сложными и «горячими».

Заметим, что речь идёт именно о микрооперациях RISC-ядра, а вовсе не об инструкциях x86, да ещё и на их вид наложены некоторые ограничения (например, арифметических операций и операций с памятью может быть не более половины от этого числа).

Процессоры архитектуры «Эльбрус» построена по принципу VLIW, или очень широкого командного слова (Very Large Instruction Word). Этот подход можно считать разновидностью RISC – коротких команд с фиксированным временем выполнения, с тем отличием, что каждая команда содержит не одну, а много элементарных операций (вплоть до 23-х). Загрузить такой широкий конвейер на 100% непросто, поэтому разработчики переложили выделение зависимостей и оптимизацию порядка выполнения команд на плечи компилятора. И в самом деле: компилятор, запускающийся на этапе перевода программы, написанной на языке высокого уровня (или ассемблере), в машинные коды, обладает гораздо большими ресурсами, а также большим доступным временем (в разумных пределах, конечно), поэтому эффективность его работы может быть выше, чем у аппаратного блока анализа зависимостей. Используя алгоритмы, имеющие много независимых операций (и поэтому хорошо поддающиеся оптимизации), программист может получить производительность, заметно превосходящую предел возможностей процессора AMD/Intel, работающего на той же частоте. Кристалл процессора в результате получается проще и надёжнее, и потребляет меньшую мощность.

x86-совместимость «в нагрузку»

Объём написанного на сегодня кода в среде x86 столь велик, что игнорировать его не может себе позволить ни один, даже самый крупный, производитель процессоров. Компания Intel однажды смогла «провернуть» такой фокус, отказавшись от аппаратной поддержки процессоров 8080 и перейдя на новую на тот момент архитектуру 386, но суммарный объём существующего кода был тогда на несколько порядков меньше. Повторить этот смертельный трюк вряд ли удастся кому-либо в обозримом будущем, удел смельчака – узкоспециализированная ниша, занять которую он обречён в этом случае (ARM-процессоры, доминирующие на смартфонах, лучшее тому подтверждение).

Основной средой выполнения прикладных программ на системе «Эльбрус» служит ОС «Эльбрус» (кто бы мог подумать!), являющаяся доработанной разновидностью ОС Linux с ядром 2.6.33, скомпилированной целиком из общедоступных исходников. Заметим, что хотя это ядро является достаточно старым, оно поддерживает работу подавляющего большинства современных библиотек, и несмотря на это, идёт полным ходом адаптация для ОС нового ядра 3.10.

Чтобы обеспечить работу существующих приложений на процессоре «Эльбрус», применяется механизм двоичной трансляции (другое его название – «битовый компилятор»). Он существует в двух вариантах: уровня системы и уровня приложений. Первый из них начинает работу сразу после включения питания, с загрузкой в память компактного транслятора, хранящегося в микросхеме флеш-памяти, расположенной на системной плате. При этом для всех загружаемых позже программ, включая ОС, процессор становится неотличим от любого x86-совместимого процессора, позволяя запускать хоть Windows, хоть Mac OS, хоть Linux, или любую другую операционную систему, например, такую экзотическую, как Колибри ОС, или IBM OS/2.

Такая совместимость достигается ценой некоторого снижения производительности, которая в режиме двоичной трансляции уменьшается примерно на 30% (справедливости ради заметим, что в текущей версии транслятора для процессора "Эльбрус-2С+" «гостевой» ОС доступно всего лишь одно ядро, но в новой версии, для "Эльбрус-4С", этот недостаток исправлен). Разумеется, все специфические особенности процессора, о которых мы ещё расскажем, будут при этом недоступны.

Существует и другая разновидность битового транслятора - уровня приложений. При этом процессор стартует в нативном режиме, и на нём запускается ОС «Эльбрус» (или другая ОС, скомпилированная в кодах Эльбрус), а после её загрузки запускается специальное приложение-эмулятор, позволяющее, одновременно с нативными, запускать и x86-совместимые приложения (наподобие среды Wine в Linux). «Родные» приложения работают при этом в комфортной для себя среде, имея доступ ко всем возможностям и 100% вычислительной мощности ЦП, а «гостевые» обладают полной иллюзией запуска в среде x86, за исключением доступности системного вызова ptrace.

Процессор «Эльбрус-2С+» поддерживает битовую трансляцию только 32-разрядных кодов x86 и выполняет их на одном ядре, в то время как «Эльбрус-4С» может транслировать и 64-битные команды и поддерживает трансляцию многопоточных приложений (т.е. использующих несколько ядер процессора после трансляции).

Чем ещё интересен «Эльбрус»

Внутри процессор «Эльбрус» устроен следующим образом. Имеется 6 каналов исполнения операций, работающих параллельно, при этом до четырёх каналов могут быть использованы для чтения из памяти и до двух – для записи в память. Во всех шести каналах можно исполнять целочисленные арифметико-логические операции, в четырёх – операции с плавающей запятой. Каждый такт процессор может запустить по одной операции в каждый канал. У Эльбруса универсальный регистровый файл из 256 84-разрядных регистров; при этом есть отдельный регистровый файл для предикатов (однобитных значений) на 32 регистра. Имеется аппаратная поддержка циклов, в том числе с конвейеризацией, что повышает эффективность использования ресурсов процессора. Интересной особенностью Эльбруса является программируемое асинхронное устройство предварительной подкачки данных. У него есть встроенный буфер объемом 4 кБ для сокрытия задержек от доступа к памяти, и оно не задействует каналы исполнения операций, что позволяет освободить их для вычислний. Поддержка спекулятивных и условных (предикатированных) вычислений позволяет уменьшить число переходов и параллельно исполнять несколько ветвей программы. Широкая команда может при максимальном заполнении задавать в одном такте до 23-х операций (и более 33-х операций при упаковке операндов в векторные команды).

Чтобы более эффективно использовать возможности аппаратуры процессора, в компилятор введена поддержка Intrinsic-функций (это специальные аппаратно-зависимые функции, заменяющие отдельные ассемблерные инструкции и позволяющие избавиться от inline-ассемблера, т.к. его использование часто нежелательно или невозможно).

Также «Эльбрус» имеет несколько уникальных особенностей, выгодно отличающих его от зарубежных аналогов. Одна из них - специальное оборудование для работы в составе многопроцессорных систем. Это контроллер межъядерных взаимодействий и контроллер запросов MAU, передающий запросы от каждого из ядер в системный коммутатор, и контроллер когерентных сообщений, анализирующий запросы от коммутатора и передающий их нужным ядрам. В свою очередь, системный коммутатор осуществляет обслуживание абонентов согласно политике приоритетов, обеспечивая максимально возможную загрузку межпроцессорных линков, и независимость пакетных потоков между различными парами абонентов и независимость потоков командных пакетов различного типа друг от друга. Каждый кристалл имеет три канала межпроцессорного обмена, а также возможность работать в многопроцессорной системе с общей памятью – до четырёх процессоров «Эльбрус-4С» в одной системе без дополнительных схем, и до шестнадцати – с помощью выделенного чипа-коммутатора.

Обслуживание внешних интерфейсов организовано «классическим» способом – с помощью Контроллера Периферийных Интерфейсов (КПИ), играющего роль «южного моста». Он соединяется с процессором по выделенной шине с пропускной способностью 2 Гбит/с в каждую сторону и предоставляет как привычные всем PC-интерфейсы, так и специализированные интерфейсы для промышленного применения.

Технические характеристики КПИ

Безопасность превыше всего

Но самой важной особенностью процессора «Эльбрус» является обеспечение безопасности. Мы не будем вдаваться в подробности «бэкдоров» систем на основе Intel, благо что на эту тему есть что почитать на просторах Сети. В частности, не секрет, что некоторые системы могут оснащаться супервизором на основе BIOS, позволяющим осуществлять удалённые контроль и управление компьютером через сеть, а также перехват произвольных данных. Причём не только работа, но и само наличие такого супервизора не поддаются определению практически никакими современными средствами, так как его функционирование осуществляется на уровне микрокодов RISC-ядра (см. выше о том, как устроен современный микропроцессор). Если ПК приобретается для домашнего применения, подобными проблемами можно не «заморачиваться» – вас, как того самого «неуловимого Джо», защищает факт несущественности ваших данных, которые просто никому не нужны. Но даже в этом случае будет обидно, если кто-то за океаном нажмёт некую «красную кнопку», после чего ваш ПК превратится в бесполезную груду железа. Да и возможное эмбарго на поставку даже таких, «дырявых» кристаллов со стороны стран Европы и США может существенно усложнить жизнь отечественным сборщикам ПК, а значит, и нам с вами. Учитывая текущее обострение внешнеполитической ситуации, подобный сценарий не представляется таким уж невероятным. А вот если вы собираете сеть для управления атомной электростанцией, или хотя бы металлургическим заводом, то даже самую малую возможность подобного развития событий желательно исключить в принципе. Конструируя парк ПК на основе «Эльбрус», заказчик получает всю техническую документацию, по которой можно проконтролировать отсутствие нежелательных модулей, и исходные тексты всего программного обеспечения, начиная от ОС, драйверов, и до приложений прикладного уровня. Помимо этого, существуют отдельные аппаратные средства управлением безопасностью. Всем уже набили оскомину сообщения о брешах в системе Windows и прикладных программах (последние, впрочем, не сильно афишируются). Наиболее частая причина – ошибки переполнения буфера, позволяющие злоумышленнику запустить на атакуемой системе произвольный код. Причина кроется в общей памяти, позволяющей хранить и данные, и код. Конечно, попытки решить проблему предпринимаются, например, такие, как широко разрекламированный Execute Disable Bit в процессорах Intel (или его аналог – No eXecute Bit в процессорах AMD), но даже эта защита обходится «на раз-два» (кому интересно – вновь обращаемся к Интернету). А неразделяемый стек – вообще ахиллесова пята всех AMD/Intel систем. Вариант, предложенный МЦСТ, – защищённый режим исполнения программ. Работа в нём происходит только с инициализированными данными, все обращения в память проверяются на принадлежность к допустимому диапазону адресов, обеспечивается межмодульная защита. Для поддержки такого режима имеется компилятор C/C++ и библиотека runtime (libc). В этом режиме обнаруживается более 98% ошибок времени выполнения, которые не удаётся диагностировать другими способами. Это позволяет не только создавать устойчивый ко взлому код, но и заметно облегчает написание любых программ, поскольку многие ошибки программирования, которые в ином случае остались бы незамеченными и привели бы к нестабильной работе программы, здесь обнаруживают себя на уровне аппаратуры и вызывают прерывание. Некоторым недостатком защищённого режима является снижение производительности примерно на 20%, что в отдельных случаях может быть нежелательно. Есть и другая проблема: практически весь существующий в среде open source код написан так, что использует приёмы программирования, не регламентированные стандартом языка Си. Поэтому запустить ядро ОС или приложения типа LibreOffice полностью в защищённом режиме пока что невозможно – и из-за стиля программирования, и из-за наличия в коде скрытых ошибок, которые придётся исправлять. Но можно запускать в защищённом режиме отдельные небольшие программы, наиболее критичные с точки зрения информационной безопасности, и они будут работать со стопроцентной надёжностью. Даже в обычном, «незащищённом» режиме работы «Эльбруса», надёжность системы ко взлому значительно повышается, поскольку стек связующей информации (цепочка адресов возврата при процедурных вызовах) отделен в нём от стека пользовательских данных и недоступен из программного кода. Это заметно затрудняет такой популярный вид атаки, как подмена адреса возврата.

Модули на микропроцессорах «Эльбрус»

В настоящее время ЗАО «МЦСТ» выпускает несколько готовых модулей на основе процессоров R1000 архитектуры SPARC, а также серию модулей на основе «Эльбрус». Каждый из модулей изготовлен в виде системной платы с набором необходимых внешних интерфейсов, по сути представляя собой готовый компьютер, требующий лишь подключения источника питания и накопителей для хранения данных, да и то не всегда (зачастую флеш-диск достаточного объёма распаян прямо на плате). Он выполнен в стандартном форм-факторе потребительского либо промышленного стандарта, и устанавливается в корпус заказчика. В настоящее время модули комплектуются процессорами «Эльбрус-2С+», а с началом серийного выпуска «Эльбрус-4С» элементная база будет обновлена.

В каталоге компании «МЦСТ» представлены следующие модули: МВКУБ/С, МВК/U, Монокуб, КУБ-COM, МВ3S/C-К. Первый из них содержит два процессора, остальные - один. Каждый модуль оснащён картой CompactFlash, использующейся либо для хранения системы двоичной трансляции, либо для установки ОС, причём последний из перечисленных модулей содержит также дополнительный SSD-диск стандарта mSATA. Пусть вас не вводит в заблуждение слово «куб» в названиях некоторых из них: форм-фактор конструктивного исполнения - Compact PCI, COM Express type 2 и mini-ITX, напоминающие в лучшем случае прямоугольный параллелепипед, а слово «куб» выбрано, видимо, только «для красоты». Ещё один модуль, МВ3С2/C, не содержит процессора, а предоставляет лишь набор периферийных интерфейсов. Заметим, что интерфейсных модулей существует большое множество, но мы не стали перечислять их все для экономии места.

Вычислительные комплексы

Этим научным термином в компании «МЦСТ» называют любые законченные компьютеры на основе процессора «Эльбрус», от ноутбука и до мощного сервера. Да, вы не ослышались: ноутбук на этом кристалле уже выпускается и носит гордое название «Носимый терминал НТ-ЭльбрусS». Конечно, ему пока ещё далеко по изяществу до Macbook Air, своим брутальным видом он напоминает, скорее, защищённые ноутбуки фирмы Panasonic или аналогичные.

НТ-ЭльбрусS

Характеристики «НТ-ЭльбрусS» достаточно скромные, но вполне достаточные для запуска «офиса» и подобных программ. А вот прочность конструкции находится на высоком уровне: аппарат не только способен нормально работать в широком диапазоне температуры (от -10 до +55°С) и влажности (вплоть до полного погружения под воду до глубины 1 м), но и вибрации, ударных нагрузках (вплоть до падения на бетон с высоты 0,75 м).

Полезным может оказаться и наличие универсального приёмника сигналов спутниковой навигации (ГЛОНАСС/GPS), а при необходимости может быть установлен адаптер Wi-Fi. Вот разве что разрешения экрана - 1024 на 768 точек - маловато для комфортной работы, да и батарею можно было бы поставить помощнее, так как заряда штатной хватает всего на 1 час.

Монокуб-РС

Другой ВК - «Монокуб-PC» - вполне сопоставим с недорогим офисным ПК, да и по размерам весьма похож на него. 4 ГБ оперативной памяти и 500 ГБ жёсткого диска, разумеется, могут быть заменены на другие стандартные компоненты нужного объёма, благо что интерфейсы внутри самые что ни на есть общедоступные: слоты DDR2 и разъёмы SATA II (правда, DDR2 смотрится в наши дни некоторым анахронизмом, да и по цене уже проигрывает DDR3). К нему подключается любой стандартный монитор с коннектором VGA или DVI, а также клавиатура и мышь. Лишь наличие интерфейсов GPIO слегка намекает нам на то, что перед нами не обычный офисный ПК, а изделие для лабораторно-промышленного применения.

КМ4-Эльбрус

Ещё одна традиционная компоновка - моноблок КМ4-Эльбрус, или конструкция «всё-в-одном». Это ПК, собранный в общем корпусе с монитором. Его экран обладает уже вполне достойным разрешением 1600 на 900 точек, более того, он сенсорный! Корпус, правда, несколько толстоват, но по большому счёту, малая толщина его - лишь дань моде. На рабочий стол он впишется вполне нормально, а при желании к нему можно без дополнительных средств подключить второй монитор, с разрешением вплоть до 1920 на 1440.

Экспериментальный 4-процессорный сервер на базе процессора Эльбрус-4С

И ещё один ВК, «Эльбрус-3С», является мощным модульным сервером с 16-ю процессорами (4 процессорных модуля по 4 процессора), 128 ГБ ОЗУ, встроенным коммутатором Gigabit Ethernet и оптическим контроллером сети. Он рассчитан на высокопроизводительные вычисления, а благодаря модульной конструкции, его конфигурация может сильно различаться, в зависимости от требований заказчика.

Вычислительные комплексы на основе микропроцессоров «Эльбрус»

Тесты, тесты, тесты

Наверняка многим из вас не терпится узнать, на что способны новые кристаллы в плане производительности? Есть ли у новой архитектуры преимущества в реальных задачах? Чтобы выяснить это, мы подготовили три «боевых» теста: архивацию и распаковку архиватором 7-zip, обработку видеосигнала цифровым фильтром, и шифрование информации по алгоритму ГОСТ. Такой выбор задач был сделан отчасти из-за того, что все они реализованы в виде приложений для ОС Linux, способной функционировать как на процессорах Эльбрус, так и на чипах производства Intel, что позволяет провести сравнительный анализ, а отчасти потому, что эти задачи входят в число наиболее типичных применений разработанных ВК (не забываем, что основными заказчиками оных являются различные предприятия). Характеристики тестовых стендов

Характеристики тестовых стендов приведены в таблице. Отметим лишь, что в день тестирования сервер на четырёх процессорах «Эльбрус-4С» с частотой 800 МГц оказался занят, и нам предложили такой же, работающий на частоте 700 МГц, что несколько повлияло на результаты. В принципе, ничто не мешает пересчитать их, умножив или разделив на 8/7, так как производительность сервера линейно зависит от частоты. Также следует иметь в виду, что все тесты выполнялись в однопоточном режиме; для хорошо распараллеливаемых задач, а к ним принадлежат все упомянутые тесты, с ростом числа задействованных ядер производительность будет возрастать практически линейно. Соперником наших героев, а также точкой отсчёта, послужил сервер на процессоре Intel Core i7-2600, работающем на частоте 3400 МГц.

Коммуникационными портами компьютеры "Эльбрус" не обделены

Первый тест, архивация по алгоритму 7-zip, является, пожалуй, антипримером, с точки зрения демонстрации эффективности отечественной архитектуры. Алгоритм 7-zip довольно сложен и плохо поддаётся оптимизации, поэтому общая скорость упаковки, измеряемая в мегабайтах в секунду (т.е. чем лучше производительность, тем больше числа), почти точно пропорциональна тактовой частоте, которая у российских кристаллов сильно уступает продукции лидера мирового процессоростроения. При распаковке ситуация чуть лучше: в самом деле, если частоты Core i7 и «Эльбрус-2С+» различаются в 3400/500=6,8 раза, то результаты теста лишь в 33,437/6,296=5,31 раза, что говорит о том, что работая на той же частоте, что и процессор Intel, «Эльбрус» смог бы его обойти!

С фильтрацией видеосигнала наш кристалл справляется лучше. Недаром эта область являлась одной из профильных при его разработке. Но не следует полагать, что тут задействованы дополнительные ядра встроенного DSP - так было бы «нечестно» по отношению к сопернику, поэтому тестовая программа использует только ядра общего назначения. Здесь «Эльбрус-2С+» медленнее лишь в 2,5 раза (тест измеряет время выполнения одной и той же задачи, так что здесь лучшей производительности соответствует меньшее число). «Эльбрус-4С» практически подобен своему собрату, выдавая результат во столько раз лучше него, во сколько раз различаются их тактовые частоты).

Но самый выигрышный результат оказался при шифровании по алгоритму ГОСТ, недаром он тоже разрабатывался нашими специалистами. Здесь «Эльбрус-2С+» выполнил задачу на 30% быстрее, несмотря на почти семикратную разницу в частоте, а «Эльбрус-4С» - почти в 2 раза быстрее! Что говорит о том, что эффективность отечественной архитектуры на подобных задачах лучше почти в 9 раз. Подробности можно лицезреть на скриншотах окна терминала. Не удивляйтесь, увидев неожиданное сообщение cpuinfo о странном процессоре «Эльбрус-2S»: именно так планировалось ранее назвать новый четырёхъядерный чип, но в последний момент он был переименован с целью отображения в названии количества ядер. Это же «старое» название можно прочесть и на фотографии крышки корпуса кристалла, массово отштампованной до этого момента.

Сравнительные результаты тестирования микропроцессоров

Вперёд, к светлому будущему?

Итак, всё выглядит не так уж и плохо? И да, и нет. Несмотря на успешный старт, у МЦСТ осталась ещё масса нерешённых проблем. Главная из них - поиск производственных мощностей для выпуска чипов. Пока «Эльбрус-2С+» производится на фабриках партнёров из Юго-Восточной Азии, что не очень-то вписывается в картину России, как независимой интеллектуальной державы. К тому же для изготовления нового чипа, «Эльбрус-4С», требуется более «тонкий» процесс с нормами литографии 65 нм. Однако, перечитывая новости прессы, можно заметить, что зеленоградский завод полупроводниковых компонентов «Микрон» не так давно разработал новую для России технологию – как раз 65 нм – и закупает под нее дополнительное оборудование в свою производственную линию. Очевидно, что именно туда планируется перенести производство «Эльбрус», но «гладко бывает только на бумаге»: чтобы запустить линию и наладить серийное производство, как правило, требуется не меньше двух лет, а то и заметно больше. К чести предприятия "Микрон" стоит отметить, что задача освоения нового технологического процесса - дело далеко не тривиальное (о том, как организовано производство процессоров мы расскажем в рамках отдельного репортажа).

Вторая актуальная проблема - рост тактовой частоты. Чтобы на равных конкурировать с мировыми производителями, неплохо бы поднять её хотя бы вдвое, а лучше впятеро. Казалось бы, этого можно достичь дальнейшим уменьшением норм техпроцесса, но не всё так просто. Сменив легковушке 100-сильный двигатель на 1000 л.с., не увеличить скорость со 150 до 1500 км/ч. Необходима существенная переработка топологии под новую частоту, отладка, тесты... Да и возможности производства в нашей стране на таких линиях пока призрачны. Проще линейно наращивать количество ядер, добавив кеш-памяти и слегка повышая частоту (по мере оптимизации внутренних узлов). Примерно так и сконструирован «Эльбрус-8С», разработка которого уже идёт полным ходом и должна завершиться в будущем году. Помимо повышения частоты до 1,3 ГГц, в нём вдвое (по сравнению с «Эльбрусом-4С») увеличено количество ядер, и во столько же раз - кеш-памяти, но не только: количество вычислительных устройств с плавающей запятой также возросло с 4-х до 6-ти, что дополнительно позволит выжать из него чуточку мощности, доведя итоговую производительность до впечатляющей цифры в 250 Гфлопс. Правда, уменьшение норм техпроцесса всё же планируется, что позволит сохранить или даже уменьшить при этом суммарное тепловыделение кристалла.

А что же дальше? Увидим ли мы когда-нибудь на прилавках обилие полностью, на 100%, отечественных ПК? Если и увидим, то очень не скоро. Несмотря на некоторые явные преимущества, по соотношению главных потребительских качеств «производительность/цена» наш «Эльбрус» всё ещё проигрывает конкурентам, а доплачивать за сомнительные преимущества в виде защищённого режима или эффективного шифрования массовый потребитель вряд ли захочет. Другое дело - корпоративный клиент, для которого надёжность работы и наличие полной документации является определяющим критерием. А так как всё равно в большинстве случаев систему для него придётся разрабатывать «под заказ», то здесь отечественный производитель может даже предложить более выгодную цену, чем зарубежный партнёр. Поэтому клиентов у МЦСТ пока хватает.

Что ж, пожелаем им удачи! И будем надеяться на то, что наша страна снова станет «супердержавой», как это уже было не раз.

			Важнейший перелом, если верить заявлению министра обороны Сергея Шойгу, произошел в отношении российского общества к армии. Число контрактников впервые превысило число призывников, а главное – иссяк поток бегущих из вооруженных сил. Наоборот, армия не может взять в свои ряды всех желающих. К 1 декабря Минобороны выполнит требование верховного...

			Само слово «армата» происходит от латинского arma («оружие»). Так в XIV веке на Руси называли примитивные пушки. Однако надо понимать, что шифры ОКР очень часто не несут никакой смысловой нагрузки. В именах нового оружия можно встретить и название садового вредителя, досаждающего на даче ответственному за выбор шифра офицеру, и драгоценных камней, и рек, цветов, и...

С момента зарождения вычислительной техники в нашей стране проектирование высокопроизводительных систем рассматривалось как одна из важнейших целей отечественной науки. С 90-х годов исследования были связаны с принципиально новым условием - необходимостью выполнения новых разработок на базе российских микропроцессоров. В итоге был создан «Эльбрус» - процессор, по своим вычислительным мощностям не уступающий лучшим зарубежным моделям.

История создания

В настоящее время всего в нескольких странах мира проектируют компьютеры на микропроцессорах собственной разработки - в США, Англии, Японии и Китае. Очевидно, что в рамках безопасности и импортозамещения России также требуется свой процессор, достаточный для обеспечения требований вооруженных сил, силовых ведомств, органов управления и образования. А по возможности - и коммерциализация продукта. После десятилетий активных работ ученым и инженерам Московского центра Спарк-технологий (МЦСТ) не стыдно представить новейшую разработку 2014-15 годов: восьмиядерный процессор «Эльбрус 8с». Но до этого исторического события был пройден длинный путь теоретических расчетов и практических изысканий.

В СССР выдающееся значение в становлении и развитии вычислительной техники имели работы академика С. А. Лебедева. В руководимом им при Академии наук Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) были созданы электронные (ЭВМ) пятнадцати моделей - от первых, ламповых, до быстродействующих машин на интегральных схемах.

«Эльбрус-1»

Идея архитектурной линии, впоследствии заложенной в российский процессор «Эльбрус», родилась в 1969 году. Поводом для разработок послужила необходимость «интеллектуализации» стратегических систем. Главным конструктором стал В. С. Бурцев, выдающийся специалист по вычислительной технике, впоследствии академик РАН.

В 1979 году в ИТМ и ВТ госкомиссии было представлено первое поколение многопроцессорного вычислительного комплекса (МВК) «Эльбрус». Процессор был спроектирован на базе TTL-логики. Система использовалась в военной промышленности.

«Эльбрус-2»

Через шесть лет успешно прошло испытание второе поколение МВК «Эльбрус». Процессор и новая были полностью отечественной разработки. Система базировалась на быстродействующих с эмиттерно-связанной логикой серии ИС-100. Производительность «Эльбрус-2» в десятипроцессорной конфигурации составляла 125 млн. операций в секунду.

МВК строился по модульному принципу с повышенной надежностью. Благодаря быстродействию и отказоустойчивости комплекс использовался много лет в ключевых объектах стратегических систем. Уникальные для того времени характеристики МВК достигались внедрением и развитием ряда передовых идей в организации вычислительного процесса.

«Эльбрус-3»

Следующим этапом (1986-1994) стало создание третьего поколения МВК «Эльбрус». Процессор стал еще более мощным, элементная база - более совершенной. Руководителем проекта выбрали член-корреспондента АН Б. А. Бабаяна. Кстати, он внес фундаментальный вклад в разработку МВК «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2».

Оценив преимущества и недостатки разработанной им суперскалярной архитектуры, реализованной во втором поколении МВК, Борис Арташесович предложил более продвинутую реализацию концепции широкого командного слова. До развала Союза специалисты успели собрать опытный образец, однако финансирование в дальнейшем новые власти прекратили.

Новейшее время

Продолжение этой проектной линии связано с деятельностью ЗАО МЦСТ. В его структуре ведущие отечественные микроэлектронщики, сделав принципиальную ставку на использование микропроцессорных технологий, приступили к созданию двух серий микропроцессоров и вычислительных комплексов на их основе. Эти работы впоследствии позволили создать мощный русский процессор «Эльбрус» 2014 года выпуска.

Проектной основой первой серии стала открытая архитектура Scalable Processor Architecture (SPARC), специфицированная корпорацией Sun Microsystems. На ее основе были созданы процессоры семейства «R».

Базой второй серии стала оригинальная архитектура «Эльбрус», развивающая принципы, которые были апробированы и заложены в МВК-3 (первоначально она именовалась «архитектура E2k»). Всего было создано четыре основных типа процессоров. Итак, «Эльбрус» (процессор): сравнение моделей приведено в таблице ниже.

«Эльбрус-4с»

Одной из последних удачных разработок компании МЦСТ стал процессор «Эльбрус-4с». Его архитектура основана на оригинальной разработке, базой для которой послужила микроархитектура VLIW. За процессы вычисления отвечают 4 ядра по 800 МГц, кэш-память по 2 Мб на каждом ядре.

Несмотря на кажущуюся архаичность в плане технологии производства (большие размеры, небольшая частота, техпроцесс «прошлого века» 65 нм), эффективность электронного устройства сравнима с процессорами Intel серии «i». При меньшем потреблении мощности (45 Вт) его производительность составляет до 50 Гфлопс. Для сравнения: старшая модель Extreme Edition имеет производительность 53 Гфлопс при гораздо больших частотах и энергопотреблении. Этот современный русский процессор «Эльбрус» 2014 года выпуска прошел положенные испытания и вышел в серию.

«Эльбрус-8С»

Похоже, время эволюции закончилось, настал черед революционного для отечественной микроэлектроники прорыва. ЗАО «МЦСТ» совместно с Институтом электронных управляющих машин разработало и выпустило инженерные образцы продукта нового поколения. К промышленному производству готовится процессор «Эльбрус 8с», создаваемый по 28-нанометровому техпроцессу.

Работать устройство будет в паре с контроллером также отечественной разработки КПИ-2. Хотя контроллер пока выпускается по 65 нм техпроцессу, он поддерживает три гигабитных сетевых контроллера Ethernet, 20 линий 2.0, восемь USB-портов 2.0, восемь SATA-портов. Обмен данными с процессором составляет 16 Гб/сек.

Технические характеристики

Производитель раскрыл основные характеристики новейшей системы «Эльбрус»:

• Процессор - 8 ядер без гипертрединга.
• Площадь кристалла - 350 мм 2 .
• Кэш второго уровня для каждого ядра - 512 Кв.
• Кэш третьего уровня является общим - 16 Мб.
• Исполнение за такт - 30 операций.
• Частота тактовая - 1,3 ГГц, при этих параметрах гарантируется бесперебойная работа всех ядер неограниченное время, даже при стопроцентной загрузке.
• Производительность (пиковая) - 250 Гфлопс.
• Мощность - 60-90 Вт.
• Лицензионная независимость от Intel, при этом обеспечена поддержка основных операционных систем с архитектурой x86/x86-64.

Как видим, российский процессор "Эльбрус" последнего поколения в пять раз производительнее модели 4С.

Архитектура

В качестве важнейшего результата компания ЗАО МЦСТ разработала оригинальную микропроцессорную архитектуру «Эльбрус». Процессор ориентирован на получение максимальной для данных аппаратных ресурсов показателей производительности. В общей классификации она относится к категории архитектур, использующих принцип широкого командного слова VLIW (Very Large Instruction Word), когда компилятор формирует для параллельного исполнения последовательности групп команд (широкие командные слова), в которых отсутствуют зависимости между командами внутри группы и сведены к минимуму зависимости между командами в разных группах.

Таким образом, русский процессор «Эльбрус» в высокой степени использует параллелизм на уровне операций, присутствующий в данном программном коде. В результате достигается большая архитектурная скорость за счет освобождения аппаратуры от функций распараллеливания, присущих суперскалярным архитектурам, и передачи их оптимизирующему компилятору. Это обусловило и другую важнейшую особенность, свойственную архитектуре «Эльбрус» - низкий уровень энергопотребления аппаратуры.

Наряду с эффективным использованием параллелизма операций в архитектуре устройства «Эльбрус» заложена реализация и других видов (уровней) параллелизма, свойственных вычислительному процессу:

• параллелизма задач в многомашинных комплексах;
• параллелизма потоков управления на общей памяти;
• векторного параллелизма.

Совместимость с архитектурой x86

В качестве принципиального требования к архитектуре разработчики изначально рассматривали обеспечение эффективной двоичной совместимости с доминирующей архитектурой микропроцессора Intel x86. Она реализуется на базе скрытой динамической трансляции и ее поддержки в аппаратуре микропроцессора «Эльбрус». Также к определяющим свойствам новой отечественной архитектуры относится развитая аппаратная поддержка защищенных вычислений (модульного программирования), существенно облегчающая работу программистов при создании больших программных комплексов с ограниченными сроками исполнения.

Практическое применение

Где же планируется применять российские процессоры? Необходимо понимать, что данная продукция разрабатывается с единственной целью - обеспечить самодостаточную, независимую от поставок и лицензирования микроэлектронику и вычислительную технику. Компьютеры на процессоре «Эльбрус» с повышенным уровнем безопасности и защищенностью от компьютерных вирусов востребованы в военной промышленности, в службах безопасности, важных государственных учреждениях.

Между тем, система позволяет устанавливать привычные Windows и Linux, что открывает путь если не к рядовому потребителю, то к корпоративному сектору. Компания МЦСТ предлагает защищенные компьютеры и серверы, способные функционировать в неблагоприятных окружающих условиях.

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.