История и техническое описание процессоров эльбрус. "Эльбрус" - процессор российского производства. Технические характеристики и история создания
Вокруг Эльбруса ходит много мифов. Вы можете встретить их в комментариях к любому посту или статье про Эльбрус. Основные категории мифов можно свести к трем вопросам:
1. Является ли Эльбрус отечественным? Отечественный значит безопасный?
2. Какова производительность? Насколько «современен» компьютер на базе Эльбрус.
3. Сколько он стоит?
Каждый вопрос имеет два противоположных ответа. От «китайское купленное» до «все наше». От «мой телефон быстрее» до «еще немножко и обгоним Интел».
Хотелось бы прояснить откуда растут уши всех этих мифов. Причина по большому счету одна: компания МЦСТ - их закрытость, молчаливость и, в худших традициях российской действительности, склонность к завышению и легкому привиранию. При подготовке этой статьи я столкнулся с тем, что вся информация на новостных и железных ресурсах крутится вокруг скупых пресс-релизов МЦСТ. Новую информацию «сверху» найти очень сложно. Надо рыть, читать между строк и копать еще глубже. Само МЦСТ на электронные письма и заказы не отвечает. Найти на сайте контакты - попробуйте!
Бравурные речи «пятилетку в три дня», как и рассказы про «догоним и перегоним» идут оттуда же. Достаточно перечитать пресс-релизы за 2013-2015 год. Сейчас у нас должно быть серийное производство новейших компьютеров на базе Эльбрус-16С. Вы его видите? И я нет!
Про хитрости с технологическими процессами производства можно прочитать в этой статье на Хабре.
Чтобы уйти от абстракции и развенчивать мифы чем-то конкретным, возьмем АРМ (Автоматизированное Рабочее Место) Эльбрус-401. Этот компьютер выпускается мелкосерийно. Даже, кажется, доступен для заказа на сайте. Формально.
Характеристики взяты с официального сайта.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Микропроцессор | Эльбрус-4С (1891ВМ8Я) |
| Количество процессоров | 1 |
| Рабочая тактовая частота процессора, Мгц | 800 |
| Пиковая производительность, Гфлопс | 50 |
| Оперативная память, Гбайт | 24 (до 96), поддержка коррекции ошибок (ЕСС) |
| Видеоподсистема | Интегрированная видеокарта на основе СБИС Silicon Motion SM718 Поддерживает 2D ускорение, масштабирование видео 16 МБ видеопамяти, подключение к шине PCI Выход VGA, DVI Разрешение до 1920 x 1080 3D видеокарта AMD Radeon серии 6000 Подключение к шине PCI Express |
| Дисковая подсистема | Жесткий диск SATA 2.0 1000 ГБ, 3.5" (до 2 дисков) Разъем для карты CompactFlash на плате mSATA диск на плате ёмкостью 120 ГБ |
| Встроенный привод | DVD-RW привод. Поддержка двухслойных дисков |
| Сетевые интерфейсы | Поддержка работы при скоростях передачи данных в 10/100/1000 Мбит/с |
| Звук | Интегрированная звуковая карта AC-97 (стерео) |
| Порты ввода/вывода | USB 2.0: 4 разъема на задней панели, 2 разъема на передней панели. 2 внутренних порта на материнской плате 1 разъем Gigabit Ethernet (10/100/1000 Mb/s) 1 выход DVI+VGA (совмещенный). Возможно подключение двух мониторов через переходник (в комплекте) 1 порт RS-232 внешний, 1 порт RS-232 внутренний разъёмы для подключения аудио (вход/выход, стерео) |
Происхождение
Итак, насколько отечественный и безопасный получился компьютер?Наиболее отечественным получился процессор. Его архитектура и результирующие блоки - полностью отечественная разработка. Рассчитывался и эмулировался он на FPGA Stratix V. Скорее всего, на ПО Quartus.
Сейчас одна микросхема EP2S180 стоит около 8К$. Так что стоимость только микросхем FPGA в прототипе превышает 50К$.
Для прототипирования процессора Эльбрус-4C+ потребовалась уже 21 микросхема Altera Stratix IV EP4SE820 и с суммарным объемом в 100 млн. вентилей (хотя сам МЦСТ приводит цифру в 750 млн) и стоимостью около 200К$. При этом рабочая частота прототипа 9 Мгц.Первый нюанс: какие Гигафлопсы приведены? Теоретические, по тесту LINPACK? Информации нет.
Второй. Есть маленькая хитрость: если посмотреть на архитектуру, то мы увидим, что в ядре есть DSP процессор. В характеристиках прошлой версии процессора четко указывалось, что суммарная производительность состоит из Гигафлопсов основного ядра плюс ядро DSP. Например можно по сравнивать Описания на сайте МЦСТ Монокуб на базе процессора Эльбрус-2С+ и Сам процессор .
Но в реальных повседневных приложениях от DSP процессора мало толку. Они будут хороши при обработке сигналов и шифровании.
Здесь мы опять утыкаемся в проблему закрытости. Если у кого и есть в наличии АРМ, то тесты он не проводит, либо результаты не выкладывает.
Но вернемся к главному вопросу, производительность в реальных приложениях и повседневной работе. Единственные тесты, которые мне удалось отыскать на эту тему, есть у Cnews. Тесты и их результаты целиком можно посмотреть по ссылке .
Кому лень ходить, суть такова. Берется Intel Core i7-2600 (3,4 ГГц) и Эльбрус-4С. Меня заинтересовали следующие.
Получается, что единственные «реальные» тесты с 7z архивом показывают, что АРМ серьезно проигрывает. Не как должно быть по Гигафлопсам, всего в два раза, а в 5,5 раз на сжатии и почти в 4 раза на распаковке (я считал по MIPS, потому что памяти различны). Кстати, смешат выводы и попытки «натянуть сову на глобус». Такое ощущение, что ресурсу дали Эльбрус с условием написания положительного отзыва.
объявила о том, что их новый четырехядерный процессор Эльбрус-4С готов для массового производства, а также продемонстрировала первый отечественный ПК на его базе – Эльбрус-401. И наконец-то к началу 2017 было объявлено, что российский компьютер поступит в продажу по цене… 199 000 рублей (т.е. порядка 3000 долларов США). Столько же стоит Mac Pro, но если вы настоящий патриот…
Да, кстати в ассортименте есть еще и сервер Эльбрус 4.4.
Цена Эльбруса 401 озвучена за самую базовую модификацию, включающую:
- четырехядерный процессор Эльбрус 750 Мгц;
- ОЗУ 24 Гб (можно увеличить до 96 Гб);
- 3D видеокарту ATI Radeon 6000;
- встроенную видеокарту СБИС Silicon Motion SM718
- жесткий диск 500 Гб SATA 2.0 3,5»;
- mSATA SSD диск 120 ГБ на плате;
- интегрированную звуковую карту АС-97;
- разъёмы: 6 внешних USB 2.0, DVI+VGA, RS-232 (внутренний и внешний)б стандартные аудио-разъемы;
- 23-х дюймовый монитор;
- мышь и клавиатуру;
- операционную систему Эльбрус на базе Linux. Кстати, поставить можно и другие ОС.
Почему так долго происходил запуск производства? Представители компании оправдывают задержку тем, что искали отечественных производителей деталей, налаживали поставки и рассчитывали себестоимость. Как утверждает основное производство сборка происходит в России, т.е. процент деталей, произведенных в РФ по прежнему остается загадкой. Обещают производить до нескольких тысяч ПК в год.
Что ж мы публикуем обзор Эльбрус-4С, сравнение процессоров Эльбрус-4С и Intel, а также результат теста Эльбрус-401.
Обзор Эльбрус-4С – современного отечественного микропроцессора
О том, что МЦСТ работает над процессором Эльбрус-4С, стало известно еще летом 2014 года. Тогда же в Интернете ходили слухи, что этот процессор сможет конкурировать с разработками лидеров рынка – с процессорами Intel. Давайте проверим, насколько оказались верны эти слухи.
Итак, Эльбрус-4С содержит в себе четыре ядра и базируется не на архитектуре SPARC, а на собственной архитектуре Эльбрус (Elbrus). Ядра Эльбрус-4С работают на тактовой частоте 800 МГц, а сам чип изготовлен на основе уже не самого передового техпроцесса в 65 нм. Рассчитан Эльбрус-4С на потребляемую мощность в 45 Вт, что, учитывая целевой рынок, совсем неплохо.
Архитектура процессора Эльбрус-4С в целом соответствует архитектуре VLIW, которая выполняет инструкции в порядке, установленном и оптимизированном при помощи компилятора, в отличие от микроархитектуры Haswell для процессоров Intel, в которой процессоры сами решают задачу приоритетности инструкций. Теоретически это должно упростить процесс производства и сделать Эльбрус-4С дешевле и привлекательнее для потенциальных покупателей.
По сравнению с предшествующей моделью в микропроцессоре Эльбрус-4С кэш инструкций первого уровня был увеличен в два раза – до 128 Кбайт. С ним увеличился и кэш второго уровня – до 8МБ, распределяемых между всеми ядрами. В Эльбрус-4С встроен контролер памяти DDR3 с пропускной способностью до 38, 4 Гб/с.
Технические характеристики процессора Эльбрус-4С |
|
| Выпуск | 2014 год |
| Техпроцесс | 65 нм |
| Архитектура | «Эльбрус» |
| Ядра | 4 |
| Тактовая частота | 7500 — 800 МГц |
| Производительность, 32 бит | 50 Гфлопс |
| Производительность, 64 бита | 25 Гфлопс |
| Потребляемая мощность | 45 Вт |
| Команд, число на 1 такт | 23 |
| Кеш 2-го уровня | 8 МБ |
| Тип встроенного контроллера памяти | DDR3-1600 |
| Пропускная способность шины памяти | 38,4 Гбайт/с |
| Количество каналов обмена с памятью | 3 |
| Количество транзисторов | 986 млн |
| Корпус | HFCBGA 1600 |
| Южный мост | КПИ |
Архитектура процессора Эльбрус-4С позволяет эмулировать архитектуру х86. На первый взгляд, это решение позволит российским частным и государственным компаниям уменьшить свою зависимость от продукции Intel и AMD, но на практике они по-прежнему останутся зависимыми от приложений на х86 весьма продолжительное время. Впрочем, конкурировать на равных процессоры Эльбрус с гигантами индустрии пока не могут, и сейчас мы объясним почему.
Сравнение процессоров Эльбрус-4С и Intel
Хотя Эльбрус-4С и может похвастаться относительно низким энергопотреблением и оригинальной архитектурой, в плане производительности он очень сильно отстает от конкурентов. Для сравнения мы взяли из открытых источников результаты расчетов производительности процессоров в гигафлопсах. Флопс – это единица измерения компьютерной производительности, которая отображает, какое количество операций с плавающей точкой может совершить вычислительная машина за секунду.
Результаты наглядно отображены в таблице:
Как видите, производительность Эльбрус-4С находится на уровне первого поколения процессоров Intel i7 и в семь раз уступает современным процессорам Интел. Но при этом цена Эльбрус-4С вряд ли будет меньше, чем у более мощного Intel i7-3900, по крайней мере, до тех пор, пока не откроется массовое производство.
Впрочем, по словам разработчиков, процессор Эльбрус-4С предназначен не для игр и развлечений, а для автоматизации производства и для комплектации рабочих мест, к которым предъявляются повышенные требования к информационной безопасности. Точная дата запуска серийного производства процессоров Эльбрус-4С пока не объявлена, и неизвестно, будет ли оно происходить на территории РФ.
Компьютер Эльбрус-401 на основе процессора Эльбрус-4С
Чтобы продемонстрировать возможности своего процессора, МЦСТ собрали на основе Эльбрус-4С персональный компьютер. Известно, что помимо процессора он содержит видеокарту AMD Radeon 6000 и интегрированный видеоадаптер, жесткий диск на 1000 Гб (SATA 2.0) и диск mSATA на плате 128 Гб. Из портов есть 6 разъемов USB 2.0 и 1 DVI/VGA выход, а также стандартные разъемы под Ethernet и аудиоаппаратуру. Компьютер Эльбрус-401 оснащен 24 Гб оперативной памяти.
Операционная система у российского компьютера тоже своя собственная, под фирменным названием «Эльбрус». Ничего принципиально нового она собой не представляет: в ней сразу же узнается сборка Linux. Но при необходимости ее можно заменить на Windows XP и другие ОС, работающие на платформе х86.
Несмотря на довольно скромные характеристики, компьютер Эльбрус-401 неплохо показал себя в работе. Разработчики устроили компьютеру Эльбрус тест, запустив на нем игру Doom 3 (BFG Edition 2012).
Как вы могли заметить, FPS во время игры варьируется в пределах 15-30 единиц. Хотя, конечно, это заслуга не только процессора Эльбрус-4С, но и мощной по меркам Doom 3 видеокарты. С другой стороны, то, что процессор российского производства оказался совместимым с видеокартой от AMD, – это уже сам по себе хороший признак. А вот стоимость компьютера Эльбрус-401 пока удручает: $3900! Да и заказы МЦСТ принимает только от юридических лиц.
Кстати, МЦСТ не собираются останавливаться на достигнутом. Сейчас они трудятся над восьмиядерным процессором Эльбрус-8С и в этом году выпустят стоечный сервер под названием «Сервер Эльбрус-4.4». А в планах у компании – создание собственного видеопроцессора и работа над материнскими платами Монокуб.
Нет похожих статей
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.
Год создания | ||||
Тактовая частота | ||||
Техпроцесс | ||||
Количество ядер | ||||
Производительность |
Эльбрус-3М1 | Эльбрус-S | Эльбрус-2С+ | Эльбрус-4С |
|
Год создания | ||||
Тактовая частота | ||||
Техпроцесс | ||||
Количество ядер | ||||
Производительность |
«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.
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.
| Микропроцессор | E2K | Merced |
|---|---|---|
| Тактовая частота, ГГц | 1.2 | 0.8 |
| Производительность, SPECint95 / SPECfp95 | 135 / 350 | 45 / 70 |
| Размер кристалла, мм 2 | 126 | 300 |
| Энергопотребление, Ватт | 35 | 60 |
| Пропускная способность шины, Гбайт/сек | 15 | н/д |
| Кэши (Кбайт) | 64 / 256 | н/д |
| Пиковая производительность, GFLOPS | 10.2 | н/д |
| Планируемое время начала поставок | 4-ый квартал 2001г | н/д |
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.
Одним из проектов компании стала разработка первого российского настольного компьютера на базе процессора «Эльбрус-4С». Он получил название «АРМ Эльбрус-401» (где АРМ расшифровывается, как автоматизированное рабочее место). Модель разработана под офис в корпусе стандарта MiniTower. Но может применяться в разных сферах с повышенными требованиями к информационной безопасности.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»
Разрабатывает процессор «Эльбрус-8С» компания МЦСТ при участии Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ) им. И.С. Брука. Архитектура, схемотехника и топология микропроцессора были созданы российскими специалистами. У процессора восемь ядер с улучшенной 64-разрядной архитектурой «Эльбрус». Тактовая частота достигает 1,3 ГГц, объем кеш-памяти второго и третьего уровня - 4 и 16 МБ. Предполагаемая производительность достигает 250 GFLOPS.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.