Эльбрус 8 с что дальше. Российские процессоры. Основные характеристики процессора Байкал-М

Без одного дня три года прошло с момента об отечественном микропроцессоре Эльбрус-8С. Напомним, линейка процессоров Эльбрус разрабатывается АО «МЦСТ» и считается одной из самых успешных отечественных разработок в этой области.

Безусловно, разработка отечественных процессоров не остановилась на Эльбрус-8С.

Стоит сказать, что сама по себе модель Эльбрус-8С выглядела перспективно на фоне предыдущих российских разработок. Конечно, ожидать от АО «МЦСТ» настоящего соперничества с Intel и AMD нельзя. Весовые категории не те. Но такие процессоры разрабатываются не для того. Это вопрос информационной безопасности и технологической самостоятельности. Конечно, очень хотелось бы увидеть коммерческий успех линейки Эльбрус, но при ничтожных размерах отгружаемых партий себестоимость каждого процессора выходит огромной. При этом следует напомнить, что речь идёт о не самом современном процессоре. Хотя и не о совсем безнадежном.

За три прошедших года модель 8С претерпела модернизацию. Усовершенствованная версия 8СВ получила поддержку DDR4, увеличенную площадь кристалла и повышенную тактовую частоту.

Инженерам АО «МЦСТ» удалось обеспечить более чем двукратный рост пиковой производительности. Выпуск намечен на 2018 год. Страница процессора на сайте АО «МЦСТ».

Впрочем, нельзя не понимать, что Эльбрус-8СВ является пусть и качественной, но модернизацией морально устаревшего процессора. Согласно планам компании, на смену 8С и 8СВ к 2022 году должен прийти Эльбрус-16С. Ожидается переход на техпроцесс 16 нм и почти трехкратный рост пиковой производительности. Число ядер планируется довести до 16, а тактовую частоту до 2000 МГц.

Сбудутся ли эти планы — покажет время. Однако стоит отметить техпроцесс, который планируется применять в данной разработке. Хотя 16 нм не выглядят сейчас устаревшим техпроцессом, они, скорее всего, будут архаично смотреться к 2022 году. Уже сейчас AMD выпускает процессоры по техпроцессу в 12 нм и экспериментирует с 7 нм. Intel вовсю занята переходом на техпроцесс в 10 нм.

Конечно, технический процесс это не единственный определяющий производительность фактор. К этим цифрам следует относиться как к объективному показателю уровня развития отечественной отрасли по созданию микропроцессоров. И он не так плох, как может показаться на первый взгляд.

В 2011 году Минпромторг объявил тендеры «на выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по подпрограмме федеральной целевой программы № 1 Часть 28». Эта программа называется «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» и рассчитана на 2008–2015 гг.

Работы велись по двум лотам: «Разработка гетерогенного микропроцессора с пиковой производительностью более 150 Гфлопс на базе высокопроизводительных универсальных 64-разрядных процессорных ядер» и «Разработка 64-разрядного микропроцессора со встроенной графикой с пиковой производительностью более 24 Гфлопс». Оба лота выиграла компания МЦСТ. Результаты работ, проведенных в рамках исполнения трехлетних контрактов, были переданы в срок – в декабре 2015 года. В разработку «Эльбрус-8С» вложили 836 млн, в «Эльбрус-1С+» - 410 млн рублей.

Производительностью около 150 Гфлопс обладает Intel Core i7-4930K, выпущен в третьем квартале 2013 года, стоит в России от 20 тыс. рублей. Производительность «Эльбрус-1С+» сравнима с Intel Core i7-880, выпущенным во втором квартале 2010 года, цена – от 25 тыс. рублей.

Что представляют собой «Эльбрусы»

Архитектура процессоров использовалась МЦСТ более десяти лет и лишь была усовершенствована. «Эльбрус-8С» - 8-ядерный чип, выполненный по 28-нанометровой технологии и созданный для обработки больших объемов данных в режиме реального времени. Этот чип может использоваться в ПК, высокопроизводительных системах и серверах, комплексах цифровой обработки сигнала.

«Эльбрус-1С+» выполнен по технологии 40 нм. Он включает одно ядро архитектуры «Эльбрус» и графическое ядро с аппаратным 3D-ускорением. Процессор предназначен для промышленной автоматики, терминалов, одноплатных встроенных и носимых ЭВМ.

Оба чипа доступны лишь ограниченными партиями. В крупное серийное производства они не запускались, в свободной продаже не появлялись.

Известно также, что в январе 2016 года «Объединенная приборостроительная корпорация» начала разрабатывать оборудование, защищенное от кибершпионажа, на «Эльбрусах-8С», а в 2017-2018 гг. процессоры закупит МВД.

Российский процессор Эльбрус-8С

Добрый день, уважаемые читатели. Сегодняшняя тема будет очень интересна заядлым патриотам. Россия вперед!!! А поговорим мы сегодня о российских процессорах «Эльбрус » и «Байкал ». Очень жаль, что статью уж никак нельзя назвать «Процессоры российского производства », потому что по факту производятся они в восточной Азии (как и большинство электроники мировых лидеров), а не в России. Но вполне можно гордиться тем, что Россия одна из немногих стран мира, которая способна разрабатывать свои микропроцессоры, ведь за ними стоит будущее.

А есть среди вас те, кто для поиска статьи вбили в Яндексе фразу «русские процессоры »? Если говорить о людях, то «Не все россияне русские ». А если говорить о процессорах, то они российские . Инфа 100%, я проверял!

Итак, что мы имеем на сегодня? А сегодня у нас первая половина 2017 года и российские процессоры неугомонно развиваются.

Российские процессоры «Процессор-9» с поддержкой памяти DDR4

Что мы видим в подзаголовке? С поддержкой ! Это означает не что иное, как то, что Процессор-9 будет составлять прямую конкуренцию существующим гигантам Intel и AMD. Тут уж можно действительно гордиться Россией.

Что же такое Процессор-9? Это кодовое название топового российского процессора Эльбрус-16С от компании МЦСТ. Планируется, что он начнет выпускаться в 2018 году. Будет два варианта процессора с 8 и 16 ядрами. В общем, характеристики процессора вот:

Основные технические характеристики процессора Эльбрус-16С (Процессор-9)

Ранее уже продавались компьютеры на базе российских процессоров Эльбрус-4 С, но стоили они заоблачную сумму денег. Это обуславливалось тем, что не было налажено массовое производство процессоров. Эти компьютеры были скорее экспериментальными образцами, потому и стоили до 400 000 рублей. В случае же с Эльбрус-16С ситуацию исправит массовое производство процессоров в Тайване. К тому же производитель должен понимать, что при такой цене ни о какой конкурентоспособности и речи быть не может.

Почему бы нам не сопоставить информацию о всей линейке процессоров Эльбрус? Интересно ведь.

Были еще разработки процессоров, которые не прошли государственную аттестацию. Но это было давно и не правда.

А что вы думаете о российских процессорах? Вы бы купили компьютер за 400000 только потому, что он российский? Пишите, пообщаемся на эту тему.

Российские процессоры Эльбрус в сравнении с Intel

Знаю, что очень многих интересует сравнение российских процессоров с процессорами Intel. В этом нет ничего удивительного, русские – гордый народ, и поэтому мы хотим сравнивать свои достижения с самыми лучшими. А компания Intel такими как раз и являются в мире компьютерных процессоров.

В общем, блуждает в сети некая табличка со сравнением процессоров Эльбрус с Intel, а вот насколько она достоверная решайте сами. Как я понимаю, таблица эта не новая, потому что сравнение происходит не с самыми новыми процессорами Intel, но некоторые из них все же язык не поворачивается назвать старыми. Тем более часть из них это мощные серверные процессоры Intel Xeon. В таблице вы сможете сравнить основные технические характеристики, а также производительность процессоров в Гигафлопсах.

В общем вот и сама таблица сравнения процессоров. Вставляю ее в таком виде, в котором нашел, не судите строго. Жаль, что там только сравнение Эльбрус и Интел, а процессоров Байкал там нет, но думаю, найдутся еще энтузиасты, которые поправят этот недочет.

Российские процессоры Эльбрус: сравнение с Intel

Российские процессоры Байкал-Т1 и Байкал-М

Если процессоры Эльбрус предназначены сугубо для компьютеров и готовы конкурировать с другими фирмами-изготовителями , то процессоры Байкал предназначены больше для промышленного сегмента и не столкнутся с такой жесткой конкуренцией. Однако уже разрабатываются и процессоры Байкал-М, которые можно будет использовать для настольных ПК.

Процессор Байкал-Т1

По данным Байкал Электроникс, процессоры Байкал-Т1 можно использовать для маршрутизаторов, роутеров и другого телекоммуникационного оборудования, для тонких клиентов и офисной техники, для мультимедийных центров, систем ЧПУ. А вот процессоры Байкал-М смогут стать сердцем для рабочих ПК, для промышленной автоматизации и для управления зданиями. Уже интереснее! Но подробной информации о технических характеристиках пока нет. Знаем только, что он будет работать на 8 ядрах ARMv8-A и будет иметь на борту до восьми графических ядер ARM Mali-T628 и, что тоже немаловажно, производители обещают сделать его очень энергоэкономным. Посмотрим, что из этого выйдет.

Пока писал статью сделал запрос в АО «Байкал Электроникс», и ответ не заставил себя долго ждать. Уважаемый Малафеев Андрей Петрович (менеджер по связям с общественностью и корпоративным мероприятиям) любезно поделился с нами самой свежей информацией о процессоре Байкал-М .

Первые инженерные образцы процессора Байкал-М компания планирует выпустить уже осенью этого года. А дальше цитирую, дабы ни коем образом не исказить суть информации:

— Начало цитаты —

Процессор Байкал-M – система на кристалле, включающая энергоэффективные процессорные ядра с архитектурой ARMv 8, графическую подсистему и набор высокоскоростных интерфейсов. Байкал-М может использоваться в качестве доверенного процессора с широкими возможностями защиты данных в ряде устройств B 2C и В2В сегментов.

Области применения Байкал-М

• моноблок, автоматизированное рабочее место, графическая рабочая станция;
• домашний (офисный) медиа-центр;
• сервер и терминал видеоконференций;
• микросервер;
• NAS уровня небольшого предприятия;
• маршрутизатор / брандмауэр.

Высокая степень интеграции процессора Baikal —M позволяет разрабатывать компактные продукты, в которых основная доля добавленной стоимости приходится на отечественный процессор. Наличие полной информации о логической схеме и физической топологии микросхемы в сочетании с доверенным программным обеспечением и соответствующими аппаратными решениями позволяет использовать процессор в составе систем, предназначенных для обработки конфиденциальной информации.

Применяемое ПО

Широкое распространение архитектуры ARMv8 (AArch64) позволяет использовать огромное количество готового прикладного и системного программного обеспечения. Поддерживаются операционные системы Linux и Android, в том числе на уровне бинарных дистрибутивов и пакетов. Доступны многочисленных устройств, подключаемых к шинам PCIe и USB. В состав поставляемого «Байкал Электроникс» комплекта программного обеспечения входит ядро Linux в исходных текстах и скомпилированном виде, а также драйверы для встроенных в Baikal-M контроллеров.

Основные характеристики процессора Байкал-М

• 8 ядер ARM Cortex-A57 (разрядность 64 бит).
• Рабочая частота до 2 ГГц.
• Аппаратная поддержка виртуализации и технологии Trust Zone на уровне всей СнК.
• Интерфейс с оперативной памятью – два 64-битных канала DDR3/DDR4-2133 с поддержкой ECC
• Кэш-память – 4 МБ (L2) + 8 МБ (L3).
• Восьмиядерный графический сопроцессор Mali-T628.
• Видеотракт, обеспечивающий поддержку HDMI , LVDS
• Аппаратное декодирование видео
• Встроенный контроллер PCI Express поддерживает 16 линий PCIe G en. 3.
• Два контроллера 10-гигабитной сети Ethernet, два контроллера гигабитной сети Ethernet. Контроллеры поддерживают виртуальные сети VLAN и приоритезацию трафика.
• Два контроллера SATA 6G , обеспечивающих скорость обмена данными до 6 Гбит/с каждый.
• 2 канала USB v.3.0 и 4 канала USB v.2.0.
• Поддержка режима доверенной загрузки.
• Аппаратные ускорители, поддерживающие ГОСТ 28147-89 , ГОСТ Р 34.11-2012.
• Энергопотребление – не более 30 Вт.

— Конец цитаты —

Что скажете, друзья? Российские процессоры вас впечатлили или оставили равнодушными? Лично я верю в великое будущее российских цифровых технологий!

Вы дочитали до самого конца?

Была ли эта статья полезной?

Да Нет

Что именно вам не понравилось? Статья была неполной или неправдивой?
Напишите в клмментариях и мы обещаем исправиться!

Камрад krom63 нашел в сети документ «Производительность процессора Эльбрус-8С в суперкомпьютерных приложениях вычислительной газовой динамики» и поделился ссылкой на него на тематическом форуме сайта ixbt.com.

В статье приводятся результаты тестирования процессора Эльбрус-8С в составе компьютера Эльбрус-801 по сравнению с микропроцессорами Интел и AMD.

Тестирования осуществлялось на программных комплексах предназначенных для вихреразрешающего трехмерного моделирования задач газовой динамики и аэроакустики на неструктурированных гибридных сетках.

(статья приводится с сокращениями, полный вариант статьи по ссылке ниже)

Программный комплекс NOISEtte

Основной областью приложений NOISEtte является суперкомпьютерное моделирование задач аэродинамики и аэроакустики, характерных главным образом для авиационно-космической отрасли.

Программный комплекс Tapir

Предназначен для расчета дозвуковых и сверхзвуковых течений вязкого сжимаемого газа. Дискретизация уравнений Навье-Стокса выполняется на основе метода конечного объема с определением значений сеточных функций в центрах масс элементов гибридной неструктурированной сетки.

Особенности архитектуры процессора Эльбрус-8С

Восьмиядерный процессор Эльбрус-8С принадлежит семейству архитектур VLIW. Каждое ядро может исполнять до 25 различных элементарных операций в одном такте. Структура широкой команды (ШК) позволяет разместить:

1 команду передачи управления: переход, вызов, возврат;

3 команды предикатной логики;

До 6 арифметико-логических операций: целочисленная, побитовая, сдвиговая и вещественная арифметика (в том числе комбинированная), обращения к памяти, сравнения, пересылки и тернарные операторы;

4 команды обращения к линейно-регулярным данным, включая инкремент соответствующего указателя;

1 команду управления цикловым счетчиком;

16 байт константных данных;

Команды управления регистровым окном.

Для вещественной арифметики имеется 6 арифметико-логических устройств с полностью конвейеризированными устройствами умножения и сложения формата FP32 и FP64, позволяющих запускать и завершать исполнение fmul*, fadd*/fsub*, комбинированные (состоящие из двух операций) fmul_add*/sub*/rsub* каждый такт.

Также имеется одно частично конвейеризированное устройство деления и квадратного корня, позволяющее запускать одну из операций fdiv*, fsqrt* один раз в 2 такта. Более подробно описание архитектуры представлено в .

Подсистема памяти посредством 4 каналов DDR3 1600 обеспечивает предельный темп работы 51.2 GB/s. Иерархия кэш-памяти представлена

Кэшем данных первого уровня на каждое ядро, 64 KB, 4-way;

Кэшем инструкций первого уровня на каждое ядро, 128 KB, 4-way;

Кэшем второго уровня на каждое ядро, 512 KB, 4-way;

Инклюзивным общим для 8 ядер кэшем третьего уровня, 16 MB, 16-way.

Процессоры можно объединять в NUMA-систему до 4 процессоров, для связи между которыми используются линки пропускной способностью до 8 GB/s в каждом направлении.

Для сравнительного тестирования выбраны несколько западных аналогов процессора Эльбрус-8С. Среди них два близких по характеристикам процессора, также работающих с памятью DDR3 и выполненных по техпроцессу 22 нм и более: AMD Opteron 6276, ядро Interlagos; Intel Xeon E5- 2650v2, ядро Ivy Bridge. Также присутствуют процессоры Intel из числа наиболее современных на данный момент, работающих с памятью DDR4 и сделанных по техпроцессу 14 нм: Intel Xeon E5-2683v4, ядро Broadwell, и Intel Xeon Platinum 8160, ядро Skylake. В таблице 3 приведены количество ядер, тактовая частота (ГГц), пиковая производительность (GFLOPS), пропускная способность памяти (GB/s), энергопотребление (Вт), техпроцесс (нм).

Параллельное ускорение.

Данное измерение показывает, во сколько раз ускоряется расчет на многоядерном процессоре в многопоточном режиме с OpenMP распараллеливанием относительно последовательного исполнения на том же процессоре. Результаты ускорения на 8 ядрах представлены в таблице 4. Ускорение на процессоре Эльбрус-8С, 5-6 раз, в целом хорошо соответствует западным аналогам. У большинства процессоров можно отметить слабое ускорение операций с низкой вычислительной интенсивностью, ограниченных пропускной способностью памяти (SpMV, Grad). При этом Skylake демонстрирует одинаково высокое ускорение на всех операциях, благодаря более мощной подсистеме памяти, имеющей 6 каналов DDR4.

Сравнение одиночного ядра.

В этом тесте сравнивается производительность вычислений в последовательном режиме. Результаты, представленные в таблице 5, показывают соотношение производительности с процессором Эльбрус-8С, скорость работы которого принята за единицу. На коде NOISEtte разница с процессорами Intel составила около 3 раз. В пересчете производительности на такт это соответствует разнице около полутора раз (поскольку у процессоров Intel частота примерно вдвое выше). Относительно AMD проигрыш составил около 1.4 раз. Важно отметить, что NOISEtte имеет существенно более сложную реализацию и логику работы (вычислительная часть порядка десятка тысяч строк), чем Tapir (порядка тысячи строк). Для большинства ресурсоемких операций NOISEtte не выполнялось никакой специальной адаптации к архитектуре Эльбрус. Для Tapir была выполнена сравнительно несложная адаптация вычислений под архитектуру Эльбрус, описанная выше в разделе 3. На коде Tapir разница с Intel составила всего около полутора раз. Таким образом, на данном приложении Эльбрус-8С демонстрирует более высокую производительность на такт, чем аналоги Intel. Ядро AMD оказалось медленнее Эльбруса примерно в полтора раза.

Сравнение производительности на 8 ядрах.

В этом тесте сравнивается производительность вычислений в многопоточном режиме на одинаковом с Эльбрус-8С числе ядер. В параллельном режиме уже существенное влияние на результат оказывает производительность подсистемы памяти, поскольку 8 потоков могут полностью исчерпывать пропускную способность памяти. Результаты по соотношению с Эльбрусом показаны в таблице 6. Сравнивая с таблицей 5, можно отметить, что на коде NOISEtte соотношение изменилось в пользу Эльбруса. В этом тесте Эльбрус обгоняет AMD на обоих кодах. Для кода Tapir разница с Intel составила около 2 раз.

Сравнение всего процессора.

В этом тесте сравнивается производительность вычислений в многопоточном режиме на всех ядрах процессора. Результаты приведены в таблице 7.

Процессор AMD смотрится заметно слабее Intel. 8-ядерный Эльбрус-8С обгоняет на коде Tapir этот 16- ядерный процессор. 16- и 24-ядерные процессоры Intel за счет высокого OpenMP ускорения заметно прибавили относительно 8-ядер, разница с Эльбрусом составила уже примерно 3-7 раз.

Производительность вычислений.

Для измерения фактической производительности было посчитано число арифметических операций в коде Tapir. Также в качестве примера операции, сильно ограниченной пропускной способностью памяти, была выбрана операция NOISEtte SpMV, имеющая наименьшую вычислительную интенсивность из рассматриваемых - около 0.2 FLOP на байт, что примерно в 10 раз ниже, чем у кода Tapir. Результаты представлены в таблице 8, в которой также приводится процент от теоретического пика устройств.

Из результатов видно, что на SpMV достигается заметно меньший процент от пика, поскольку пик по числу арифметических операций у процессоров многократно превосходит пропускную способность памяти. Соотношение производительности и пропускной способности можно оценить по таблице 3.

Также можно отметить низкий процент от пика у Skylake, который имеет учетверенное число операций на такт по сравнению с предшественником Broadwell. Можно сделать вывод, что на рассматриваемом типе алгоритмов, в основном в силу ограничений пропускной способности памяти, удвоение числа векторных арифметических устройств и расширение в 2 раза векторных регистров не дало прироста производительности.

Заключение

Производительность вычислений на многоядерных процессорах Эльбрус8С была исследована на реальных приложениях вычислительной газовой динамики. Использовались два программных комплекса для моделирования сжимаемых течений на неструктурированных сетках, NOISEtte и Tapir .

Рассматривались несколько моделей процессоров Intel Xeon, от моделей 5- летней давности до наиболее современных. Чудес, конечно, не бывает, Эльбрус ожидаемо оказался медленнее процессоров Intel. Проигрыш по производительности ядра составил в среднем 2.6 раза для кода NOISEtte и 1.5 раза для кода Tapir. Это представляется достаточно хорошим результатом, учитывая, что тактовая частота Эльбрус-8С примерно вдвое ниже, т. е. в пересчете на такт Эльбрус не уступает Intel. Кроме того, проигрыш около двух раз на данном классе приложений является типичным даже для процессоров AMD , основного конкурента Intel. По производительности всего процессора проигрыш относительно Intel на коде NOISEtte составил от 2.5 раз против 8- ядерного Ivy Bridge до 6.8 раз против 24-ядерного Skylake, а на коде Tapir - от 2 до 5 раз, соответственно.

Для сравнения был рассмотрен 16-ядерный процессор AMD Opteron 6276 примерно 5-летней давности. Этот процессор проиграл соответствующему по времени 8-ядерному Intel Ivy Bridge примерно в 2 раза. На коде NOISEtte 8- ядерный Эльбрус-8С с частотой 1.3 ГГц оказался медленнее 16-ядерного процессора AMD с частотой 2.3 ГГц всего в 1.4 раза, а на коде Tapir Эльбрус обогнал AMD на 12%.

Также стоит отметить, что у процессоров Intel на данном типе приложений наблюдается отсутствие роста производительности ядра. Более того, современное ядро Intel Skylake оказалось на 20% медленнее ядра Intel Ivy Bridge 5-летней давности. Расширение векторных регистров и удвоение числа арифметических устройств не дало прироста производительности (с использованием только средств автоматической векторизации компилятора), в силу ограниченной пропускной способности памяти. Рост производительности современных процессоров связан в основном с увеличением числа ядер.

В то же время у процессора Эльбрус-8C производительность ядра относительно предыдущего поколения Эльбрус-4С выросла примерно в полтора раза. Это позволяет надеяться, что с выходом следующего поколения процессоров Эльбрус-16C отставание еще сократится. Ожидается, что следующая модель, выпуск которой запланирован на 2022 год, будет иметь 16 ядер, работающих на частоте 2 ГГц. Предполагается использование от 4 до 8 каналов памяти DDR4-2666, что может увеличить пропускную способность подсистемы памяти более чем в 3 раза. Также существенный вклад в рост производительности может внести дальнейшее совершенствование оптимизирующего компилятора.

На базе микропроцессора Эльбрус-8С планируется организовать массовое производство серверов, рабочих станций и других средств вычислительной техники, предназначенных для применения в государственных учреждениях и бизнес-структурах, предъявляющих повышенные требования к информационной безопасности, а также для применения в области высокопроизводительных вычислений, обработки сигналов, телекоммуникации. Инженерные образцы 4-процессорного сервера на базе процессоров Эльбрус-8С с производительностью 1 терафлопс будут изготовлены в конце 2014 года.

Отечественная архитектура Эльбрус разработана в России и имеет ряд уникальных особенностей. К ним относятся:

возможность выполнять на каждом ядре до 25 операций за один машинный такт, что обеспечивает высокую производительность при умеренной тактовой частоте;

технология динамической двоичной трансляции, позволяющая обеспечивать эффективное исполнение приложений и операционных систем, распространяемых в двоичных кодах x86, в том числе в многопоточном режиме;

поддержка режима защищённых вычислений с особым аппаратным контролем целостности структуры памяти, которая позволяет обеспечить высокий уровень информационной безопасности использующих его программных систем.

Базовой операционной системой для платформы Эльбрус является ОС «Эльбрус», построенная на базе ядра Linux. Система программирования платформы поддерживает языки С, С++, Java, Фортран-77, Фортран-90.

Основные характеристики разрабатываемого микропроцессора:

Разрабатываемый микропроцессор совместим с разрабатываемым южным мостом КПИ-2 .

Ожидаемый год завершения работы: 2015

Все привыкли к тому, что на рынке микропроцессоров балом правят три крупных американских производителя: Intel, AMD и IBM. Это действительно так! Однако это не означает, что микропроцессоры больше никто не производит. Как правило, в большинстве развитых стран есть собственные «государственные» производители интегральных схем. Не стоит думать, что они пытаются каким-то образом составить конкуренцию «большой тройке» - вовсе нет. Причина локальной разработки и производства процессоров кроется несколько в другом, а именно в необходимости выпуска собственных решений для оборонной отрасли, где использование иностранной электронной базы запрещается из соображений национальной безопасности.

Само собой, ситуация характерна и для России. Главным отечественным решением являются процессоры на базе архитектуры «Эльбрус», разработкой которых занимается компания МЦСТ. В конце апреля был анонсирован скорый выход четырехъядерной модели «Эльбрус-4С», о которой и пойдет речь в сегодняшнем материале.

Однако для начала мы вернемся в прошлое и взглянем, как зарождалась архитектура «Эльбрус».

Трудиться над архитектурой «Эльбрус» начали более 40 лет назад, а именно в 1973 году. Работы велись в стенах «Института точной механики и вычислительной техники имени Лебедева» (ИТМиВТ) под руководством академика Всеволода Сергеевича Бурцева - известного ученого в области систем управления и конструирования универсальных ЭВМ. Конечно же, «заказ» на подобного рода компьютерную технику поступил от военных.

Выпуск первого поколения компьютеров с архитектурой «Эльбрус» состоялся в 1980 году. Их особенностью являлась масштабируемая архитектура: они поддерживали параллельную работу до 10 процессоров одновременно. Объем оперативной памяти составлял 64 Мбайт (или 220 машинных слов), а быстродействие такого компьютера достигало отметки в 12 миллионов операций в секунду.

Однако главной инновацией «Эльбруса» была его суперскалярная архитектура - в компьютерах она применялась впервые. Как выяснилось позднее, на то время компания IBM уже имела некоторые разработки в этой области, однако довести суперскалярную архитектуру до массовых решений по разным причинам они так и не смогли. Поэтому американские производители начали использовать суперскалярную архитектуру лишь в 1990-х годах. Первыми массовыми устройствами с такой архитектурой стали процессоры Intel Pentium.

Спустя пять лет после выхода первого поколения процессоров завершилась разработка компьютера «Эльбрус-2». Архитектурно он несильно отличались от «Эльбрус-1», однако в них применялась другая элементная база, что позволило поднять производительность новых процессоров более чем в 10 раз - до 125 млн операций в секунду. Также был увеличен объем оперативной памяти компьютера: с 64 Мбайт до 144 Мбайт, а пропускная способность каналов ввода/вывода составила 120 Мбайт/с.

«Эльбрус-2», как и его предшественник, был предназначен для использования в оборонной отрасли. В итоге компьютер эксплуатировался в Центре управления космическими полетами, а также в ядерных исследовательских центрах в Арзамасе-16 и Челябинске-70. Помимо этого, существовала и другая версия «Эльбрус-2», оптимизированная под более простые задачи. Она носила название «Эльбрус 1-КБ» и пришла на смену устаревающей системе БЭСМ-6, которая к тому времени использовалась уже на протяжении двух десятков лет. Разработчики сохранили программную совместимость между «Эльбрус 1-КБ» и БЭСМ-6, поэтому переход на новые компьютеры оказался вполне безболезненным.

После успешного выпуска «Эльбрус-2» полным ходом шла разработка нового компьютера, который ожидаемо получил название «Эльбрус-3». В третьем поколение устройств планировалось огромное количество архитектурных изменений. Разработчики из ИТМиВТ именовали новую архитектуру «постсуперскалярной». Данный принцип лежал в основе архитектуры будущих процессоров Intel Itanium. Поэтому, как бы это странно ни звучало, но отечественные инженеры вновь в плане внедрения инноваций опережали своих западных коллег.

Однако дальше проектирования дело не дошло. В 1994 году был создан тестовый образец процессора «Эльбрус-3», но серийное производство так и не было налажено по достаточно глупой причине: устройство оказалось совсем не востребованным. Спустя 6 лет уже инженеры компании МЦСТ пытались воплотить в жизнь идеи «Эльбрус-3» в новом процессоре «Эльбрус-2000» (также известного как Е2К), который теоретически мог стать конкурентом анонсированному процессору Intel Itanium. Однако массовое производство «Эльбруса-2000» требовали значительных финансовых вливаний, а найти инвестора разработчикам так и не удалось.

Создание МЦСТ и ее разработки

Стоит сделать небольшое отступление и сказать пару слов о МЦСТ, которая со времен «Эльбрус-3» и занимается разработкой подобных решений. Компания была основана 2 марта 1992 года как Товарищество с ограниченной ответственностью (ТОО) «Московский центр SPARC-технологий» (МЦSТ). Наличие аббревиатуры SPARC в названии связано с тем, что на тот момент компания МЦСТ рассматривала в качестве основного партнера американскую корпорацию Sun Microsystems, которая продвигала свои вычислительные машины с архитектурой SPARC. И наличие этой аббревиатуры в названии предоставляло ей существенные льготы при сотрудничестве. Например, МЦСТ получила доступ к передовым технологиям проектирования микропроцессорной техники, операционным системам, системам программирования и другим технологиям. На период развития компании это было очень существенной поддержкой. И если поначалу компания работала в тесном сотрудничестве с такими гигантами, как Sun Microsystems, Avanti, Compass, Synopsys, то вскоре инженеры МЦСТ, набравшись опыта, полностью переключились на разработку устройств по государственным заказам.

Вплоть до 2007 года МЦСТ выпускала лишь микропроцессоры с архитектурой SPARC и вычислительные системы на их базе. Собственная архитектура «Эльбрус» отошла на второй план. В период с 1997 по 2007 годы были выпущены четыре SPARC-микропроцессора: МЦСТ-R100, МЦСТ-R150, МЦСТ-R500 и МЦСТ-R500S. Также увидел свет и вычислительный комплекс «Эльбрус-90микро». Несмотря на свое название, к данной архитектуре система не имела никакого отношения.

Лишь в 2005 году возобновилась работа над архитектурой «Эльбрус», основанной на микроархитектуре VLIW (Very Long Instruction Word). А уже в 2007 году был представлен одноименный процессор. Его основные характеристики мы собрали в таблицу, которую вы можете увидеть снизу.

Конечно, для 2007 года характеристики чипа были более чем скромные - он ни в коем случае не составлял конкуренции современным процессорам, например, поколению Intel Conroe, представленному в 2006 году. «Эльбрус» уступал им по всем параметрам. Процессор выпускался по устаревшим 130-нм технологическим нормам, тогда как Intel и AMD уже освоили 65-нм техпроцесс. Как ни странно, но производство процессора было доверено тайваньской компании TSMC. Странно потому, что «камень» предназначался для использования в «оборонке», а производство на сторонних мощностях, таким образом, напрямую влияло на безопасность системы из-за возможных «закладок».

Что касается скорости работы «Эльбруса», то его пиковая производительность в 64-разрядном режиме составляла 2,4 ГФЛОПС. Для сравнения: пиковая производительность бюджетного двухъядерного процессора Intel Core 2 Duo E4300 с актуальной на то время архитектурой Conroe и тактовой частотой 1,8 ГГц составляла 14,4 ГФЛОПС, то есть в 6 раз больше! Поэтому вы можете представить, насколько медленным был «Эльбрус» для 2007 года. Тем не менее, для оборонной отрасли производительности процессора было вполне достаточно, поэтому на его основе была создана вычислительная система «Эльбрус-3М1».

Комплекс «Эльбрус-3М1» поставлялся с защищенной операционной системой МСВС-Э (Мобильная система Вооруженных Сил), в основе которой лежит Linux версии 2.6.14. Кроме этого компьютер оснащался пакетом тестовых и диагностических программ, а также был обратно совместим со старыми вычислительными комплексами «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». По уровню производительности «Эльбрус-3М1» был сопоставим с системой на базе Pentium III с тактовой частотой 500 МГц. Было проведено сравнительное тестирование в режиме совместимости с платформой x86, и «Эльбрус-3М1» превзошел в скорости процессор Intel. Помимо этого, проводилось тестирование и в «родной» платформе для системы МЦСТ. В таком режиме производительность «Эльбрус-3М1» находилась на уровне с конфигурацией на базе процессора Intel Pentium 4 с частотой 2000 МГц. Для оборонной отрасли такого уровня производительности было более чем достаточно.

Следующим этапом развития архитектуры стала система на кристалле «Эльбрус-S», выпущенная в 2010 году. Для удобства сравнения мы свели все основные характеристики процессора в следующую таблицу.

Характеристики нового процессора были улучшены в сравнении с «Эльбрусом». Прежде всего стоит отметить, что производство «Эльбрус-S» было переведено на 90-нм технологические «рельсы». Пускай в 2010 году Intel и AMD уже производили процессоры по тонкому 32-нм техпроцессу, но для отечественного устройства этот переход стал значительным шагом вперед. Тактовая частота «Эльбрус-S» составляла 500 МГц, что на 200 МГц выше, чем у «Эльбруса». Выросла и пиковая производительность: до 4 и 8 ГФЛОПС в 64-разрядном и 32-разрядном режимах соответственно. Увеличился и объем кэш-памяти второго уровня - до 2 Мбайт. Да и сам чип стал сложнее: количество транзисторов в сравнении с предшественником выросло почти в три раза.

В придачу к «Эльбрус-S» МЦСТ представила контроллер периферийных устройств (КПИ) - он же «южный мост». Хаб обеспечил поддержку как «гражданских» интерфейсов, так и промышленных. Благодаря КПИ стало возможным созданием специального четырехпроцессорного рабочего модуля МВ3S/C, который используется в военной технике.

Спустя год было налажено производство следующего поколения процессоров под названием «Эльбрус-2С+». В своих пресс-релизах компания МЦСТ указывала шестиядерную архитектуру. Однако это совсем не так! «Эльбрус-2С+», по сути, является двухъядерной моделью. Он обладает двумя модулями архитектуры «Эльбрус», но также имеет и четыре ядра цифровых сигнальных процессоров (DSP) фирмы «Элвис». Помимо этого, кристалл претерпел множество изменений. Так, объем кэш-памяти второго уровня каждого из ядер составляет 1 Мбайт. Была добавлена поддержка памяти DDR2 с эффективной частотой 800 МГц, а также дополнительный канал ввода/вывода, посредством которого можно подключить еще один КПИ.

Для процессора была реализована версия компилятора языка C, которая позволяет генерировать код для ядер DSP и обеспечивать эффективное взаимодействие основной программы, исполняющейся на ядрах CPU, а также процедур, исполняющихся на DSP. Забегая чуть вперед, скажем, что программировать под ядра DSP было сравнительно трудно, поэтому в следующем поколении процессоров инженеры МЦСТ от них отказались вовсе. В результате внесенных изменений производительность процессоров значительно возросла и уже составляла 28 ГФЛОПС в 32-разрядном режиме. Если сравнивать быстродействие «Эльбрус-2С+» с процессорами Intel, то отечественная разработка окажется чуть выше по скорости, чем решения Intel Core 2 Duo.

Производительность процессора можно примерно оценить по следующим диаграммам.

Помимо «Эльбрус-2С+», в тестировании участвовали процессоры Intel Pentium-M ULV (1 ГГц, кэш-память 1 Мбайт, 2х DDR-266) и Intel Atom D510 (1,66 ГГц, кэш-память 1 Мбайт, DDR2-800), а также еще один процессор компании МЦСТ - R1000. В качестве тестового программного обеспечения был выбран пакет SPEC2000. Как видно из диаграмм, в режиме FP производительность «Эльбрус-2С+» находится на заметно более высоком уровне, нежели у конкурентов. В режиме Int ситуация выравнивается, и зачастую производительность всех процессоров находится на одном уровне, хотя местами отечественные решения откровенно «проседают».

Процессоры «Эльбрус-2С+» предполагалось использовать в системах цифровой интеллектуальной обработки сигнала, таких как радары и анализаторы изображений. Однако в то же время новые чипы были более приспособлены для гражданских задач. Например, компания Kraftway даже выпустила тестовую партию моноблочных компьютеров на базе кристаллов «Эльбрус-2С+», однако дальше этого дело не пошло.

И вот в апреле 2014 года компания МЦСТ представила свою следующую разработку - четырехъядерные процессоры «Эльбрус-4С».

Архитектура процессоров «Эльбрус-4С»

Прежде чем мы начнем подробное изучение архитектуры новых процессоров «Эльбрус-4С», необходимо уделить немного внимания современной архитектуре в целом. Как вам известно, все интегральные решения можно разделить на две большие группы: CISC (Complex Instruction Set Computer) и RISC (Reduced Instruction Set Computer). Уже из названий становится понятно, что CISC-процессоры работают со сложными инструкциями, а RISC - с упрощенными. Сложность инструкций для первой категории заключается в том, что их длина не ограничена. Вдобавок к этому они могут содержать сразу несколько арифметических действий. До начала 1980-х абсолютно все процессоры имели CISC-архитектуру, однако тогдашние исследования компании IBM показали, что сложные инструкции далеко не всегда обрабатываются быстрее, чем последовательность элементарных операций, соответствующая такой сложной инструкции. Так появилась архитектура RISC, предусматривающая использование упрощенных команд.

Примером CISC-архитектуры могут считаться все x86-совместимые процессоры, однако это не совсем так. Работа таких решений базируется на ядре типа RISC. Каждый x86-процессор имеет специальный блок декодирования инструкций, который преобразует CISC-команды в RISC-инструкции.

При этом процессоры x86 являются суперскалярными. Это означает, что за один такт процессор может обрабатывать сразу несколько инструкций. В далеком прошлом процессоры не обладали суперскалярностью и исполняли за такт лишь одну операцию. Тогда это не создавало проблем. Но со временем от CPU требовалась всё более высокая производительность, да и технологические возможности позволяли создавать более сложные системы. Поэтому суперскалярность стала неотъемлемой частью процессорных архитектур. Главной проблемой суперскалярности считается то, что нельзя так просто исполнять несколько операций параллельно, поскольку между ними могут существовать зависимости. Для наглядности тут можно провести параллель с программированием: нельзя запустить на исполнение сразу две функции, если одна из них использует результирующее значение другой. Поэтому в суперскалярных процессорах есть специальная аппаратура, которая анализирует зависимости между операциями и принимает решение об очередности их исполнения.

Что касается процессоров «Эльбрус», то они базируются на архитектуре VLIW. По большому счету VLIW является развитием RISC-архитектуры и суперскалярности. Особенностью VLIW является то, что в каждой команде может содержаться до 23 элементарных операций, которые должны исполняться параллельно. При этом задача распараллеливания возлагается на компилятор, в отличие от традиционных суперскалярных архитектур, где за распараллеливание отвечают аппаратные блоки процессора. Эффективность такого метода действительно выше. Компилятор способен анализировать исходный код гораздо тщательнее, чем аппаратура RISC/CISC-процессора, и находить больше независимых операций. Поэтому в архитектуре «Эльбрус» больше параллельно работающих исполнительных устройств, чем в традиционных решениях. На многих алгоритмах она демонстрирует более высокую скорость. Кроме этого, не будем забывать, что в случае использования компилятора для распараллеливания операций отпадает надобность в специальных аппаратных блоках процессора, а это делает устройство кристалла более простым и надежным.

Среди других особенностей архитектуры «Эльбрус» инженеры МЦСТ выделяют следующие:

• 6 каналов арифметико-логических устройств (АЛУ), работающих параллельно;
• регистровый файл из 256 84-разрядных регистров;
• аппаратная поддержка циклов, в том числе с конвейеризацией. Повышает эффективность использования ресурсов процессора;
• программируемое асинхронное устройство предварительной подкачки данных с отдельными каналами считывания. Позволяет скрыть задержки от доступа к памяти и полнее использовать АЛУ;
• поддержка спекулятивных вычислений и однобитовых предикатов. Позволяет уменьшить число переходов и параллельно исполнять несколько ветвей программы;
• широкая команда, способная при максимальном заполнении задать в одном такте до 23 операций (более 33 операций при упаковке операндов в векторные команды).

Конечно, не забыли разработчики и о режиме x86-совместимости. Для этого в архитектуре была реализована система динамической трансляции двоичных кодов x86 в коды процессора «Эльбрус». Если говорить простым языком, то система трансляции создает виртуальную машину, в которой работает гостевая операционная система для этой разрядности. По словам разработчиков, на платформе «Эльбрус» в режиме эмуляции платформы x86 удалось запустить более 20 операционных систем (в том числе несколько версий Windows) и сотни приложений.

Стоит сказать несколько слов о производительности процессора в режиме эмуляции. Она ожидаемо немного снижается (примерно на 20-30%). При этом становятся недоступны некоторые возможности «Эльбрус-4С».

Несмотря на то, что новые «Эльбрус» также предназначаются и для использования в обычных домашних компьютерах, их главной сферой применения все еще является военная отрасль и промышленные компьютеры. Поэтому, как и прежде, инженеры МЦСТ уделили особое внимание вопросу безопасности новых кристаллов. Одной из самых известных уязвимостей является переполнение буфера, которое возникает, когда процессор записывает данные за пределами выделенного в памяти пространства. Это позволяет злоумышленникам запускать на компьютере произвольный программный код. AMD и Intel уже давно борются с проблемой посредством своих технологий No eXecute Bit и Execute Disable Bit, но их эффективность не так высока, как хотелось бы.

Разработчики МЦСТ в целях повышения безопасности пошли иным путем. Процессоры «Эльбрус-4С» поддерживают так называемое защищенное исполнение программ. Его суть заключается в том, чтобы гарантировать работу приложения только с инициализированными данными, проверять все обращения в память на принадлежность к допустимому диапазону адресов, обеспечивать межмодульную защиту (например, защищать вызывающее ПО от ошибки в библиотеке). Эти проверки осуществляются аппаратно.

Тут же стоит отметить и другую интересную функцию безопасности новых процессоров. В кристаллах «Эльбрус-4С» стек связующей информации (цепочка адресов возврата при процедурных вызовах) отделен от стека пользовательских данных и недоступен для таких вирусных атак, как подмена адреса возврата. При этом разработчики подчеркивают, что на сегодняшний день вирусов для платформы «Эльбрус» попросту не существует.

Технические характеристики «Эльбрус-4С»

В сравнении со своим предшественником процессор «Эльбрус-4С» сделал значительный шаг вперед. Помимо увеличения количества ядер до четырех, он получил множество других улучшений.

Прежде всего нужно отметить, что производство процессора было переведено на 65-нм техпроцесс. Тактовая частота CPU возросла до 800 МГц. Удвоился объем кэш-памяти команд первого уровня, теперь он составляет 128 Кбайт. А объем кэш-памяти второго уровня составляет 8 Мбайт (против 1 Мбайт у «Эльбрус-2С+»). Также значительно выросла пропускная способность каналов оперативной памяти. Эти изменения позволили добиться внушительной прибавки производительности новых процессоров. Так, в 64-разрядном режиме пиковая производительность составляет 25 ГФЛОПС, что более чем в три раза выше, чем показатель «Эльбрус-2С+». В 32-разрядном режиме производительность достигла отметки 50 ГФЛОПС. Вместе с тем возросла и сложность кристалла. «Эльбрус-4С» содержит 986 млн транзисторов, а его полезная площадь составляет 380 мм2.