"Эльбрус" - працэсар расійскай вытворчасці. Тэхнічныя характарыстыкі і гісторыя стварэння

З моманту зараджэння вылічальнай тэхнікі ў нашай краіне праектаванне высокапрадукцыйных сістэм разглядалася як адна з найважнейшых мэтаў айчыннай навукі. З 90-х гадоў даследаванні былі звязаны з прынцыпова новым умовай - неабходнасцю выканання новых распрацовак на базе расійскіх мікрапрацэсараў. У выніку быў створаны «Эльбрус» - працэсар, па сваіх вылічальных магутнасцях не які саступае лепшым замежным мадэлям.

Гісторыя стварэння

У цяперашні час за ўсё ў некалькіх краінах свету праектуюць кампутары на мікрапрацэсарах ўласнай распрацоўкі - у ЗША, Англіі, Японіі і Кітаі. Відавочна, што ў рамках бяспекі і імпартазамяшчэння Расіі таксама патрабуецца свой працэсар, дастатковы для забеспячэння патрабаванняў узброеных сіл, сілавых ведамстваў, органаў кіравання і адукацыі. А па магчымасці - і камерцыялізацыя прадукту. Пасля дзесяцігоддзяў актыўных работ навукоўцам і інжынерам Маскоўскага цэнтра Спарк-тэхналогій (МЦСТ) не сорамна прадставіць найноўшую распрацоўку 2014-15 гадоў: васьміядзерны працэсар «Эльбрус 8с». Але да гэтай гістарычнай падзеі быў пройдзены доўгі шлях тэарэтычных разлікаў і практычных пошукаў.

У СССР выбітнае значэнне ў станаўленні і развіцці вылічальнай тэхнікі мелі працы акадэміка С. А. Лебедзева. У кіраванай ім пры Акадэміі навук Інстытуце дакладнай механікі і вылічальнай тэхнікі (ИТМ і ВТ) былі створаны электронныя вылічальныя машыны (ЭВМ) пятнаццаці мадэляў - ад першых, лямпавых, да хуткадзейных машын на інтэгральных схемах.

«Эльбрус-1»

Ідэя архітэктурнай лініі, пасля закладзенай у расійскі працэсар «Эльбрус», нарадзілася ў 1969 годзе. Нагодай для распрацовак паслужыла неабходнасць «інтэлектуалізацыя» стратэгічных сістэм. Галоўным канструктарам стаў В. С. Бурцаў, выбітны спецыяліст па вылічальнай тэхніцы, пасля акадэмік РАН.

У 1979 годзе ў ИТМ і ВТ дзяржкамісіі было прадстаўлена першае пакаленне шматпрацэсарных вылічальнага комплексу (МВК) «Эльбрус». Працэсар быў спраектаваны на базе TTL-логікі. Сістэма выкарыстоўвалася ў ваеннай прамысловасці.

«Эльбрус-2»

Праз шэсць гадоў паспяхова прайшло выпрабаванне другое пакаленне МВК «Эльбрус». Працэсар і новая элементная база былі цалкам айчыннай распрацоўкі. Сістэма грунтавалася на хуткадзейных інтэгральных схемах з эмиттерно-звязанай логікай серыі ІС-100. Прадукцыйнасць «Эльбрус-2» у десятипроцессорной канфігурацыі складала 125 млн. Аперацый у секунду.

МВК будаваўся па модульным прынцыпе з падвышанай надзейнасцю. Дзякуючы хуткадзейнасці і адмоваўстойлівасці комплекс выкарыстоўваўся шмат гадоў у ключавых аб'ектах стратэгічных сістэм. Унікальныя для таго часу характарыстыкі МВК дасягаліся укараненнем і развіццём шэрагу перадавых ідэй у арганізацыі вылічальнага працэсу.

«Эльбрус-3»

Наступным этапам (1986-1994) стала стварэнне трэцяга пакалення МВК «Эльбрус». Працэсар стаў яшчэ больш магутным, элементная база - больш дасканалай. Кіраўніком праекта выбралі член-карэспандэнта АН Б. А. Бабаян. Дарэчы, ён унёс фундаментальны ўклад у распрацоўку МВК «Эльбрус-1» і «Эльбрус-2».

Ацаніўшы перавагі і недахопы распрацаванай ім суперскалярной архітэктуры, рэалізаванай у другім пакаленні МВК, Барыс Арташесович прапанаваў больш прасунутую рэалізацыю канцэпцыі шырокага каманднага словы. Да развалу Саюза спецыялісты паспелі сабраць вопытны ўзор, аднак фінансаванне ў далейшым новыя ўлады спынілі.

найноўшы час

Працяг гэтай праектнай лініі звязана з дзейнасцю ЗАТ МЦСТ. У яго структуры вядучыя айчынныя микроэлектронщики, зрабіўшы прынцыповую стаўку на выкарыстанне мікрапрацэсарных тэхналогій, прыступілі да стварэння двух серый мікрапрацэсараў і вылічальных комплексаў на іх аснове. Гэтыя працы пасля дазволілі стварыць магутны рускі працэсар «Эльбрус» 2014 года выпуску.

Праектнай асновай першай серыі стала адкрытая архітэктура Scalable Processor Architecture (SPARC), спецыфікаваных карпарацыяй Sun Microsystems. На яе аснове былі створаны працэсары сямейства «R».

Базай другой серыі стала арыгінальная архітэктура «Эльбрус», якая развівае прынцыпы, якія былі апрабаваны і закладзены ў МВК-3 (першапачаткова яна называлася «архітэктура E2k»). Усяго было створана чатыры асноўных тыпу працэсараў. Такім чынам, «Эльбрус» (працэсар): параўнанне мадэляў прыведзена ў табліцы ніжэй.

«Эльбрус-4с»

Адной з апошніх удалых распрацовак кампаніі МЦСТ стаў працэсар «Эльбрус-4с». Яго архітэктура заснавана на арыгінальнай распрацоўцы, базай для якой паслужыла микроархитектура VLIW. За працэсы вылічэнні адказваюць 4 ядра па 800 МГц, кэш-памяць па 2 Мб на кожным ядры.

Нягледзячы на ўяўную архаічнасць ў плане тэхналогіі вытворчасці (вялікія памеры, невялікая частата, тэхпрацэс «мінулага стагоддзя» 65 нм), эфектыўнасць электроннага прылады параўнальная з працэсарамі Intel серыі «i». Пры меншым спажыванні магутнасці (45 Вт) яго прадукцыйнасць складае да 50 Гфлопс. Для параўнання: старэйшая мадэль Intel Core i7-975 Extreme Edition мае прадукцыйнасць 53 Гфлопс пры значна вялікіх частотах і энергаспажыванні. Гэты сучасны рускі працэсар «Эльбрус» 2014 года выпуску прайшоў пакладзеныя выпрабаванні і выйшаў у серыю.

«Эльбрус-8С»

Падобна на тое, час эвалюцыі скончылася, надышла чарга рэвалюцыйнага для айчыннай мікраэлектронікі прарыву. ЗАТ «МЦСТ» сумесна з Інстытутам электронных кіраўнікоў машын распрацавала і выпусціла інжынерныя ўзоры прадукту новага пакалення. Да прамысловай вытворчасці рыхтуецца працэсар «Эльбрус 8с», які ствараецца па 28-нанаметроваму тэхпрацэсу.

Працаваць прыладу будзе ў пары з кантролерам таксама айчыннай распрацоўкі КПІ-2. Хоць кантролер пакуль выпускаецца па 65 нм тэхпрацэсу, ён падтрымлівае тры гігабітных сеткавых кантролера Ethernet, 20 ліній шыны PCI-Express 2.0, восем USB-партоў 2.0, восем SATA-партоў. Абмен дадзенымі з працэсарам складае 16 Гб / сек.

Тэхнічныя характарыстыкі

Вытворца раскрыў асноўныя характарыстыкі найноўшай сістэмы «Эльбрус»:

• Працэсар - 8 ядраў без гипертрединга.
• Пляц крышталя - 350 мм ^2.
• Кэш другога ўзроўню для кожнага ядра - 512 Кв.
• Кэш трэцяга ўзроўня з'яўляецца агульным - 16 Мб.
• Выкананне за такт - 30 аперацый.
• Частата тактавая - 1,3 Ггц, пры гэтых параметрах гарантуецца бесперабойная праца ўсіх ядраў неабмежаваны час, нават пры стоадсоткавай загрузцы.
• Прадукцыйнасць (пікавая) - 250 Гфлопс.
• Магутнасць - 60-90 Вт.
• Ліцэнзійная незалежнасць ад Intel, пры гэтым забяспечана падтрымка асноўных аперацыйных сістэм з архітэктурай x86 / x86-64.

Як бачым, расійскі працэсар "Эльбрус" апошняга пакалення ў пяць разоў прадукцыйней мадэлі 4С.

архітэктура

У якасці найважнейшага выніку кампанія ЗАТ МЦСТ распрацавала арыгінальную мікрапрацэсарную архітэктуру «Эльбрус». Працэсар арыентаваны на атрыманне максімальнай для дадзеных апаратных рэсурсаў паказчыкаў прадукцыйнасці. У агульнай класіфікацыі яна ставіцца да катэгорыі архітэктур, якія выкарыстоўваюць прынцып шырокага каманднага словы VLIW (Very Large Instruction Word), калі кампілятар фармуе для паралельнага выканання паслядоўнасці груп каманд (шырокія камандныя слова), у якіх адсутнічаюць залежнасці паміж камандамі ўнутры групы і зведзены да мінімуму залежнасці паміж камандамі ў розных групах.

Такім чынам, руская працэсар «Эльбрус» ў высокай ступені выкарыстоўвае паралелізм на ўзроўні аперацый, які прысутнічае ў дадзеным праграмным кодзе. У выніку дасягаецца вялікая архітэктурная хуткасць за кошт вызвалення апаратуры ад функцый распаралельвання, уласцівых суперскалярной архітэктуры, і перадачы іх аптымізуе кампілятару. Гэта абумовіла і іншую важную асаблівасць, уласцівую архітэктуры «Эльбрус» - нізкі ўзровень энергаспажывання апаратуры.

Нароўні з эфектыўным выкарыстаннем паралелізму аперацый у архітэктуры прылады «Эльбрус» закладзена рэалізацыя і іншых відаў (узроўняў) паралелізму, уласцівых вылічальным працэсу:

• паралелізму задач у многомашинных комплексах;
• паралелізму патокаў кіравання на агульнай памяці;
• вектарнага паралелізму.

Сумяшчальнасць з архітэктурай x86

У якасці прынцыповага патрабаванні да архітэктуры распрацоўшчыкі першапачаткова разглядалі забеспячэнне эфектыўнай двайковай сумяшчальнасці з дамінуючай архітэктурай мікрапрацэсара Intel x86. Яна рэалізуецца на базе схаванай дынамічнай трансляцыі і яе падтрымкі ў апаратуры мікрапрацэсара «Эльбрус». Таксама да вызначальным уласцівасцях новай айчыннай архітэктуры ставіцца развітая апаратная падтрымка абароненых вылічэнняў (модульнага праграмавання), істотна палягчае працу праграмістаў пры стварэнні вялікіх праграмных комплексаў з абмежаванымі тэрмінамі выканання.

практычнае прымяненне

Дзе ж плануецца прымяняць расійскія працэсары? Неабходна разумець, што дадзеная прадукцыя распрацоўваецца з адзінай мэтай - забяспечыць самадастатковую, незалежную ад паставак і ліцэнзавання мікраэлектроніку і вылічальную тэхніку. Кампутары на працэсары «Эльбрус» з падвышаным узроўнем бяспекі і абароненасцю ад кампутарных вірусаў запатрабаваны ў ваеннай прамысловасці, у службах бяспекі, важных дзяржаўных установах.

Між тым, сістэма дазваляе ўсталёўваць звыклыя Windows і Linux, што адкрывае шлях калі не да радавому спажыўцу, то да карпаратыўнаму сектару. Кампанія МЦСТ прапануе абароненыя кампутары і серверы, здольныя функцыянаваць у неспрыяльных навакольных умовах.