`Эльбрус` - процессор российского производства. Технические характеристики и история создания

С момента зарождения вычислительной техники

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 вычислительные машины (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 элементная база были полностью отечественной разработки. Система базировалась на быстродействующих интегральных схемах с эмиттерно-связанной логикой серии ИС-100. Производительность «Эльбрус-2» в десятипроцессорной конфигурации составляла 125 млн. операций в секунду.

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

«Эльбрус-3»

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

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

Новейшее время

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

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

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

«Эльбрус-4с»

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

Несмотря на кажущуюся архаичность в плане технологии производства (большие размеры, небольшая частота, техпроцесс «прошлого века» 65 нм), эффективность электронного устройства сравнима с процессорами Intel серии «i». При меньшем потреблении мощности (45 Вт) его производительность составляет до 50 Гфлопс. Для сравнения: старшая модель Intel Core i7-975 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 шины PCI-Express 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 мм².
• 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.