Эльбрус: из прошлого в будущее
Под гордым названием «Эльбрус» вышла серия суперкомпьютеров, которая была разработана советским ученым Всеволодом Сергеевичем Бурцевым (70–80-е). Эти компьютеры внесли ряд новшеств в теорию вычислительных машин, такие как суперскалярность (обработку более одной инструкции за один такт), реализацию защищенного программирования с аппаратными типами данных, параллельную обработку нескольких инструкций. Но главной особенностью советских суперкомпьютеров была их ориентация на языки высокого уровня. Советско-американский ученый Владимир Мстиславович Пентковский, участвовавший в разработке «Эльбрус», создал высокоуровневый язык программирования Эль-76.
Кроме усовершенствования сферы советских вычислительных машин, компьютер стал базой для создания 64-разрядных универсальных микропроцессоров «Эльбрус 4-С» и следующего поколения «Эльбрус 8-С». Они разбавили рынок американских производителей Intel, AMD и IBM. Локальная разработка и производство процессоров было обусловлено потребностью найти собственные решения для оборонной отрасли, где применение отечественных устройств более желательно.
Суперкомпьютер «Эльбрус»
История развития
Разработка архитектуры компьютера «Эльбрус» началась в 70-х в ИТМиВТ им. Лебедева. Перед разработчиками стояла задача создать вычислительную систему имеющую производительность 100 млн оп/с. Бурцев занимался системой управления и конструирования ЭВМ и стал главным конструктором проекта.
Всеволод Сергеевич Бурцев (1927- 2005 гг.) — советский академик, ученый в области систем управления и теории конструирования универсальных ЭВМ, главный конструктор первых советских суперкомпьютеров и вычислительных комплексов.
Бурцев прошел путь от простого инженера до директором Института точной механики и вычислительной техники Академии наук СССР. Ведущий разработчик первой быстродействующей электронно счетной машины. Ученому принадлежит около 200 научных трудов. За успехи и достижения в сфере науки, инженерии он удостаивался многих государственных наград (Ленинской и Государственной премии СССР, орденов Ленина, Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени).
Ученый сделал неоценимый вклад в развитие советских и российских ЭВМ высокой производительности, как и в сферу реализации многопроцессорных вычислительных комплексов. Бурцев также прославился работая заместителем главного конструктора ЭВМ Диана-1, Диана-2, М-40, М-60, 5Э92, 5Э92 б, 5Э51 и непосредственно главным конструктором вычислительных машин «Эльбрус», применявшихся при создании различных систем и средств специального назначения.
В 1980 г. «Эльбрус-1» с общей производительностью 15 млн оп/с успешно прошел государственные испытания. Это была первая ЭВМ в Советском Союзе, построенная на базе ТТЛ-микросхем. Особенностью машины стала масштабируемая архитектура, которая поддерживала одновременную работу до 10 процессоров. Оперативная память достигала 64 МБ (220 машинных слова). Организация передачи потоков данных между переферийными устройствами и оперативной памятью осуществлялась с помощью специальных процессоров ввода-вывода. Подобных процессоров в системе могло быть около 4-х и они обладали собственной памятью, работая параллельно с центральным процессором.
«Эльбрус-1» использовался во многих системах военного назначения — ПРО, Центре контроля космического пространства и т.д.
Следующим этапом в разработке компьютера «Эльбрус» стал перенос архитектуры первой модели на новую элементную базу. Таким образом возник «Эльбрус-2», который основывался на базе ЭЛС интегральных схем. Его производительность достигала 125 млн оп/с. Увеличился и объем оперативной памяти — до 144 МБ. Тактовая частота достигала 20 МГц.
В 1985 г. «Эльбрус-2» был запущен в серийное производство. Он применялся в областях, где требовались большие вычисления. Также компьютер активно использовали в оборонной отрасли, в Центре управления космическими полетами и в ядерных исследовательских центрах (в Арзамасе-16, в Челябинске-70). С 1991 г. компьютер работал в системе противоракетной обороны А-135 и на других военных объектах.
Суперкомпьютер «Эльбрус-2»
Вместе с суперкомпьютерами выпускалась и ЭВМ общего назначения «Эльбрус 1-КБ» (1988 г.). Эти машины пришли на замену БЭСМ-6 с которыми у них существовала полная обратная программная совместимость. Ее дополнили новым режимом работы с увеличенной разрядностью чисел и адресов.
Сравнительная характеристика БЭСМ-6 и «Эльбрус 1-КБ»
| Характеристика | БЭСМ-6 | «Эльбрус 1-КБ» |
| Производительность (млн. оп/с) | 1 | 2,5 — 3 |
| Частота, МГц | 10 | 20 |
| Разрядность, бит | 48 | 48 |
| Разрядность адресации ОЗУ, бит | 15 | 15 |
| Объём ОЗУ, МБ | 0,032–0,128 | 0,77 |
| Объём дискового ЗУ, МБ | 116 | 58 |
| Занимаемая площадь, м2 | 150–200 | 250 |
| Потребляемая мощность, кВт | 30 | 105 |
| Всего выпущено | 355 | 60 |
Следующим был выпущен «Эльбрус-3», в котором разработчики впервые реализовали «постсуперскалярный» подход. Этот компьютер разрабатывался с 1986 по 1994 гг. сотрудниками ИТМиВТ под руководством советского ученого Бориса Арташесовича Бабаяна.
«Эльбрус-3» не был выпущен в серийное производство, но его архитектура вошла в основу развития микропроцессоров Эльбрус 2000 и Эльбрус-3М1.
Серия Эльбрус было по достоинству оценена советским руководством. Разработчики Бабаян, Бурцев, Бардиж получили премии и ордена. Остальные участники работы также были награждены государственными премиями.
Эра процессоров МЦСТ
Российская компания МЦСТ была основана в 1992 г. на базе коллектива разработчиков «Эльбрус-3». Она стала правопреемником ТОО «Московский центр SPARC-технологий» (отсюда и название МЦСТ). Аббревиатура SPARC пришла от основного партнера МЦСТ американской корпорации Sun Microsystems, продвигающей вычислительные машины с архитектурой SPARC.
МЦСТ производила микропроцессоры с архитектурой SPARC (МЦСТ-R100, МЦСТ-R150, МЦСТ-R500 и МЦСТ-R500S) и на их базе создавали вычислительные системы. Но в 2007 г. вышел одноименный процессор «Эльбрус». Пиковая производительность устройства в 64-разрядном режиме достигала 2,4 GFLOPS. Рабочая тактовая частота была 300 МГц. В процессоре было 75,8 млн транзисторов. Рассеиваемая мощность 6 Вт.
Процессор «Эльбрус»
На основе процессора был разработан вычислительный комплекс «Эльбрус-3М1», применявшийся для оборонной отрасли. Этот комплекс предоставлялся с защищенной операционной системой МСВС-Э (Мобильная система Вооруженных Сил), базирующейся на Linux версии 2.6.14. «Эльбрус-3М1» был обратно совместим с первым и вторым «Эльбрусами».
Вычислительный комплекс имел два варианта конструктивного исполнения — серверный, который можно было использовать как настольный и в исполнении CompactPCI (системной шины). В основе серверного варианта лежало устройство вычислителя УВ 3М1. В случае CompactPCI «Эльбрус-3М1» занимал два модуля формата «Евромеханика» 6U. Аппаратура исполнения обоих вариантов оснащалась сетевым оборудованием для сверхскоростных обменов с аналогичными вычислительными комплексами.
В 2010 г. на выставках «ChipEXPO-2010» и Softool общественности была представлена система на кристалле «Эльбрус-S». В данном процессоре увеличилось количество транзисторов — до 218 млн. Также до 500 МГц поднялась тактовая частота и выросла пиковая производительность: до 4 GFLOPS в 64-разрядном и до 8 GFLOPS в 32-разрядном режимах.
Вместе с «Эльбрус-S» был представлен контроллер периферийных интерфейсов (КПИ).
Процессор «Эльбрус-S»
В 2011 г. МЦСТ презентовала двухъядерный процессор следующего поколения «Эльбрус-2С+». Помимо 2 основных ядер (архитектура Эльбрус), работающих на тактовой частоте 500 МГц, в модели присутствовало еще дополнительных 4 ядра встроенного цифрового сигнального процессора (архитектура Мультикор). В процессор был добавлен канал ввода/вывода, с помощью которого возможно подключить еще один КПИ. Также «Эльбрус-2С+» дополнила поддержка памяти DDR2 с эффективной частотой 800 МГц. Выросла производительность процессора — до 28 GFLOPS в 32-разрядном режиме. Количество транзисторов достигло 368 млн.
Разработчики реализовали версию компилятора языка C, чтобы воспроизводить код для ядер DSP и наладить эффективное взаимодействие основной программы на ядрах CPU и действий на DSP.
По расчетам создателей, «Эльбрус-2С+» должен был использоваться в системах цифровой интеллектуальной обработки сигнала (радары, анализаторы изображений и т.д.). Но процессоры оказались лучше адаптированными под гражданские задачи. К примеру, компанией Kraftway была запущена тестовая серия моноблочных компьютеров на базе кристаллов «Эльбрус-2С+».
Процессор «Эльбрус-2С+»
Процессор «Эльбрус-4С»
В апреле 2014 г. компания представила усовершенствованные четырехъядерные процессоры «Эльбрус-4С».
Технические характеристики «Эльбрус-4С»
| Технологический процесс | 65 нм |
| Число ядер архитектуры | 4 |
| Тактовая частота | 800 МГц |
| Пиковая производительность | 64 разряда — 25 GFLOPS 32 разряда — 50 GFLOPS |
| Кэш-память команд 1-го уровня | 128 КБ |
| Кэш-память данных 1-го уровня | 64 КБ |
| Кэш-память 2-го уровня | 8 МБ |
| Организация оперативной памяти | До 3 каналов DDR3–1600 ECC |
| Пропускная способность каналов оперативной памяти | 38,4 ГБ/с |
| Рассеиваемая мощность | До 60 Вт |
| Количество транзисторов | 986 млн |
В первую очередь стоит обратить внимание на переход производства процессора на 65 нм технологический процесс. Также возросла и тактовая частота, пропускная способность каналов оперативной памяти. Эти и другие улучшения существенно повлияли на рост производительности новых процессоров. Каждое ядро за один такт способно исполнить до 23 операций. В операциях с плавающей запятой пиковая теоретическая производительность четырёх ядер составляет около 50 GFLOPS одинарной точности и 25 GFLOPS двойной точности. Если сравнивать с предыдущей моделью «Эльбрус-2С+», то в 64-разрядном режиме — это более чем в три раза выше. В новом процессоре более сложный кристалл, который содержит 986 млн транзисторов, имеет полезную площадь в 380 мм2.
Процессор «Эльбрус-4С»
Специалисты МЦСТ создали собственную операционную систему «Эльбрус» специально под выпущенный процессор. ОС основывается на базе ядра Linux версии 2.6.33. В ее составе насчитывается свыше 3000 программных пакетов (из дистрибутива Debian 5.0) и есть менеджер пакетов. Включен полный набор инструментов разработчика, в том числе и компиляторы оптимизации для языков программирования высокого уровня С, С++, Фортран-77 и Фортран-9.
ОС «Эльбрус» была сертифицирована по второму классу защиты от несанкционированного доступа и второму уровню контроля за недекларированными возможностями. Но компьютеры на базе процессоров «Эльбрус-4С» работают и с версиями ОС Windows.
Тандем процессора и настольного компьютера
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»
Разработкой процессора «Эльбрус-8С» занимается Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ) им. И.С. Брука совместно с компанией МЦСТ. 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 МГ. Предполагаемая производительность достигает 250 GFLOPS.
Технические характеристики «Эльбрус-8С»
| Технологический процесс | 65 нм |
| Число ядер архитектуры | 8 |
| Тактовая частота | 1.3 ГГц |
| Пиковая производительность | 64 разряда — 125 GFLOPS 32 разряда — 250 GFLOPS |
| Кэш-память 2-го уровня | 512 КБ |
| Кэш-память 3-го уровня | 16 МБ |
| Количество контроллеров памяти | 4 |
| Организация оперативной памяти | DDR3–1600 ECC |
| Пропускная способность каждого канала межпроцессорного обмена | 8 ГБ/сек |
| Рассеиваемая мощность | 60 — 90 Вт |
| Площадь кристалла | 350 мм2 |
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.
