Новые российские компьютеры: характеристики, подробности, разъяснения

[first_i]

Новые российские компьютеры: характеристики, подробности, разъяснения

Итак в России ЗАО "МЦСТ" и ОАО "ИНЭУМ им. И.С.Брука" на 9 Международной выставке "ChipExpo-2011", которая проходит в г. Москве в период с 1 по 3 ноября 2011 года в Центральном выставочном комплексе "Экспоцентр", демонстрируют новые процессоры, персональные компьютеры, ноутбуки и другую электронику работающую на микроэлектронике и процессорах собственного производства.

Компьютеры предназначены в основе своей для: индустрии гражданского производства; военных ведомств России, СНГ и БРИК; радиолокационных систем гражданского назначения (морского, воздушного, наземного транспорта). Для гражданских лиц и бизнеса, где необходимо устанавливать компьютеры особо защищённые и надёжные. Компьютеры имеют разное конструктивное исполнение. Разный класс по защищённости в зависимости от потребности. Все компьютеры имеют поддержку или возможность работы с ГЛОНАСС и GPS, в зависимости от потребностей покупателя.

В заметке, попытаюсь, объяснить принципы работы Российских компьютеров и процессоров, а так же, области применения новинок.

Итак кратко пройдёмся по новинкам, потом разберём в подробностях и особенностях российских процессоров и как их сравнивать.

[align=justify]Эльбрус-2С+ - первый гибридный высокопроизводительный микропроцессор фирмы МЦСТ. Он содержит 2 ядра архитектуры Эльбрус и 4 ядра цифровых сигнальных процессоров (DSP) фирмы Элвис. Основная сфера применения процессора Эльбрус-2С+ - системы цифровой интеллектуальной обработки сигнала, такие как радары, анализаторы изображений и т.п.

По сравнению с процессором Эльбрус-S, в процессор Эльбрус-2С+ были введены следующие изменения:

[*]Число ядер архитектуры Эльбрус увеличено до 2.

[*]Кэш-память 2-го уровня уменьшена до 1 МБ на ядро.

[*]Добавлен кластер из 4 ядер DSP, работающих на той же частоте.

[*]Поддерживаемый тип памяти изменён на DDR2-800, пропускная способность улучшилась на 60%

[*]Добавлен ещё один канал ввода-вывода. К нему можно подключить дополнительный южный мост КПИ или специализированное устройство, например контроллер ЦАП/АЦП.

[*]Для гибридного процессора реализована версия компилятора с языка Си, позволяющая компилировать код для ядер DSP и обеспечивать эффективное взаимодействие основной программы, исполняющейся на ядрах CPU, и процедур для DSP.

Новейший 4 ядерный микропроцессор "МЦСТ R1000" («МЦСТ-4R» рабочее название)

Микросхема «МЦСТ-4R» представляет собой четырехядерную систему на кристалле с встроенными общим кэшем второго уровня, и контроллером когерентности, контроллером канала ввода-вывода, системным коммутатором и контроллерами межсистемного обмена. Микросхема построена на базе разработанной ранее в ЗАО «МЦСТ» системы на кристалле «R-500S»

Микросхема и разрабатываемые на ее базе процессорные модули МВС4/С, МВС4-РС предназначены к использованию в совместимых с ВК «Эльбрус-90микро» высокопроизводительных вычислительных комплексах для автоматизированных систем управления, а также для создания высокопроизводительных одноплатных компьютеров носимых и встроенных приложений.

К возможным областям применения микросхемы «МЦСТ-4R» и модулей МВС4/С, МВС4-РС относятся:

[*]Носимые малогабаритные бытовые компьютеры для использования в качестве:

- компьютера для работы в полевых условиях, в частности для выполнения оперативных расчетов, хранения справочной информации, подготовки документов различного назначения и др.;

- терминала радиоэлектронных и связных систем, передвижных и носимых комплексов аппаратуры,

- терминала контрольно-поверочной аппаратуры на технических позициях, а также в качестве устройства хранения и подготовки документов, связанных с эксплуатацией сложных комплексов, др. применений.

[*]Компьютеров автоматизированных рабочих мест операторов для использования в качестве средств отображения, документирования выполняемой работы и др.

[*]Встраиваемые управляющие компьютеры для решения задач обработки информации и управления работой специальных объектов в реальном масштабе времени

[*]Класс мобильных отказоустойчивых серверов для построения автоматизированных систем специального .назначения, в частности, АС органов гражданского и военного управления.

CPU0 ... CPU3 – четыре процессорных ядра;

L2 cache – кэш память второго уровня;

CC – контроллер когерентности

MC – контроллер оперативной памяти DDR2 SDRAM;

IOCC – контроллер канала ввода-вывода;

ISCC – контроллеры межсистемного обмена;

SCom – системный коммутатор.

Встраиваемые компьютеры (модули) и готовые изделия на базе микропроцессора МЦСТ R500S

Для индустриальных применений разработан модуль МУП/С. Модуль выполнен в формате «Евромеханика» высоты 3U с шиной CompactPCI и имеет все необходимые компоненты: процессор, память, видеоадаптер, жёсткий диск, внешние интерфейсы.

МЦСТ разработал модель тонкого клиента с малыми габаритами и энергопотреблением

Тонким клиентом называется устройство ввода и отображения информации (терминал/мини компьютер). Физически тонкий клиент это компактный и бесшумный компьютер без жесткого диска (и без вентиляторов), загрузка основной операционной системы которого происходит на сервере. Все пользовательские приложения выполняются на терминальном сервере (сервере приложений), но для пользователя это совершенно прозрачно. Так как вся вычислительная нагрузка ложится на сервер, то тонкий клиент обладает минимальной аппаратной конфигурацией без какого-либо ущерба производительности.

Для чего применяются тонкие клиенты?

[align=justify]Тонкие клиенты применяются в организациях, где большинство пользователей используют компьютеры для выполнения однотипных задач: работа с базами данных, информационные каталоги (магазины, аптеки, библиотеки), работа в качестве банковских терминалов и т.д. Внешний вид слева тонкий клиент от японского производителя NEC справа от МЦСТ.

Носимый терминал (защищённый ноутбук)

Разработан на основе модуля МПЯ2.

Особенности модуля:

[*]низкая потребляемая мощность (27Вт)

[*]большой диапазон рабочих температур

[*](-20…+50 градусов)

[*]устойчивость к ударам (до 100g)

[*]герметичность

Сразу скажу, что корпус на представленной модели временный, это тестовый экземпляр серийно выпускаемые корпуса российских компьютеров вы можите увидеть на фото ниже. Для сравнения слева ноутбук в защитном исполнении от ЗАО "МЦСТ", а справа от Panasonic.

Вообщем корпус ноутбука можно сделать любым, главное что бы он проходил по стандартам запроса потребителя. В данном случае нужен хорошо защищённый и противоударный ноутбук.

Теперь давайте разберёмся по некоторым вопросам и заявлениям типа: совсем не айФфон, не гламурно как-то, где место для ручек, частота 400-1000 МГц отстой, креведкО опечален мигагерцами, наконец-то начали, печалька, тормозит и т.д..

Конечно это не Айфон, тут спорить не буду, производитель процессоров не Китай, а Россия. И, хочу заметить, Россия компьютеры и процессоры делает не впервые! А постоянно. Многие инженеры выученные и взрощенные в России(СССР) работают за границей и разрабатывают, как програмное обеспечение, так и сами компьютеры с процессорами. Если взять всем известный Intel Pentium то и там наши, отечественные, корни и разработки. Например всем известный Sun, по словам Б.А. Бабаяна (бывший руководитель и разработчик "Эльбруса"), 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. Большое заблуждение, что ЗАО "МЦСТ" единственный производить процессоров в России, это совсем не так. На вскидку некоторые производители, которые производят процессоры:

НПЦ "ЭЛВИС"-производство чипов и процессоров, микроэлектроники. Используются в Российских ПК, СКУД и другой малой бытовой технике.Работают в связке с ОАО "АНГСТРЕМ-Т" изготовление чипов и микросхем по 0.13-мкм проектным нормам. Готовятся линии по 0.9-мкм проектным нормам, под руководством "Ситроникс".

Самый известный процессор у производителя NVCom-01 ("Навиком") , является программируемой трехпроцессорной "системой на кристалле" со встроенной функцией 48-канальной ГЛОНАСС/GPS навигации. Микросхема спроектирована по технологии 0,13 мкм на базе IP-ядерной платформы "МУЛЬТИКОР", размеры кристалла 8.8 * 9.5 мм*мм, ~60 млн. транзисторов. Микропроцессор NVCom-01 позволяет замещать высокопроизводительные DSP процессоры зарубежного производства, в том числе микросхемы ADSP TS201 (ADI), ряд микросхем серии OMAP (TI), навигационные микросхемы SiRF Atlas-III (SiRF). Ориентирована для массового изготовления на перспективном отечественном микроэлектронном производстве ОАО "АНГСТРЕМ-Т" по 0.13-мкм проектным нормам.Является программируемой трехпроцессорной "системой на кристалле" со встроенной функцией 48-канальной ГЛОНАСС/GPS навигации. Микросхема спроектирована по технологии 0,13 мкм на базе IP-ядерной платформы "МУЛЬТИКОР", размеры кристалла 8.8 * 9.5 мм*мм, ~60 млн. транзисторов. Микропроцессор NVCom-01 позволяет замещать высокопроизводительные DSP процессоры зарубежного производства, в том числе микросхемы ADSP TS201 (ADI), ряд микросхем серии OMAP (TI), навигационные микросхемы SiRF Atlas-III (SiRF). Ориентирована для массового изготовления на перспективном отечественном микроэлектронном производстве ОАО "АНГСТРЕМ-Т" по 0.13-мкм проектным нормам.

Что бы говорить более конкретно, процессоры и модульные устройства на базе этих процессоров, признаны в России одними из лучших. В Санкт-Петербурге комплект «Мультиборт» получил высокие оценки международных экспертов из ESA, NASA, University of Dundee, Astrium. Именно с использованием микросхем комплекта на ISC-2010 была впервые продемонстрирована отечественная разветвленная SpaceWire сеть, обеспеченная местом Администратора сети разработки МиТ.

Вместе со специалистами из мировых космических агентств (ESA, NASA, JAXA) специалисты НПЦ «ЭЛВИС» и ГУАП активно участвуют в работе Международной рабочей группы (ESA, Голландия) по совершенствованию и дальнейшему развитию стандарта SpaceWire, в том числе по разработке гигабитной версии нового перспективного стандарта с гальванической развязкой, предварительно названной «SpaceFibre».

КБ «Корунд-М» —специализирующееся на сборке различных электронных модулей компьютеров, процессоров и чипов, в том числе военного применения и жестких условий эксплуатации, проектировании и изготовлении сложных, высоконадёжных электронных устройств и узлов вычислительных машин. На фото процессор для ПК и ноутбуков "Багет-супер" и материнка.

НТЦ «Модуль» — предприятие, образованное в 1990 году предприятиями ВПК — НПО «Вымпел» и НИИ Радиоприборостроения. Занимается прикладными исследованиями в области распознавания образов и разработкой аппаратных средств цифровой обработки сигналов и изображений и построении на их основе функционально законченных вычислительных комплексов. Разработчик широко известной серии микропроцессоров НейроМатрикс. Встраиваемые компьютеры разработки НТЦ «Модуль» применяются в индустриальных системах, бортовой авионике и космических приложениях. Особы защищённые ПК распространяются среди ведомств. В частности МВС186 установлен на модуле «Заря» Международной космической станции, а также на сервисном модуле МКС, телекоммуникационном спутнике «Ямал».

Хочу заметить, что НТЦ ”Модуль” предоставила германскому подразделению фирмы Fujitsu (Fujitsu Microelectronics Europe GmbH) лицензию на ядро процессора NeuroMatrix Core, ориентированное на применение в системах обработки сигналов и на построение нейронных сетей. Оно может использоваться в различных мультимедийных и телекоммуникационных устройствах (например, в декодерах MPEG-4).

Подразделение Fujitsu получило неисключительные права на использование NeuroMatrix Core на территории ЕС (патентная лицензия на 4 года). Сумма контракта не объявлена, но подобные соглашения обычно стоят от 250 тыс. до 1 млн. долл. плюс отчисления от продаж.

Представитель ”Лицензинторга” отметил, что соглашение между НТЦ ”Модуль” и Fujitsu - первое за последние годы соглашение об экспорте российского высокотехнологичного продукта в области микроэлектроники, хотя соглашений об импорте подобных технологий было заключено очень много. Вообщем я могу долго рассказывать о российских производителях процессоров и чипов, но суть надеюсь поняли, что мы на этом направление были, есть и будем. Теперь поговорим о внешнем виде. Многие упрекают , что компьютеры рублённые квадратные и т.д. И что по размерам материнская плата влезит только на носилки и транспортировать компьютер можно будет только на тракторе. Полная чушь. Например в России есть компания ЗАО «ГРАНИТ-ВТ», она делает различные компьютеры, в основе своей встраиваемые. Конечно же такие компьютеры нужны для производства, но просто посмотрим на фото, какой одноплатный компьютер им удалось сделать.

На фото ГРАНИТ-ВТ Модуль ВМ503 предназначен для работы в качестве встраиваемого малогабаритного бортовой ПК автоматических и автоматизированных систем управления подвижных объектов, промышленных систем управления и сбора данных, а также других систем, работающих в сложных условиях эксплуатации... Процессор у компьютера от производителя ЗАО "МЦСТ". Теперь вернёмся к гламурности. Стандартные корпуса от производителя для бытовых и гражданских нужд от ЗАО "МЦСТ" выглядят так:

Рядом на фото то, что встраивается в обычный корпус. Слоты унифицированы. Можно купить любой корпус на свой вкус, хоть из золота и со стразами, если это кому-то надо. Самые простые варианты гражданских ПК, типа "Эльбрус" выглядят так.

Внутри стандартная материнская плата, знакомых типоразмеров. Единственное Российские процессоры не нуждаются в водяном и обычном охлаждении, вентиляторов на процессорах вы не увидете. Внутри вот что:

Слоты расширения стандартные PCI и S-BUS. ATI Rage128 работает на Эльбрус-90микро, наши процессоры переваривают на ура данную карточку. Жёсткий диск HDD и дисковод CD-Writer работают.

Теперь о производительности и мегагерцах. Часто люди не совсем правильно понимают тактовой частоту например 150-200-300-400 или 1000 МГц на Российских процессорах, сравнивая её с зарубежными аналогами. Тактовая частота Российских процессоров невысокая - компенсируется зато она «явно параллельной» архитектурой (EPIC). Некоторые Российские процессоры на 300 МГц в среднем в 1,5 или 2 раза быстрее, чем на Pentium 4/1,4 ГГц. Начнём с простых примеров и маленьких цифр "дорогие мои миллионы" (с)...

В своё время, НТЦ "Модуль" процессор NM6403 NeuroMatrix частота ядра 40 мГц устроили спаринг(тест драй как сейчас модно) с Intel Pentium II процессором с частотой ядра 300 мГц, и жёстко накаутировал последнего, созданный в "Модуле" микропроцессор представляет собой гибрид так называемого RISC - процессора с массово-параллельным сверхбыстродействующим вычислителем. Получившаяся в результате такого "скрещивания" архитектура идеально подходит для задач цифровой обработки сигналов и моделирования нейронных сетей. В этом взаимодействии заключается основное отличие российской разработки от всех мировых микропроцессоров, разрядность у NeuroMatrix - произвольная от 1 до 64 бит, что позволяет обрабатывать большее количество слов в процессоре одновременно - это как раз тот самый параллелизм в вычислениях. В итоге на NM6403 можно добиться такой производительности, которая сравнима или даже превосходит все известные марки микропроцессоров.

Для примера можно привести тест производительности "Преобразование Собеля", которое используется в системах обнаружения и классификации объектов. NM6403 выполняет его со скоростью 68 кадров в минуту. Процессор TMS320C40 американской фирмы Texas Instruments, имеющий тактовую частоту 50 мГц, выполняет это преобразование со скоростью 6,8 кадра в секунду, Intel Pentium с частотой ядра 200 мГц выполняет ту же операцию со скоростью 21 кадр в секунду. И это при том, что рабочая частота ядра NeuroMatrix - всего 40 мГц.

Другой тест - "Преобразование Фурье". Российский процессор делает преобразование для 256 точек за 102 микросекунды, TMS320C40 - в четыре раза медленнее, Intel Pentium II с тактовой частотой 300 мГц - в два раза медленнее.

Причина такой высокой производительности NM6403 в том, что разработчики из НТЦ "Модуль" пошли по пути совершенствования архитектуры, а не по пути наращивания тактовой частоты и объемов кэш-памяти. В результате процессор при выполнении любой операции максимально задействует все свои ресурсы, что и позволяет ему "бить" по скорости и производительности Intel Pentium, обладающий в восемь раз более высокой тактовой частотой. Но это, могут возразить специалисты, синтетические - специальные лабораторные тесты производительности. Если же говорить о жизненном применении российской разработки и ее эффективности, скорости в работе, то представьте себе такую ситуацию. Видеокамера с встроенным NM6403 установлена на Московской кольцевой автодороге и следит за автомобильным движением.

При этом она способна мгновенно распознать марку, цвет, размеры и номерной знак каждого из автомобилей, на огромной скорости пролетающих мимо нее по всем восьми полосам движения. Причем она не только распознает каждую отдельную машину, выяснит, проходил ли водитель техосмотр или находится ли это автотранспортное средство в угоне, но и передаст всю информацию на ближайший пост ГИБДД. Кстати, на международной космической станции "Альфа", в российском блоке "Заря" уже установлен бортовой вычислительный комплекс на основе NM6403 NeuroMatrix, который прекрасно взаимодействует с привычными для всех ЭВМ западного производства.

Созданный на "Модуле" чип можно поставить и в обычный домашний компьютер. Но в этом случае получится выстрел из пушки по воробьям. По его мнению, для бытовых нужд трудно придумать такие задачи, которые обосновали бы необходимость нахождения этого чипа в обычном процессоре. NM6403 предназначен для проведения исследовательских проектов, решения прикладных задач, шифрования и дешифрования, обработки информации, поступающей с космических аппаратов в реальном масштабе времени.

В Голицыне, где расположен центр обработки такой информации, и где ее объем, приходящийся на одного оператора, равен всем передачам Центрального телевидения за год непрерывной работы, чип НТЦ "Модуль" пока не стоит. Но по своим возможностям он способен "перелопатить" и всю эту, и еще много дополнительной информации. Конечно процессоры устаревшие, но этот пример я привёл для того, что бы было понятно, что частоту наших процессоров можно смело умножать на 2. а то и на 3, в зависимости от задач по производительности. И тогда будет, примерно, равная производительность процессоров по гигагерцам. Возьмём более свежее тестирование, на Гос. испытаниях процессоров, например, «Эльбрус-3М»/300 МГц в среднем превосходит производительность Pentium II/300 МГц в 1,75 раза и на 17% выше, чем у Pentium III/450 МГц. На более широком классе задач производительность ВК «Эльбрус-3М» при исполнении кодов IA-32 сравнима с производительностью процессоров Pentium II, Pentium III и Pentium IV, работающих в диапазоне частот 300-1500 МГц. На одной из выставок компьютеры типа "Эльбрус" представили президенту РФ Дмитрию Медведеву, в присутствии журналистов, программистов, геймеров на компьютере запустили тест SPEC, он очень высоко оценил производительность и компактность компьютеров. Обычные пользователи с радостью протестировали на нём оболочку Windows и Microsoft Office. Геймеры с удовольствием протестировали любимые игры типа Quake, косынку и прочее... Сегодня на «Эльбрус-3М» работает около 20 операционных систем в кодах IA-32, MS-DOS, Windows, Linux, FreeBSD, QNX, ОС «Эльбрус», ОС "МСВС", ОС Ubuntu и т.д. Под управлением этих операционных систем на платформе «Эльбрус-3М» работает около тысячи приложений, в том числе компьютерные игры, программы из состава пакета Microsoft Office, видеоролики, программы компрессии данных, драйверы внешних устройств. Все это свидетельствует о надежности и полноте системы двоичной трансляции и её конкурентноспособности. Не стоит забывать, что западные аналоги процессоров х86 достигли своего предела производительности, и увиливают частоту процессора больше для коммерческого использования. Работоспособность увеличивается не так как им бы хотелось+ огромное выделение тепла, и как следствие, необходимость в мощных кулерах охлаждения или водяного охлаждения процессоров. Что выглядит энергозатратным, опасным, неудобным. Российские новые процессоры, типа шести ядерного процессора "Эльбрус-2С+" с тактовой частатой 500МГц и четырёх ядерного процессора "МЦСТ-4R" с тактовой частотой 1000МГц не нуждаются в таком охлаждении. А если вы хотите выразить своё мнение о их производительности, то как я выше вам уже писал, частоту процессора надо умножать в 2-4 раза, в зависимости от задачи поставленной перед ПК с его процессором. И вот только тогда вы примерно выйдете на цифру частоты нашего процессора, измеряя её в частотах зарубежных аналогов. Причём российские производители процессоров и одноимённых компьютеров типа "Эльбрус" разрабатывают не только многоядерные процессоры, но и многопроцессорные. На фото ниже можно увидеть материнскую плату сразу с четырьмя отечественными процессорами.

Такие компьютерные платы поставляли нам на юг, в адрес ОАО "Таганрогский завод "Прибой". Они выполнены с требованиями к жестким условиями эксплуатации. Используются для создания навигационных приборов для транспорта и военных. Процессорный модуль МВС/С содержит четыре двухядерных микропроцессора R-500S, таким образом представляя собой одноплатную 4-х машинную систему с общим количеством процессоров, равным восьми. Он выпускается и в варианте МВС/С-К с кондуктивным охлаждением.

Завод является четвертой организацией, которая применяет модули этого типа в разрабатываемых радиотехнических системах. Вообщем о компьютерах данных семейств, я могу расказывать ещё долго и нудно... Основная мысль, что процессоры и компьютеры у нас делали, делают и будут делать. На дворе "День народного единства" наступает, хотелось бы поздравить всех посетителей нашего портала с этим праздником. И тех кто делает и разрабатывает российскую микроэлектронику с праздником.

4pda.ru

[David Blaine]

Российских компьютеров и процессоров

спроектированные и выполненные на мощностях тайваньской TSMC

[-=Nik0=-]

Отличная новость!

[first_i]

Российских компьютеров и процессоров

спроектированные и выполненные на мощностях тайваньской TSMC

Такие вещи необходимо подкреплять фактами

[Gorn]

Приятно что Наши что то делают и делают впринципе не плохо, если бы не утечка "мозгов" Россия была бы на первых местах в плане электроники прочего, умеют наши думать и соображать, жаль государство видимо это не поощеряет...

[Neoki]

Что то я не видел российских компьютеров в продаже, это потому, что они хуже???

[Musashi]

Наши вроде не на TSMC, а на какой-то списанной Fab-** (забыл номер) штампуют)) давненько уже купили, я ещё в Зеленограде тогда жил, где как раз эти эльбрусы проектировали. Разрабатывали этот новый эльбрус в том числе бывшие студенты моей альма-матер))

[first_i]

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 многоуровневой иерархии памяти, кэш первого и второго уровня

поддержка мультипроцессорности (до 10 процессоров)

поддержка отладки, мониторинг производительности

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.

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

ИВМиМГ СО РАН

Опубликовано -- 5 июля 1999 года

[Вадимка]

first_i Улановка торт.

[Reallamos]

Бред типа лады калины.

[Musashi]

Бред типа лады калины.

Да нет, если бы старик ельцЫн раскошелился, то могли бы на ангстреме (зеленоград) в то время наладить производство, но надо было покупать оборудование, кадры были, целый институт под боком (МГИЭТ). И был бы у нас реально крутой VLIW процессор, круче Itanium'ов

[first_i]

Musashi Думаю ещё не всё потеряно

[Musashi]

Musashi Думаю ещё не всё потеряно

Да нет, я вам как специалист говорю, что это нужно было делать все 10 лет назад. Сейчас только реально можно у нас проектировать (думаю, бабаяновцы работают над этим), и производить уже на тайване, TSMC

[Vittore]

На русских компьютерах BolgenOS стоит?

[Musashi]

На русских компьютерах BolgenOS стоит?

Типа юморист? Три раза ха-ха

[Eugene]

У меня после этой статьи осталось ощущение, что нашу радиоэлектронную промышленность тонко облили грязью или она была написана лет 6-7 назад. Почему в 2011 году идет сравнение с десктопными мамонтами 15-7 летней давности? Если речь идет исключительно о промышленных и специальных системах, то почему вообще сравнивают исключительно с десктопными пентиумами? А если, как можно понять из статьи, их позиционируют и как перспективные процессоры для ПК, то почему не сравнивают с современными, но при этом заявляют про 2-4 кратное преимущество? Это при том что техпроцесс 90 нм, тогда как весь мир собирается с 45 на 28 нм переходить, а наши процессоры даже не требуют охлаждения, что наводит на мысли.

ATI Rage128 работает на Эльбрус-90микро, наши процессоры переваривают на ура данную карточку. Жёсткий диск HDD и дисковод CD-Writer работают.

Это мне больше всего понравилось - эпическое достижение, нобелевская премия как минимум.

ЗАО "МЦСТ", или кто там этот шедевр наваял, стоит нанять команду хороших маркетологов, потому что за такую "рекламу" надо расстреливать на месте.

[Вадимка]

У меня после этой статьи осталось ощущение, что нашу радиоэлектронную промышленность тонко облили грязью или она была написана лет 6-7 назад. Почему в 2011 году идет сравнение с десктопными мамонтами 15-7 летней давности?

Потому что российская радиоэлектронная промышленность была фактически разрушена после развала СССР. Ведь это очевидно.

Чтобы российские заводы с нуля начали штамповать конкурента Intel Core i7? Такого не бывает физически. Практически с нуля идет обучение азам.

А ржать над ребенком, который учится ездить на велосипеде и падает - это не по-мужски.

[Musashi]

У меня после этой статьи осталось ощущение, что нашу радиоэлектронную промышленность тонко облили грязью или она была написана лет 6-7 назад. Почему в 2011 году идет сравнение с десктопными мамонтами 15-7 летней давности?

Да потому, что процессор, фактически, проектировали в 90х. И только недавно купили устаревшую б/у фабрику для его производства.

Хорошо хоть это есть... Понятно, что Интел и АМД мы никогда не догоним, но какую-то свою узкую нишу можно закрыть, накопить опыт проектирования и уже что-то стоящее в тайване производить

[Neoki]

Понятно, что Интел и АМД мы никогда не догоним

Тогда никакого смысла нет тратить деньги на то, что никогда не будет востребовано и всегда будет хуже.

[StReLoK>LINUX 4 EVER,]

Щас налетят гламурные игруны и будут спрашивать про возможность запуска контры и крЫсиса.

[Musashi]

Понятно, что Интел и АМД мы никогда не догоним

Тогда никакого смысла нет тратить деньги на то, что никогда не будет востребовано и всегда будет хуже.

лолшто, читай ещё раз - "закрыть узкую нишу", "накопить опыт", "производить на Тайване по норм. техпроцессу".

Догнать не догоним, но на базе эльбруса можно сделать процессоры для тех же "тонких клиентов" (уж Intel Atom вполне реально догнать), для всяких там бытовых телевизоров-телефонов-навигаторов, военных изделий.

Дьявол только кроется в компиляторах...

[first_i]

военных изделий

Думаю это в первую очередь

[miha]

Вадимка

Сказал человек ничего в этом не понимающий.

[Eugene]

Да потому, что процессор, фактически, проектировали в 90х. И только недавно купили устаревшую б/у фабрику для его производства.Хорошо хоть это есть... Понятно, что Интел и АМД мы никогда не догоним, но какую-то свою узкую нишу можно закрыть, накопить опыт проектирования и уже что-то стоящее в тайване производить

Ну это понятно. Меня удивила сама статья - я было подумал что она заказная, приуроченная к выставке. Но нет - посмотрел источник получше, написана она дилетантом, страдающим истерическим патриотизмом и никакого отношения к разработчикам не имеющим.

Вот куда более адекватная и на мой взгляд более интересная статья:

В конце 90-х разработка микропроцессоров Elbrus 2k вполне могла бы соперничать с Intel Itanium, однако судьба распорядилась иначе. Что сегодня разрабатывается в Московском центре СПАРК-технологий?

Московский центр СПАРК-технологий известен своей разработкой Elbrus 2k конца 90-х годов, а сегодня системы МЦСТ базируются на двух семействах микропроцессоров: МЦСТ-R, совместимых со SPARC v8 и v9, и «Эльбрус» с архитектурой собственной разработки.

Компьютеры на МЦСТ-RОтечественные микропроцессоры: Elbrus E2K

Появившиеся весной 1999 года данные о процессоре E2K представляют большой интерес – в этих процессорах реализованы все основные особенности, позволяющие заявлять о наступлении эры новых микропроцессорных архитектур.

Первые поколения RISC-процессоров МЦСТ-R использовались в системах ПВО С-300 и С-400, что стало возможным благодаря, в частности, их низкому энергопотреблению; например модель R150 производилась по технологии 0,35 мкм, работала на частоте 150 МГц и имела тепловыделение меньше 4 Вт. Следующее поколение — модель R500, ее характеристики: частота 500 МГц, технология 0,13 мкм, потребление менее 1 Вт, конструктив двух- и четырехпроцессорного модуля в виде платы стандарта «Евромеханика» 6U, занимающей один слот Compact PCI (cPCI). Двухъядерная микросхема R-500S реализует концепцию системы на кристалле, в которой интегрированы, в частности, контроллер памяти и интерфейсы PCI, Ethernet, SCSI-2 и др. Энергопотребление данных процессоров, производимых в Юго-Восточной Азии, не превышает 5 Вт. В 2011 году госкомиссии должен быть сдан четырехъядерный процессор R1000 c архитектурой SPARC v9, который работает на частоте 1 ГГц и имеет суперскалярные ядра с пиковой производительностью 2 GFLOPS (на ядро), выполняющие до двух-трех команд за такт.

Диапазон поставляемых вычислительных систем на базе МЦСТ-R достаточно широк — от ноутбуков и одно- и двухпроцессорных компьютеров до встраиваемых многопроцессорных сPCI-систем и мобильных вычислительных комплексов. Все эти системы основаны на R500 и объединены под общим названием «Эльбрус-90микро».

Встроенные системы обеспечивают высокую компактность, однако по сравнению с серверами-лезвиями модули с формфактором сPCI слишком малы и в них нельзя применять многие стандартные компоненты (даже модули DIMM). Системы со шкафным исполнением могут иметь до четырех процессоров и до восьми слотов сPCI, а шкаф представляет собой герметичную, теплоизолированную, пыле- и влагозащитную конструкцию с системой подогрева и поддержания необходимого температурного режима. Высокопрочное шасси обеспечивает устойчивость к вибрации и ударным нагрузкам.

Микропроцессоры «Эльбрус»

В этом семействе с VLIW-архитектурой представлены две микросхемы: «Эльбрус» с частотой 300 МГц (технология 0,13 мкм, энергопотребление менее 6 Вт, пиковая производительность 2,4 GFLOPS) и «Эльбрус-С» (технология 90 нм, частота 500 МГц, реализация системы на кристалле). На рис. 1 представлена структура процессорного ядра «Эльбрус-С», а на рис. 2 — всей микросхемы.

В команде для «Эльбрус-С» имеется 16 простых команд по 4 байт каждая. Большинство операций выполняются над данными в регистрах. Регистровый файл емкостью 256 80-разрядных регистров имеет 20 портов чтения, 10 портов записи и реализован в виде двух одинаковых банков. Эти регистры применяются для целочисленных операндов и для операндов с плавающей запятой (данные с плавающей запятой могут быть представлены и в 80-разрядном формате). Кроме того, имеется файл регистров-предикатов на 32 предиката.

В «Эльбрус-С» имеется шесть арифметико-логических каналов, каждый из которых использует собственные функциональные исполнительные устройства (ФУ). В каждом канале имеется несколько ФУ, и, хотя на исполнение может выдаваться только одна операция на канал, она может работать с векторами, задействуя сразу несколько ФУ (практически все они являются конвейеризованными). Все шесть каналов имеют по одному целочисленному устройству. В каналах 0, 1, 3, 4 имеется по два ФУ с плавающей запятой: для умножения и для сложения. При выполнении операции типа «умножить и сложить» эти ФУ объединяются в единое целое, выдавая два результата с плавающей запятой двойной точности за такт. Итого в четырех каналах можно получить восемь результатов за такт, что является пределом для современных микропроцесоров — аналогичные результаты показывают Intel Sandy Bridge с AVX-расширением системы команд и IBM Power7.

Функциональное исполнительное устройство с плавающей запятой может работать с упакованными 32-разрядными числами с плавающей запятой как с двухмерными векторами, и в этом случае обеспечивается 16 результатов за такт. Кроме того, в канале 5 имеются ФУ, в которых реализуются деление целочисленное и с плавающей запятой, а также извлечение квадратного корня. Соответствующие результаты с плавающей запятой могут быть получены на каждом втором такте. Таким образом, пиковая производительность «Эльбрус-С» составляет не 4 GFLOPS, а 4,5 GFLOPS.

Целочисленных ФУ в «Эльбрус-С» много: шесть для простых целочисленных операций и еще шесть для операций сдвига и операций над отдельными битами. Допустимы векторные операции с упакованными 32-разрядными целыми, аналогичные соответствующим операциям с плавающей запятой. Все это способствует и высокой целочисленной производительности на такт. А всего имеется 27 ФУ, и, если к этому добавить одновременную отработку вне ФУ арифметико-логических команд перехода, работу с предикатами, асинхронную работу блока подкачки данных (АРВ), инкрементирование счетчика циклов и др., то не вызывает сомнения результат проведенного в МЦСТ сравнительного анализа «Эльбрус-С» с Itanium2: «Эльбрус-С» имеет более высокое число выполняемых за такт команд (IPC), даже по сравнению с Itanium 2/Poulson, который ожидается в 2012 году.

В главном конвейере всего девять стадий: вычисление адреса команды; два шага выборки из кэша команд; распаковка; дешифрация; проверка условий и передача адресов операндов; чтение операндов из регистров; выполнение (не менее одного такта); запись результатов в регистры. Предсказания переходов нет — для переходов применяются предикаты, однако имеются операции подготовки переходов, благодаря которым можно начать спекулятивное исполнение команд по нескольким адресам перехода. В этом случае задержка для команды перехода равна одному такту.

Одновременно на разных стадиях конвейера могут находиться на исполнении несколько сот операций, включая обращение в память (поддерживается одновременная обработка нескольких транзакций при обращениях по каналам в память), в том числе до 70 операций на стадии собственно выполнения. Если сюда добавить операции выполнения процедуры предварительной подкачки данных, то одновременно может выполняться несколько сотен 64-разрядных операций.

В иерархии неблокирующейся кэш-памяти представлены кэши команд и данных L1 емкостью по 64 Кбайт и смешанный кэш второго уровня емкостью 2 Мбайт. Кэши данных являются 4-канальными наборно-ассоциативными, а в кэше L2 применяется еще четырехкратное чередование адресов. Время доступа в кэш L1 — три такта, в кэш L2 — 9 тактов. Когерентность памяти по протоколу MOESI (Modified, Owned, Exclusive, Shared, Invalid) поддерживается для кэша L2 (для кэша L1 применяется упрощенный протокол когерентности).

В составе команд имеются операции предварительной выборки данных в L1 и L2. Запись данных в L1 — cквозная, в L2 — обратная. Емкость строки кэша L1 — 32 байт, L2 — 64 байт. Тракты связи с кэшами L1 и L2 имеют ширину 32 байт и работают на частоте ядра, что дает пиковую пропускную способность в 16 Гбайт/с у каждого. За один такт можно выполнить семь 64-разрядных чтений из кэша либо 8-2n 64-разрядных чтений и n записей, где n=1,2. При этом четыре из этих операций чтения могут быть только из кэша L2. Такая организация позволяет достигнуть суммарную пропускную способность кэша в 28 Гбайт/с, что важно для своевременного обеспечения операндами большого набора ФУ.

Емкость буфера быстрой переадресации (TLB) в «Эльбрус-С» — 1024 строки (вдвое больше, чем в «Эльбрус» первого поколения). TLB является одноуровневым, и, кроме стандартных страниц емкостью 4 Кбайт, поддерживает большие страницы — по 4 Мбайт.

Оригинальной особенностью микроархитектуры «Эльбрус» является применение устройства предварительной подкачки буфера (рис. 1). Подобного механизма предварительной подгрузки данных нет сегодня ни в одном из современных процессоров. Обычно применяются аппаратные средства предварительной выборки в кэш, но если бы они работали идеально, без блокировок, то не было бы надобности добавлять в систему команд операции предварительной выборки в кэши разных уровней. Разработчики «Эльбрус» пошли другим путем — они реализовали возможность выполнения асинхронно от основного потока команд еще и вспомогательного, ориентированного исключительно на работу с массивами в циклах. Коды вспомогательной программы подкачки данных могут быть сгенерированы компилятором.

Эта программа описывает правила обращения к элементам массива для их считывания асинхронным устройством предварительной подкачки. Считывание производится блоками, равными длине строки кэша, которые помещаются в буфер. Устройство предварительной подкачки может подкачивать данные из 64 различных массивов, допуская подкачку при выборке элементов массивов не последовательно, а «с шагом». Такой механизм может применяться при работе с циклами, включающими не только вещественные, но и целочисленные массивы. В «основной части» программы для выборки данных из буфера в регистры применяются специальные операции пересылки, которых (для 64-разрядных данных) может быть до четырех. Из-за большой разрядности команды кодирование в ней операций пересылки «не мешает» закодировать в ней же операции, обеспечивающие полную загрузку арифметико-логических каналов, и операции, выполняемые вне этих каналов.

Современные процессоры Intel Xeon, AMD Opteron, Power7 используют встроенные контроллеры оперативной памяти — два таких контроллера для DDR2-500 представлены в «Эльбрус-С» (рис. 2). Каждый контроллер обеспечивает канал шириной 8 байт (9 байт с учетом кодов ЕСС), что дает пиковую пропускную способность памяти в 4 Гбайт/с на канал. Для виртуальной памяти применяются 48-разрядные адреса, а для физической — 40-разрядные, что позволяет адресовать 1 Тбайт физической памяти.

Многопроцессорные компьютеры на базе «Эльбрус-С» представляют собой системы ccNUMA, работающие под управлением ОС на основе Linux с поддержкой NUMA-распределения памяти. Кроме того, контроллер памяти допускает ее расслоение (чередование адресов). Топология четырехпроцессорных конфигураций «Эльбруса» аналогична известной, например, для AMD Opteron с тем же числом процессоров. Задержка при обращении к удаленной памяти в четырехпроцессорной системе всего примерно в полтора раза выше, чем к локальной.

Для организации связей между процессорами в четырехпроцессорных системах применяются каналы межпроцессорной связи c низковольтной дифференциальной передачей сигналов LVDS (low-voltage differential signaling). Они имеют ширину 2 байт, работают на частоте 500 МГц и обеспечивают дуплексную передачу типа DDR, поэтому их пропускная способность составляет 2 Гбайт/с в каждом направлении. «Эльбрус-С» имеет три таких LVDS-канала и еще дуплексный LVDS-канал, но с шириной в два раза меньше и соответственно со вдвое меньшей пропускной способностью для канала ввода-вывода.

Связь основных блоков «Эльбрус-С» между собой (процессорного ядра, контроллеров памяти, контроллеров процессорных каналов и контроллеров ввода-вывода) осуществляет семипортовый коммутатор, вероятность блокировки которого невелика из-за наличия в его составе специальных буферов. Пропускная способность портов этого коммутатора совпадает с «внешней» производительностью соответствующих контроллеров (рис. 2).

К числу замечательных особенностей «Эльбрус-С», кроме механизма асинхронной подкачки массивов, относятся возможности защищенного исполнения с помощью тегов (позволяют отличать адреса от данных) и дескрипторов (позволяют контролировать выход за границы объектов программы). Это дает возможность обнаруживать некоторые виды программных ошибок и бороться с вирусами.

Аппаратная поддержка динамической компиляции кодов х86 в команды «Эльбрус» позволяет работать совместно с BIOS и ОС для архитектуры х86, достигая при этом достаточно высокой производительности. Напомним, что Itanium также первоначально имел режим совместимости с х86 благодаря аппаратной эмуляции, но затем x86-совместимые процессоры оказались впереди по производительности, и от этого режима в Itanium отказались.

В таблице приведены данные о средствах защиты от сбоев, реализованных в «Эльбрус-С» и компьютерах на их основе. Для компьютеров «Эльбрус» 3M1 на базе первого поколения процессоров «Эльбрус» среднее время между сбоями (Mean Time Between Failures, MTBF), в соответствии с требованиями заказчиков, составило около 10 тыс. часов, что не очень много и обусловлено поддержкой специализированных внешних интерфейсов, не обладающих высокой надежностью.

Таблица. Средства защиты от сбоев в «Эльбрус-С» Компоненты Тип защиты

Кэш L2, оперативная память ECC

Устройства предварительной подкачки буфера, кэши L1, TLB По четности

Контроллер межпроцессорных каналов, каналы и линки связи с контроллером в/в Циклическая контрольная сумма (CRC)

Интерфейсы ввода-вывода По четности, CRC

«Эльбрус-С» содержит 218 млн транзисторов, имеет площадь 141,5 кв. мм и построен по КМОП-технологии с девятью слоями металлизации. Среднее тепловыделение — около 13 Вт, максимальное — 18 Вт. По результатам тестирования, «Эльбрус» первого поколения имел производительность на уровне Pentium4/2 ГГц, а «Эльбрус-С» — в два раза больше.

Почему в последнем процессоре R500 была достигнута частота только 500 МГц? Причина в низком уровне детализации проектирования из-за недостаточного финансирования — лишь регистровый файл был спроектирован с высоким уровнем детализации, а для остальных основных блоков применялись полузаказные микросхемные решения и стандартные библиотеки.

В планах МЦСТ — сдача госкомиссии опытных образцов двухъядерного «Эльбрус-2С+» с четырьмя интегрированными процессорами обработки сигналов (DSP) и с общей производительностью до 28 GFLOPS. В 2012 году будет создан двухъядерный «Эльбрус 2С» для технологии 65 нм и четырехъядерный «Эльбрус 4С» c производительностью 64 GFLOPS. В 2015 году ожидается появление четырехъядерного «Эльбрус 4С» с производительностью 150 GFLOPS, который будет выпускаться по технологии 40 нм, а в 2017 году — по технологии 28 нм, иметь восемь ядер и 256 GFLOPS, при этом разработчики намерены достигнуть производительности 4 GFLOPS/Вт. Изготовление процессоров по технологии 90 нм в МЦСТ надеются наладить на заводе «Микрон» на базе приобретаемых у компании STMicroelectronics технологий.

Вычислительные системы

В вычислительных комплексах на базе «Эльбрус» и МЦСT-R применяются традиционные для x86-систем северный и южный мост — довольно дорогие наборы компонентов микросхем, выпускаемые на базе программируемых интегральных схем FPGA.

Для компьютеров на базе «Эльбрус-С» основная функция северного моста — контроллер памяти, интегрированный в процессор, а южный мост был спроектирован заново и именуется «контроллер периферийных интерфейсов». Он появился в прошлом году и поддерживает интерфейсы PCI, PCI-E x8 1.0, SATA, IDE, USB 2.0, Ethernet, RS-232/RS-485, IEEE-1384, AC'97, шину I2C. Стоимость «Эльбрус-C» первого поколения в партии 10 тыс. штук составляет 70-80 долл., стоимость южного моста — 40-50 долл. Базовая продажная цена для компьютеров на их основе в настольном исполнении составляет 70 тыс. руб., а для систем с сPCI — втрое дороже. Удешевление компьютеров и их компонентов — одна из важных задач МЦСT.

В варианте ОС «Эльбрус» на базе ядра Linux 2.6 имеются среды разработки, компиляторы Си/Си++/Фортран, средства реального времени, СУБД и др. Кроме того, при работе в режиме эмуляции х86 возможно применение операционных систем QNX, FreeBSD и т. д., а также операционных систем Microsoft.

***

«Эльбрус» сегодня — это промышленная разработка, микроархитектура «Эльбрус-С» которой имеет определенные преимущества перед другими микроархитектурами, однако потенциал «Эльбрус» остается нераскрытым, как по причине недостаточной детализации проектирования, так и в связи с отставанием применяемой КМОП-технологии.

Михаил Кузьминский ([email protected]) – старший научный сотрудник учреждения РАН «Институт органической химии им. Н. Д. Зелинского» (Москва).

http://www.osp.ru/os/2011/07/13010501/

[Вадимка]

Сказал человек ничего в этом не понимающий.

Аргументируй.