Самый мощный российский процессор. Intel напрягся: новые российские процессоры «Байкал» превзошли западные аналоги

Процессоры

Вокруг Эльбруса ходит много мифов. Вы можете встретить их в комментариях к любому посту или статье про Эльбрус. Основные категории мифов можно свести к трем вопросам:

1. Является ли Эльбрус отечественным? Отечественный значит безопасный?
2. Какова производительность? Насколько «современен» компьютер на базе Эльбрус.
3. Сколько он стоит?

Каждый вопрос имеет два противоположных ответа. От «китайское купленное» до «все наше». От «мой телефон быстрее» до «еще немножко и обгоним Интел».

Хотелось бы прояснить откуда растут уши всех этих мифов. Причина по большому счету одна: компания МЦСТ - их закрытость, молчаливость и, в худших традициях российской действительности, склонность к завышению и легкому привиранию. При подготовке этой статьи я столкнулся с тем, что вся информация на новостных и железных ресурсах крутится вокруг скупых пресс-релизов МЦСТ. Новую информацию «сверху» найти очень сложно. Надо рыть, читать между строк и копать еще глубже. Само МЦСТ на электронные письма и заказы не отвечает. Найти на сайте контакты - попробуйте!

Бравурные речи «пятилетку в три дня», как и рассказы про «догоним и перегоним» идут оттуда же. Достаточно перечитать пресс-релизы за 2013-2015 год. Сейчас у нас должно быть серийное производство новейших компьютеров на базе Эльбрус-16С. Вы его видите? И я нет!

Про хитрости с технологическими процессами производства можно прочитать в этой статье на Хабре.

Чтобы уйти от абстракции и развенчивать мифы чем-то конкретным, возьмем АРМ (Автоматизированное Рабочее Место) Эльбрус-401. Этот компьютер выпускается мелкосерийно. Даже, кажется, доступен для заказа на сайте. Формально.
Характеристики взяты с официального сайта.

Параметр	Значение
Микропроцессор	Эльбрус-4С (1891ВМ8Я)
Количество процессоров	1
Рабочая тактовая частота процессора, Мгц	800
Пиковая производительность, Гфлопс	50
Оперативная память, Гбайт	24 (до 96), поддержка коррекции ошибок (ЕСС)
Видеоподсистема	Интегрированная видеокарта на основе СБИС Silicon Motion SM718 Поддерживает 2D ускорение, масштабирование видео 16 МБ видеопамяти, подключение к шине PCI Выход VGA, DVI Разрешение до 1920 x 1080 3D видеокарта AMD Radeon серии 6000 Подключение к шине PCI Express
Дисковая подсистема	Жесткий диск SATA 2.0 1000 ГБ, 3.5" (до 2 дисков) Разъем для карты CompactFlash на плате mSATA диск на плате ёмкостью 120 ГБ
Встроенный привод	DVD-RW привод. Поддержка двухслойных дисков
Сетевые интерфейсы	Поддержка работы при скоростях передачи данных в 10/100/1000 Мбит/с
Звук	Интегрированная звуковая карта AC-97 (стерео)
Порты ввода/вывода	USB 2.0: 4 разъема на задней панели, 2 разъема на передней панели. 2 внутренних порта на материнской плате 1 разъем Gigabit Ethernet (10/100/1000 Mb/s) 1 выход DVI+VGA (совмещенный). Возможно подключение двух мониторов через переходник (в комплекте) 1 порт RS-232 внешний, 1 порт RS-232 внутренний разъёмы для подключения аудио (вход/выход, стерео)

Происхождение

Итак, насколько отечественный и безопасный получился компьютер?

Наиболее отечественным получился процессор. Его архитектура и результирующие блоки - полностью отечественная разработка. Рассчитывался и эмулировался он на FPGA Stratix V. Скорее всего, на ПО Quartus.

Сейчас одна микросхема EP2S180 стоит около 8К$. Так что стоимость только микросхем FPGA в прототипе превышает 50К$.
Для прототипирования процессора Эльбрус-4C+ потребовалась уже 21 микросхема Altera Stratix IV EP4SE820 и с суммарным объемом в 100 млн. вентилей (хотя сам МЦСТ приводит цифру в 750 млн) и стоимостью около 200К$. При этом рабочая частота прототипа 9 Мгц.

Первый нюанс: какие Гигафлопсы приведены? Теоретические, по тесту LINPACK? Информации нет.

Второй. Есть маленькая хитрость: если посмотреть на архитектуру, то мы увидим, что в ядре есть DSP процессор. В характеристиках прошлой версии процессора четко указывалось, что суммарная производительность состоит из Гигафлопсов основного ядра плюс ядро DSP. Например можно по сравнивать Описания на сайте МЦСТ Монокуб на базе процессора Эльбрус-2С+ и Сам процессор .

Но в реальных повседневных приложениях от DSP процессора мало толку. Они будут хороши при обработке сигналов и шифровании.

Здесь мы опять утыкаемся в проблему закрытости. Если у кого и есть в наличии АРМ, то тесты он не проводит, либо результаты не выкладывает.

Но вернемся к главному вопросу, производительность в реальных приложениях и повседневной работе. Единственные тесты, которые мне удалось отыскать на эту тему, есть у Cnews. Тесты и их результаты целиком можно посмотреть по ссылке .

Кому лень ходить, суть такова. Берется Intel Core i7-2600 (3,4 ГГц) и Эльбрус-4С. Меня заинтересовали следующие.

Получается, что единственные «реальные» тесты с 7z архивом показывают, что АРМ серьезно проигрывает. Не как должно быть по Гигафлопсам, всего в два раза, а в 5,5 раз на сжатии и почти в 4 раза на распаковке (я считал по MIPS, потому что памяти различны). Кстати, смешат выводы и попытки «натянуть сову на глобус». Такое ощущение, что ресурсу дали Эльбрус с условием написания положительного отзыва.

В последнее время можно слышать все больше разговоров о том, что существуют некие российские процессоры для компьютеров. Но просто так взять и найти их в каком-либо обычном магазине, как это происходит с устройствами AMD и Intel, невозможно. Да и вообще купить процессор российского производства - это под силу далеко не каждому. Более того, и увидеть характеристики подобной техники могут не все.

Но редакции нашего сайта это все-таки удалось, и мы представляем Вам две наиболее доступных марки российских процессоров для ПК. Все они предназначены, что называется, для широких масс, то есть для простых пользователей.

1. Марка №1. МЦСТ

МЦСТ - первая в истории марка процессоров, которые были выпущены в России для домашнего использования. Вообще, в этой стране большинство образцов техники выпускается для военной или космической промышленности. Но об этом мы еще поговорим.

Так вот, под маркой МЦСТ вышло две архитектуры процессоров - Эльбрус и SPARC.

Первая является чисто российской, в ней была использована основа от зарубежных процессоров. По крайней мере, так заявляет сам производитель.

А вот вторая является российской реализацией международной архитектуры с таким же названием. Фактически, специалисты МЦСТ взяли все необходимое у SPARC, разработки американских специалистов и сделали нечто свое.

МЦСТ SPARC предназначена для военной промышленности, поэтому говорить об этой архитектуре мы не будем. Нас, как простых юзеров, больше интересует МЦСТ Эльбрус.

Среди преимуществ процессоров с данной архитектурой особенно следует выделить следующее:

• высокая эффективность при вычислениях - математических, инженерных и других научных;
• высокая степень защиты компьютера от несанкционированного доступа (на самом деле единицы хакеров смогут хотя бы приблизиться к тому, чтобы взломать компьютер с таким процессором);
• МЦСТ Эльбрус отлично «сотрудничают» с чужеродными архитектурами.

При этом изначально эти процессоры совершенно не работали с чужими технологиями. Особенно это касается таких архитектур, как x86, ARM, MIPS (запомните это название, его мы сегодня еще упомянем) и Power.

Разработчики использовали разве что разработки под Linux, которые распространяются под открытым кодом.

Огромный интерес вызывают конкретные образцы процессоров МЦСТ Эльбрус. Разберем один из них.

Эльбрус-4С

Это один из самых известных образцов данной марки.

Его особенности заключаются в следующем:

• при разработке участвовали не только специалисты МЦСТ, а еще и ИНЭУМ (Институт электронных управляющих машин);
• частота - 800 МГц;
• техпроцесс - 65 нм;
• кэш первого уровня - 64 Кб для каждого ядра данных и 128 Кб для каждого ядра команд;
• кэш второго уровня - 8 Мб;
• используемая микроархитектура - VLIW.

Для подключения используется разъем HFCBGA/1600. Первый такой процессор вышел в 2014 году. С тех пор о новых разработках ничего не слышно.

Купить процессор Эльбрус-4С просто так невозможно. Его можно приобрести только в комплекте с компьютером. Хотя и он выглядит, по крайней мере, странно.

Речь идет о Эльбрус 401-PC. На официальном сайте mcst.ru можно найти характеристики данного образца. Компьютер позиционируется как офисный и не предназначенный для домашнего использования.

Вот некоторые особенности Эльбрус 401-PC:

• одно ядро;
• частота - 800 МГц;
• видеопамять - 16 Мб;
• разрешение экрана 1920х1080;
• используемая видеокарта - AMD Radeon 6000;
• жесткий диск на 1000 Гб;
• оперативная память - 24 Гб (можно расширить до 96 Мб).

Также в этом компьютере есть пишущий DVD-привод.

Как видите, этот компьютер вызывает огромное количество вопросов. К примеру, совершенно непонятно, зачем такому ПК целых 24 Гб оперативной памяти для офисных задач.

Если зайти в любой офис, где компьютеры используются исключительно для работы, то там очень редко можно будет увидеть машину с более, чем 2-4 Гб оперативной памяти. Но 24 Гб - это, по меньшей мере, много.

К тому же, при всем этом богатстве оперативной и собственной памяти всего лишь 16 Мб видеопамяти!

Интересно также и то, сколько стоит Эльбрус 401-PC. Недавно была опубликована новость о том, что его цена снижена и теперь такой компьютер стоит 199 000 рублей. А это примерно 3400 долларов США.

За те же деньги можно купить, к примеру, DELL PRECISION T7810. У этой машины 32 Гб оперативной памяти, 1 Тб собственной, 4 Гб видеопамяти и процессор Intel® Xeon® E5-2620 v4 на 2 ядра с частотой 2.1-3 ГГц.

Абсолютно непонятно, за счет чего представитель МЦСТ должен привлечь потенциального покупателя.

В общем, достаточно неоднозначное мнение оставляет МЦСТ Эльбрус и, в частности, Эльбрус-4С и компьютер Эльбрус 401-PC, в котором используется этот процессор.

2. Марка №2. Байкал Электроникс

В устройствах данной марки используется архитектура MIPS, упомянутая нами выше. Вообще, «Байкал Электроникс» является самой «прозрачной» и понятной для международного сообщества гиков фирмой.

Интересно: Первый микропроцессор от «Байкал Электроникс» был произведен на Тайване, а не в России.

Среди преимуществ продукции данной марки можно упомянуть то, что команде разработчиков удалось полностью отладить проектирование системы на кристалле из компонент с высокими показателями работы. По крайней мере, об этом говорится в некоторых статьях в интернете, но толком понять, что же все это значит, достаточно сложно.

Baikal-T1

Информации об остальных преимуществах и недостатках продукции «Байкал Электроникс» просто нет. Все это мы можем понять, когда рассмотрим образец данной марки. А наиболее известным представителем «Байкал Электроникс» является Baikal-T1.

У этого процессора есть следующие характеристики:

• частота - 1200 МГц;
• техпроцесс - 28 нм;
• два ядра;
• кэш второго уровня - 1 Мб.

Подключается Baikal-T1 через разъем HFC-BGA 576. Выпущен он был в 2016 году.

В данном случае уже можно просто взять и купить такой образец на рынке. Точнее, сделать это можно на официальном сайте (вот ссылка).

Но, опять же, все покрыто тайной. Никакой информации о цене Baikal-T1 нет, вместо этого простая форма для заявки на покупку процессора. В ней необходимо указать имя, телефон, адрес электронной почты, а также, по возможности, компанию и город.

Важно: На официальном сайте компании также есть информация о том, что во второй половине 2017 года будет выпущен второй процессор «Байкал Электроникс» и называться он будет Baikal-M.

Промежуточный вывод

Итак, простой пользователь прямо сейчас может купить на официальном сайте «Байкал Электроникс» процессор Baikal-T1. Кроме того, есть также компьютеры с использованием процессоров марки МЦСТ, к примеру, Эльбрус 401-PC.

Фактически, это и есть все российские процессоры, доступные обычному юзеру. Все остальное предназначено для использования в космической и военной отрасли.

Из нашего небольшого исследования можно сделать следующие выводы:

• При этом какого-либо самобытного подхода в разработке подобной продукции не видно. Единственное, что из всего этого разработали сами российские специалисты, является архитектура МЦСТ Эльбрус.
• Кроме того, абсолютно непонятно, за счет чего российские производители процессоров будут привлекать потенциальных клиентов.
• Купить российский процессор чрезвычайно сложно и очень дорого - абсолютно непонятно, за что мы платим.

Это те проблемы, которые видны невооруженным глазом. Мы искренне надеемся, что в будущем все они будут исправлены, и Эльбрус с Байкалом будут соперничать с AMD и Intel.

А пока коротко пройдемся по остальным маркам.

3. Другие российские процессоры

Все нижеизложенные процессоры не используются в персональных компьютерах. Они предназначены для серверов, рабочих станций и другой специализированной техники.

Вот другие известные марки процессоров российского производства:

• НИИСИ. В данном случае используется та же архитектура MIPS. Известными представителями НИИСИ являются процессоры КОМДИВ-32 и КОМДИВ-64 (фотографий нет). Преимущество таких устройств состоит в устойчивости к радиационному излучению.
• Элвис. На данный момент ведутся разработки НПО «ЭЛВИС» и «ЭЛВИС-Неотек». Они используются исключительно в космической промышленности и в изготовлении так называемых смарт камер.

• Миландр. Эти процессоры используются достаточно широко - в медицинских приборах, системах управления двигателями и много где еще. Они предназначены для использования в суровых условиях.
• Модуль. Об этой марке известно лишь то, что они используются в космической, авиационной промышленности и в цифровом телевидении.

В общем, достаточно специфические продукты. Их интересно исследовать, но в использовании таковых пока что смысла не видно.

Как мы дошли до жизни такой?

Перво-наперво очень рекомендуется ознакомиться с двумя буквально программными статьями на "Хабре": раз ("Микроэлектронная индустрия в России ") и два ("Почему в России почти нет гражданского/коммерческого высокотехнологичного производства?") . В целом они до сих пор актуальны — с поправками в некоторых цифрах, но суть, впрочем, не изменилась. Также полезно ознакомиться с историей о том, какие решения были приняты в СССР, — хотя бы на примере НИЦЭВТ . Напомним, что в 60-х пришли к выводу о необходимости создания серии мощных, унифицированных ЭВМ с единой архитектурой (ЕС ЭВМ) и в качестве основы для таковой была выбрана IBM System/360, хотя многие до сих пор считают этот выбор неудачным, потому что надежды на переиспользование стороннего ПО в итоге не оправдались. Более того, затраты на софт, по мнению некоторых исследователей, оказались много выше, чем на «железо». В этой истории есть несколько важных нюансов. Во-первых, тогда это было вполне законно, так как патентовалось обычно конкретное исполнение, а не сама архитектура. Представительство IBM появилось в СССР аж году, а оборудование в том числе и закупалось.

Во-вторых, выбор конкретной архитектуры занял не один год. Конкурентом IBM в этом вопросе была британская ICL, которая была готова продать лицензии со всей документацией и исходными кодами. По иронии судьбы ICL уже сама в 1991 году выкупила долю Казанского завода электронно-вычислительных машин и создала совместное предприятие. А после упразднения головной корпорации в 2013-м только российское подразделение, сильно разросшееся, стало работать под этим брендом. Наконец в-третьих, в СССР разработку собственных вычислительных систем вовсе не забросили, хотя и уделялось этому меньше внимания. Кроме того, за IBM вскоре последовали клоны PDP, а затем вообще стали копировать все хоть сколько-нибудь заметные на западном рынке архитектуры, процессоры, ПК, микроконтроллеры, периферию, софт и так далее.

Зачастую без оглядки на патенты и лицензии. Получалось всё это с переменным успехом. Что-то улучшали, что-то ухудшали, но в итоге всё это так или иначе работало и, что важно, с экономической точки зрения было вполне оправданно. Хотя многое и закупалось, пусть тоже не всегда и не совсем легально. С другой стороны, в отношении СССР с 1980 года в рамках программы КоКом (CoCom) были введены запреты — в том числе и на поставку вычислительной техники. Если вам интересна история, то можно начать знакомство с книги «Информационные технологии в СССР. Создатели советской компьютерной техники» за авторством Ю. Ревича. После распада ситуация поменялась кардинально — почти всё можно было купить или лицензировать, были бы деньги.

⇡ Наше или не наше?

В связи с этим очень часто возникают споры. Если купили, например, лицензию на ядра и прочие IP-блоки, довели всю конструкцию до ума и отправили на производство за рубеж, то отечественное ли это изделие — или всё-таки нет? А если самостоятельно сделали схему под чужую систему команд? А если полностью выкупили всё-всё, но производят в России? В проекте Минпромторга , если коротко, предполагается двухуровневая классификация. В обоих случаях компания-разработчик юридически обязана быть российской. Для чипов первого уровня она должна заниматься разработкой «структуры, логической и (или) электрической принципиальной схемы, топологии, <…> ПО» , а «производство интегральной схемы, включая транзисторный цикл и изготовление слоев металлизации, осуществляется на территории РФ» . При этом вполне допускается покупка лицензий у любых компаний.

Для чипов второго уровня всё несколько проще. Тут нужно, чтобы права на топологию были в РФ, а выпускать микросхемы можно где угодно, но только если внутри страны нет требуемой производственной базы. Критерии вообще-то вполне справедливые, потому что покупка лицензий и готовых блоков — это даже не полдела. Перевести абстрактную «логику» в массовое производство «кремния», попутно обеспечив всё это программной платформой, очень непросто, особенно при уменьшении техпроцесса. К тому же многие почему-то любят говорить именно про микропроцессоры, но забывают о десятках категорий других или IP-блоков — какие-нибудь микроконтроллеры или просто контроллеры периферии/шин не менее важны. Опасения по поводу внедрения закладок в исходники или на этапе зарубежного производства небезосновательны, но, видимо, сочтены или слишком труднореализуемыми, или легко выявляемыми — ну или и то и другое. Да и в целом векторов атак намного больше.

Кроме того, ещё есть большая и важная область создания готовых продуктов, решений, систем. Просто для примера — компания YADRO занимается созданием СХД на базе платформы OpenPOWER. О некоторых аспектах работы она открыто рассказывает . Компания хоть и отнекивалась долгое время, но, похоже, именно её решения в комплексе «Купол» используются для реализации «пакета Яровой» на сети "Мегафон ". Это тоже огромная инженерная работа и пример импортозамещения. С последним, правда, не всё так гладко . С другой стороны, замещение это далеко не всегда нужно. Приятно, конечно, потешить собственное самолюбие, попытавшись побороться в гражданском секторе с крупными западными игроками, но экономически это просто самоубийственно.

Поэтому вкладываются только в критически важные области, где в случае эмбарго есть риск остаться ни с чем: ВПК и ТЭК в первую очередь, а также в связь, медицину, космос. С этим, кстати, связано ещё несколько особенностей нашего рынка. Во-первых, практически невозможно найти детальную публичную информацию о реальных объёмах производства и конкретных заказчиках. Во-вторых, немало продукции имеет радиационно стойкое исполнение, расширенный температурный режим работы и прочие прелести. В-третьих, большинство разработчиков формально являются независимыми коммерческими предприятиями, но нередко складывается ощущение, что фактически деньги они прямо или опосредованно получают от единственного заказчика — государства и его структур. Иными словами, далеко не всегда и везде они конкурентоспособны на мировом рынке.

⇡ Тоньше работать надо?

В частности, очень часто попрекают отечественное производство микроэлектроники отсутствием современных техпроцессов. Среди крупных заводов есть "Микрон ", "Ангстрем " и "Ангстрем-Т ", на которых доступны нормы вплоть до 90 нм, а когда-нибудь появится и 65 нм. Имеются и другие, более мелкие производственные площадки для норм микрометрового уровня или толще. Естественно, для действительно сложной электроники вроде CPU или SoC техпроцесс может быть критически важным, но для всего остального это далеко не всегда так. Вообще, подавляющее большинство компаний-разработчиков электроники уже давно перешли в стадию fabless, отдав производство на откуп профессионалам или изначально не вкладываясь в постройку собственных фабрик.

В свежем отчёте TSMC за второй квартал можно найти хорошую иллюстрацию. На современные нормы 10 нм приходится только 13 % заработка, 16/20 нм и 28 нм приносят 25 % и 23 % соответственно. При этом до сих пор сохраняются линии на 250 нм и толще. Обратите внимание, что речь в отчёте идёт о деньгах, а не о количестве кристаллов или пластин. Более старые техпроцессы дешевле современных, так что в реальности объёмы поставок чипов с суперкрошечными транзисторами существенно меньше, чем с относительно крупными. Просто так за «тонкостью» гнаться смысла нет. Вот с этим знанием можно приступить к знакомству с отечественной продукцией. В части мы рассмотрим CPU и SoC на базе зарубежных архитектур, а во обратимся к собственным разработкам. В обзор включены только наиболее интересные и заметные решения, а также несколько оригинальных архитектур и DSP. Вся информация получена из открытых источников, а некоторые технические нюансы опущены или осознанно упрощены для простоты понимания.

НИКС – ЛУЧШИЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ В РОССИИ!

В кабинетах начальников и в производственных цехах, на столах слуг народа и в Вооруженных Силах, в Москве и по всей России вот уже более 20 лет работают НИКС – по-настоящему , придуманные, собранные и протестированные на собственном производстве компании НИКС в Москве.

Компания НИКС стала одной из первых в России компаний, производящих . С 1991 года НИКС занимается импортозамещением, поставляет лучшие, тщательно протестированные и соответствующие всем нормам и стандартам по всей России для всех областей применения. для разработок и производства, тихие и недорогие для офиса и учебы, специализированные микрокомпьютеры для образовательных и государственных учреждений, а также моноблоки «все-в-одном», сервера, и мощные для самых искушенных пользователей.

Выпуск отечественных компьютеров под собственной торговой маркой – трудная задача, которая по силам только самым крупным и опытным игрокам компьютерного рынка. Самые лучшие НИКС собираются на высокотехнологичных производственных линиях, проходят этап тщательных проверок и сертификаций, а каждая собранная модель отдельно тестируется на стабильность и работы всех компонентов, что гарантирует абсолютную работоспособность и огромный ресурс каждого собранного компьютера НИКС.

Уникальное, не имеющее аналогов производство компании НИКС позволило выпустить колоссальный модельный ряд компьютеров для всех существующих областей применения, и позволило поставлять НИКС практически в неограниченном количестве и любой конфигурации. Научный подход к производству также позволяет обеспечивать не только самую качественную в России сборку серийных компьютеров, но и создание любого количества компьютеров по индивидуальному заказу в конфигурациях любой сложности. Более того, НИКС предлагает не только лучшие российские компьютеры, но и подлинное отечественное ПО – в частности, производства Физтех-софт, и уникальный англо-русский словарь Nixicon, не имеющий аналогов.

Любая конфигурация заказчика может стать лучшим российским компьютером НИКС

Благодаря самому большому ассортименту лучших комплектующих, включая узкоспециализированные компоненты, НИКС может собрать любой компьютер в соответствии с конфигурацией заказчика. Уровень быстродействия будущего компьютера НИКС отныне определяете вы сами.

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».

Процессор «Эльбрус» производства МЦСТ

История

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.

Всеволод Бурцев - человек, стоящий у истоков архитектуры «Эльбрус»

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 2 20 машинных слов), а быстродействие такого компьютера достигало отметки в 12 миллионов операций в секунду.

Компьютер «Эльбрус»

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.

Процессор Pentium стал первой разработкой Intel, использующей суперскалярную архитектуру

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.

Компьютер «Эльбрус-2»

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.

Система со SPARC-процессором МЦСТ R500

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.

Технологический процесс	0,13 мкм
Рабочая тактовая частота	300 МГц
Пиковая производительность	64 разряда, GIPS/GFLOPS - 6,67/2,4 32 разряда, GIPS/GFLOPS - 9,5/4,8 16-8 GIPS - 12,2–22,6
	64 Кбайт
	64 Кбайт
Кэш-память 2-го уровня	256 Кбайт
	9,6 Гбайт/с
	4,8 Гбайт/с
Размеры кристалла	15,0х12,6
Количество транзисторов	75,8 млн
Рассеиваемая мощность	6 Вт

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».

Процессор «Эльбрус»

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».

Вычислительный комплекс «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.

Технологический процесс	0,09 мкм
Рабочая тактовая частота	500 МГц
Пиковая производительность	64 разряда, GFLOPS - 4 32 разряда, GFLOPS - 8
Кэш-память команд 1-го уровня	64 Кбайт
Кэш-память данных 1-го уровня	64 Кбайт
Кэш-память 2-го уровня	2 Мбайт
Пропускная способность шин связи с кэш памятью	16 Гбайт/с
Пропускная способность шин связи с оперативной памятью	8 Гбайт/с
Площадь кристалла	142 мм2
Количество транзисторов	218 млн
Рассеиваемая мощность	13 Вт - типовая, 20 Вт - максимальная

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.

Процессор «Эльбрус-S»

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.

Технологический процесс, нм	130
Тактовая частота, МГц	250
Последовательная шина связи с процессором, пропускная способность, Гбайт/с	2
Контроллер PCI-Express версии 1.0a	8 линий
Контроллер PCI версии 2.3	32/64 бита, частота 33/66 МГц
Контроллер Ethernet 1 Гбит/с	1 порт
Контроллер SATA 2.0	4 порта
Контроллер IDE	PATA-100, 2 порта по 2 устройства
Контроллер USB 2.0	2 порта
Контроллер звукового интерфейса AC-97	2-канальное стерео
Контроллер последовательного интерфейса RS-232/485	2 порта
Контроллер параллельного интерфейса IEEE-1284 с поддержкой DMA	1 порт
Контроллер программируемых универсальных входов-выходов GPIO	16 сигналов
Интерфейс I2C	4 канала
Число транзисторов, млн	30
Потребляемая мощность, Вт	6

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.

Двухъядерный процессор «Эльбрус-2С+»

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.

Технологический процесс	0,09 мкм
Рабочая тактовая частота	500 МГц
Число ядер архитектуры Эльбрус Число ядер DSP (Elcore-09)	2 4
Пиковая производительность (ядра CPU + ядра DSP)	64 разряда, GFLOPS –­ 8+0 32 разряда, GFLOPS – 16+12
Кэш-память команд 1-го уровня	64 Кбайт
Кэш-память данных 1-го уровня	64 Кбайт
Кэш-память 2-го уровня	1 Мбайт
Встроенная память DSP (на ядро DSP)	128 Кбайт
Пропускная способность шин связи с кэш памятью	16 Гбайт/с
Пропускная способность шин связи с оперативной памятью	12,8 Гбайт/с
Площадь кристалла	289 мм2
Количество транзисторов	368 млн
Рассеиваемая мощность	25 Вт

Производительность процессора можно примерно оценить по следующим диаграммам.

Результаты тестирования в пакете SPEC2000 FP

Результаты тестирования в пакете SPEC2000 Int

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.

Принцип работы архитектуры «Эльбрус»

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.

Принцип работы процессора «Эльбрус»

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.

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.

Технологический процесс	65 нм
Рабочая тактовая частота	800 МГц
Число ядер архитектуры Эльбрус	4
Пиковая производительность	64 разряда, GFLOPS –­ 25 32 разряда, GFLOPS – 50
Кэш-память команд 1-го уровня	128 Кбайт
Кэш-память данных 1-го уровня	64 Кбайт
Кэш-память 2-го уровня	8 Мбайт
Организация оперативной памяти	До 3 каналов DDR3-1600 ECC
Пропускная способность каналов оперативной памяти	38,4 Гбайт/с
Каналы межпроцессорного обмена	3, дуплексные
Пропускная способность каждого канала межпроцессорного обмена	12 Гбайт/с
Площадь кристалла	380 мм2
Количество транзисторов	986 млн
Рассеиваемая мощность	До 60 Вт

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 мм 2 .

Ближайшее будущее процессоров «Эльбрус»

Компания МЦСТ ни в коем случае не планирует снижать темпы разработки и выпуска новых решений. На 2015 год уже запланирован анонс восьмиядерного 28-нм процессора «Эльбрус-8С». Кристалл оснастят 4 Мбайт кэш-памяти второго уровня и 16 Мбайт кэш-памяти третьего уровня, а его тактовая частота составит 1300 МГц. При этом пиковая производительность достигнет отметки 250 ГФЛОПС. Планируется, что «Эльбрус-8С» будет работать в связке с контроллером периферийных устройств второго поколения (КПИ-2), который будет отличаться увеличенной до 16 Гбайт/с пропускной способностью.

Однако 8-ядерный чип является не единственным находящимся в разработке процессором МЦСТ. Компания также «допиливает» экономичный «одноголовый» чип «Эльбрус-1С+», предназначенный для использования в ноутбуках, терминалах и промышленной автоматике. Его отличительной особенностью является наличие встроенного видеоядра с поддержкой аппаратного ускорения 3D-видео. Процессор будет выпускаться в соответствии с 40-нм технологическими нормами. Производительность ядра составит около 24 ГФЛОПС, а встроенного видео - около 28 ГФЛОПС. «Эльбрус-1С+» также будет совместим с новым «южным мостом» КПИ-2, а его энергопотребление составит не более 10 Вт. Выпуск этого процессора также запланирован на 2015 год.

Заключение

Подробное изучение архитектуры процессора «Эльбрус-4С» оставило после себя двоякое впечатление. С одной стороны, не будем лукавить, по многим параметрам она является устаревшей и значительно отстает от продукции AMD и Intel. С другой стороны, отечественная электроника уже давно находится в периоде застоя, поэтому было бы глупо ожидать, что в такой ситуации процессоры МЦСТ смогут составить хоть какую-то конкуренцию западным разработкам. И здесь главное понимать, что предпринимаются реальные попытки возродить отечественную индустрию электроники. В такой ситуации выпуск «Эльбрус-4С» - очень большой шаг вперед. Тем более, что в архитектуре реализовано несколько очень интересных технологий, а со своими задачами в оборонной отрасли он справляется более чем уверенно.

У компании МЦСТ большие планы на будущее. Это и выпуск процессоров «Эльбрус-8С», и «Эльбрус-1С+». Так что следующий год во многом покажет, насколько конкурентоспособной окажется российская отрасль микроэлектроники.