Обзор российского 4-ядерного процессора Эльбрус-4С. Часть 1: история создания

В умах подавляющего большинства обывателей прочно укоренилась мысль о том, что в области проектирования вычислительной техники наша страна играет роль безнадёжного аутсайдера. США, Европа, и, быть может, Китай – вот лидеры производства современных микропроцессоров и систем. Однако это не совсем верно: как подтверждают факты, собственные разработки у нас тоже имеются, и они не только приближаются по определённым параметрам к новейшим достижениям полупроводниковых технологий, но кое в чём их даже превосходят. Насколько продвинулась отечественная наука в этой области и скоро ли можно будет увидеть на прилавках магазинов отечественные процессоры, мы и расскажем в нашем обзоре.

Автор: Владимир Иванов

Как всё начиналось

Наверняка многие слышали о том, что во времена Сталина кибернетика была объявлена лженаукой. Гораздо меньше людей знают о том, что кибернетика и вычислительная техника – это отнюдь не одно и то же. Как раз последняя развивалась в то время очень активно, а в 1948 году Постановлением Совета Министров СССР №2369 для этой цели был создан Институт точной механики и вычислительной техники, получивший впоследствии имя Сергея Алексеевича Лебедева. Сам Сергей Алексеевич был приглашён в институт в 1950 году для разработки одной из первых отечественных ЭВМ БЭСМ-1.

А вот с приходом к власти Никиты Сергеевича, развенчавшего «культ Сталина», был взят курс на копирование зарубежных достижений в этой области. Тем не менее, разработка своих систем продолжалась, и в 1969 году, в связи с необходимостью оснащения стратегических систем специального назначения высокопроизводительной вычислительной техникой, родилась идея архитектурной линии «Эльбрус». Под руководством Всеволода Сергеевича Бурцева, ставшего впоследствии академиком Российской Академии Наук, созданный многопроцессорный вычислительный комплекс (МВК) «Эльбрус-1» был предъявлен государственной комиссии и в 1979 году прошёл государственные испытания. Он был спроектирован на основе микросхем TTL-логики и включал в себя 10 процессоров с суммарной производительностью 15 млн. операций в секунду (15 Мфлопс). На тот момент это была великолепная машина: впервые в мире применялась суперскалярная архитектура, позволявшая параллельно отрабатывать несколько машинных команд. Наряду с центральным процессором имелись специализированные: для обмена данными с внешними устройствами, для быстрого преобразования Фурье, для эмуляции команд БЭСМ-6 и для решения целого ряда специальных задач. Объем оперативной памяти достигал солидного объёма в 64 МБ.

Чтобы воспользоваться всеми достоинствами оригинальной архитектуры и системы команд МВК, несколько институтов разрабатывали для него не только операционную систему, но и языки программирования высокого уровня. А шестью годами позже, в 1985 году, в серийное производство был запущен «Эльбрус-2», который представлял собой незначительно модернизированный с точки зрения схемотехники «Эльбрус-1», переведенный на новую элементную базу микросхем ЭСЛ-технологии серии «ИС-100». Этот МВК уже достигал производительности в 125 Мфлопс. МВК строился по модульному принципу, с учётом обеспечения надёжности. Благодаря своему быстродействию и отказоустойчивости, он в течение многих лет использовался в центральных объектах стратегических систем страны. Всего было выпущено 30 экземпляров МВК «Эльбрус-2».

Следующим этапом развития серии стал проект МВК «Эльбрус-3». Руководил им член-корреспондент Академии наук СССР Борис Арташесович Бабаян. Он предложил передовую архитектурную реализацию концепции широкого командного слова. Опытный образец машины изготовили в 1990 году, но её отладка не была завершена по причине прекращения финансирования проекта из-за экономических проблем того периода.

Технологии «SPARC»

Дальнейшее продолжение развития линии «Эльбрус» связано с ТОО «Московский центр SPARC-технологий», сформировавшимся в 1992 году и впоследствии переименованным в ЗАО «МЦСТ». Старшее поколение, знакомое с микропроцессорами с 90-х годов прошлого века, хорошо помнят процессоры семейства SPARC, выпускавшиеся компанией «Sun Microsystems». В то время это была весьма популярная платформа в среде, как это принято сейчас говорить, корпоративных заказчиков. Компания занималась созданием промышленных систем на основе архитектуры SPARC v8, как для зарубежных, так и для отечественных заказчиков. Знакомство с этим направлением помогло МЦСТ как получить опыт для развития собственной архитектуры процессора «Эльбрус» (называвшейся в то время «архитектура E2k»), так и просто пережить период экономических трудностей, сохранив свой уникальный коллектив.

Как следствие работы с новой архитектурой, в 2001 году у МЦСТ появился первый микропроцессор собственной разработки, названный R150. Он выпускался по довольно грубому техпроцессу с нормами литографии 350 нм, что делало его достаточно дешёвым и пригодным для производства на большинстве существующего оборудования. В то же время, его характеристики были вполне конкурентоспособными: при общей потребляемой мощности 5 Вт его единственное ядро могло работать на частоте 150 МГц, обеспечивая производительность порядка 150 Мфлопс. А всего лишь через 3 года увидел свет следующий чип – R500, выпускающийся уже по нормам 130 нм, что заметно повысило его эффективность. Работая на частоте 500 МГц, он обладал производительностью в 500 Мфлопс при потребляемой мощности 1 Вт! А ещё через 3 года, в 2007 году, появился очередной продукт эволюции процессоров семейства SPARC – R500S, содержащий уже два ядра с общей производительностью 1 Гфлопс.

Заметим, что хотя эта архитектура принадлежит к категории RISC и принципиально несовместима с архитектурой Intel x86, при использовании её для промышленных применений это не представляет серьёзной проблемы: всё равно разработка аппаратуры, да и программного обеспечения, ведётся в большинстве случаев «с нуля» под нужды конкретного заказчика, так что потенциальная совместимость с существующим ПО не приносит обычно никакой выгоды.

Процессоры серии «Эльбрус»

Несмотря на активную работу с архитектурой SPARC, развитие собственного направления было продолжено. В 2000 году было утверждено ТЗ на вычислительный комплекс «Эльбрус-3М1» и микропроцессор «Эльбрус», а через 7 лет, в 2007 году, были проведены первые государственные испытания. Работоспособность отечественной архитектуры «Эльбрус» была полностью подтверждена. Он обладал следующими характеристиками: техпроцесс – 130 нм, одно ядро, работающее на частоте 300 МГц, потребляемая мощность 6 Вт, производительность 4,8 Гфлопс.

В 2009 году прошла сертификацию операционная система «Эльбрус», созданная на базе ядра Linux 2.6.33. Была проделана фундаментальная работа по преобразованию ОС Linux в операционную систему, поддерживающую режим работы в жёстком реальном времени, а также написано множество специализированных библиотек. Заметную помощь ЗАО «МЦСТ» в создании ПО и проектировании вычислительных модулей с 2006 года оказывает коллектив открытого акционерного общества «Институт электронных управляющих машин имени И. С. Брука» (ОАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука»), непосредственно участвующий в разработках.

Первый серийно выпускаемый микропроцессор «Эльбрус-S», производимый по технологическим нормам 90 нм, и контроллер периферийных интерфейсов (КПИ) для него прошли испытания в 2010 году. Он тоже имел всего одно ядро, но мог работать на частоте в 500 МГц, выдавая производительность 8 Гфлопс, но и рассеивал заметно большую мощность – до 20 Вт. Для сравнения заметим, что такую же производительность имел в своё время процессор AMD Athlon 64, работающий на частоте 2,2 ГГц.

Всего лишь годом позже, в 2011-м, было начато производство кристалла следующего поколения – «Эльбрус-2С+», при тех же технологических нормах – 90 нм – имеющего заметно большую производительность в целых 28 Гфлопс (что соответствует уровню примерно посередине между Intel Core 2 Duo и Intel Core i3). Такой прорыв оказался возможен за счёт наличия четырёх дополнительных ядер встроенного сопроцессора, предназначенного для цифровой обработки сигналов (DSP), и двух основных ядер, тактовая частота которых составила те же 500 МГц. Справедливости ради заметим, что из-за некоторой трудоёмкости программирования встроенного DSP он не снискал большой популярности, поэтому в модели следующего поколения от него решено было отказаться.

А что же происходит в настоящее время? Сейчас, в 2014 году, МЦСТ выпускает самую совершенную модель – «Эльбрус-4С», выполненный по технологии 65 нм и работающий на частоте 800 МГц. Благодаря наличию четырёх ядер с двумя мегабайтами кеш-памяти на каждое ядро, он обеспечивает внушительную производительность 50 Гфлопс, вплотную приближаясь к Intel Core i7-975 Extreme Edition (53 Гфлопс). Его потребляемая мощность при этом заметно скромнее и составляет всего 45 Вт. Серийное производство пока не начато, но уже существуют опытные образцы. А так как дефицитное оборудование для этого не требуется – благодаря «крупному» техпроцессу достаточно любой из множества широко доступных фабрик, то этот момент не за горами.

Продолжение следует…

Итак, мы вкратце рассмотрели номенклатуру и историю создания отечественных процессоров. Насколько же они конкурентоспособны? Какие у них отличия от продукции AMD/Intel, достоинства и недостатки? Какие применения находят эти уникальные изделия? И, наконец, можно ли запустить на «Эльбрусе» ОС Windows? Ответы на эти вопросы, а также тесты производительности, последуют во второй части этой статьи, которая появится на нашем сайте в ближайшие дни.

Технические характеристики процессоров, выпускаемых ЗАО «МЦСТ»