Эльбрус: из прошлого в будущее

    Под гордым названием «Эльбрус» вышла серия суперкомпьютеров, которая была разработана советским ученым Всеволодом Сергеевичем Бурцевым (70-80-е). Эти компьютеры внесли ряд новшеств в теорию вычислительных машин, такие как суперскалярность (обработку более одной инструкции за один такт), реализацию защищенного программирования с аппаратными типами данных, параллельную обработку нескольких инструкций. Но главной особенностью советских суперкомпьютеров была их ориентация на языки высокого уровня. Советско-американский ученый Владимир Мстиславович Пентковский, участвовавший в разработке «Эльбрус», создал высокоуровневый язык программирования Эль-76.

    Кроме усовершенствования сферы советских вычислительных машин, компьютер стал базой для создания 64-разрядных универсальных микропроцессоров «Эльбрус 4-С» и следующего поколения «Эльбрус 8-С». Они разбавили рынок американских производителей Intel, AMD и IBM. Локальная разработка и производство процессоров было обусловлено потребностью найти собственные решения для оборонной отрасли, где применение отечественных устройств более желательно.



    Суперкомпьютер «Эльбрус»

    История развития


    Разработка архитектуры компьютера «Эльбрус» началась в 70-х в ИТМиВТ им. Лебедева. Перед разработчиками стояла задача создать вычислительную систему имеющую производительность 100 млн оп/с. Бурцев занимался системой управления и конструирования ЭВМ и стал главным конструктором проекта.

    Автобиографическая справка


    Всеволод Сергеевич Бурцев (1927- 2005 гг.) — советский академик, ученый в области систем управления и теории конструирования универсальных ЭВМ, главный конструктор первых советских суперкомпьютеров и вычислительных комплексов.

    Бурцев прошел путь от простого инженера до директором Института точной механики и вычислительной техники Академии наук СССР. Ведущий разработчик первой быстродействующей электронно счетной машины. Ученому принадлежит около 200 научных трудов. За успехи и достижения в сфере науки, инженерии он удостаивался многих государственных наград (Ленинской и Государственной премии СССР, орденов Ленина, Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени).

    Ученый сделал неоценимый вклад в развитие советских и российских ЭВМ высокой производительности, как и в сферу реализации многопроцессорных вычислительных комплексов. Бурцев также прославился работая заместителем главного конструктора ЭВМ Диана-1, Диана-2, М-40, М-60, 5Э92, 5Э92б, 5Э51 и непосредственно главным конструктором вычислительных машин «Эльбрус», применявшихся при создании различных систем и средств специального назначения.


    В 1980 г. «Эльбрус-1» с общей производительностью 15 млн оп/с успешно прошел государственные испытания. Это была первая ЭВМ в Советском Союзе, построенная на базе ТТЛ-микросхем. Особенностью машины стала масштабируемая архитектура, которая поддерживала одновременную работу до 10 процессоров. Оперативная память достигала 64 МБ (220 машинных слова). Организация передачи потоков данных между переферийными устройствами и оперативной памятью осуществлялась с помощью специальных процессоров ввода-вывода. Подобных процессоров в системе могло быть около 4-х и они обладали собственной памятью, работая параллельно с центральным процессором.

    «Эльбрус-1» использовался во многих системах военного назначения — ПРО, Центре контроля космического пространства и т.д.

    Следующим этапом в разработке компьютера «Эльбрус» стал перенос архитектуры первой модели на новую элементную базу. Таким образом возник «Эльбрус-2», который основывался на базе ЭЛС интегральных схем. Его производительность достигала 125 млн оп/с. Увеличился и объем оперативной памяти — до 144 МБ. Тактовая частота достигала 20 МГц.

    В 1985 г. «Эльбрус-2» был запущен в серийное производство. Он применялся в областях, где требовались большие вычисления. Также компьютер активно использовали в оборонной отрасли, в Центре управления космическими полетами и в ядерных исследовательских центрах (в Арзамасе-16, в Челябинске-70). С 1991 г. компьютер работал в системе противоракетной обороны А-135 и на других военных объектах.



    Суперкомпьютер «Эльбрус-2»

    Вместе с суперкомпьютерами выпускалась и ЭВМ общего назначения «Эльбрус 1-КБ» (1988 г.). Эти машины пришли на замену БЭСМ-6 с которыми у них существовала полная обратная программная совместимость. Ее дополнили новым режимом работы с увеличенной разрядностью чисел и адресов.

    Сравнительная характеристика БЭСМ-6 и «Эльбрус 1-КБ»
    Характеристика БЭСМ-6 «Эльбрус 1-КБ»
    Производительность(млн. оп/с) 1 2,5 — 3
    Частота, МГц 10 20
    Разрядность, бит 48 48
    Разрядность адресации ОЗУ, бит 15 15
    Объём ОЗУ, МБ 0,032-0,128 0,77
    Объём дискового ЗУ, МБ 116 58
    Занимаемая площадь, м2 150-200 250
    Потребляемая мощность, кВт 30 105
    Всего выпущено 355 60

    Следующим был выпущен «Эльбрус-3», в котором разработчики впервые реализовали «постсуперскалярный» подход. Этот компьютер разрабатывался с 1986 по 1994 гг. сотрудниками ИТМиВТ под руководством советского ученого Бориса Арташесовича Бабаяна.

    «Эльбрус-3» не был выпущен в серийное производство, но его архитектура вошла в основу развития микропроцессоров Эльбрус 2000 и Эльбрус-3М1.

    Серия Эльбрус было по достоинству оценена советским руководством. Разработчики Бабаян, Бурцев, Бардиж получили премии и ордена. Остальные участники работы также были награждены государственными премиями.

    Эра процессоров МЦСТ


    Российская компания МЦСТ была основана в 1992 г. на базе коллектива разработчиков «Эльбрус-3». Она стала правопреемником ТОО «Московский центр SPARC-технологий» (отсюда и название МЦСТ). Аббревиатура SPARC пришла от основного партнера МЦСТ американской корпорации Sun Microsystems, продвигающей вычислительные машины с архитектурой SPARC.

    МЦСТ производила микропроцессоры с архитектурой SPARC (МЦСТ-R100, МЦСТ-R150, МЦСТ-R500 и МЦСТ-R500S) и на их базе создавали вычислительные системы. Но в 2007 г. вышел одноименный процессор «Эльбрус». Пиковая производительность устройства в 64-разрядном режиме достигала 2,4 GFLOPS. Рабочая тактовая частота была 300 МГц. В процессоре было 75,8 млн транзисторов. Рассеиваемая мощность 6 Вт.



    Процессор «Эльбрус»

    На основе процессора был разработан вычислительный комплекс «Эльбрус-3М1», применявшийся для оборонной отрасли. Этот комплекс предоставлялся с защищенной операционной системой МСВС-Э (Мобильная система Вооруженных Сил), базирующейся на Linux версии 2.6.14. «Эльбрус-3М1» был обратно совместим с первым и вторым «Эльбрусами».

    Вычислительный комплекс имел два варианта конструктивного исполнения — серверный, который можно было использовать как настольный и в исполнении CompactPCI (системной шины). В основе серверного варианта лежало устройство вычислителя УВ 3М1. В случае CompactPCI «Эльбрус-3М1» занимал два модуля формата «Евромеханика» 6U. Аппаратура исполнения обоих вариантов оснащалась сетевым оборудованием для сверхскоростных обменов с аналогичными вычислительными комплексами.

    В 2010 г. на выставках «ChipEXPO-2010» и Softool общественности была представлена система на кристалле «Эльбрус-S». В данном процессоре увеличилось количество транзисторов — до 218 млн. Также до 500 МГц поднялась тактовая частота и выросла пиковая производительность: до 4 GFLOPS в 64-разрядном и до 8 GFLOPS в 32-разрядном режимах.

    Вместе с «Эльбрус-S» был представлен контроллер периферийных интерфейсов (КПИ).



    Процессор «Эльбрус-S»

    В 2011 г. МЦСТ презентовала двухъядерный процессор следующего поколения «Эльбрус-2С+». Помимо 2 основных ядер (архитектура Эльбрус), работающих на тактовой частоте 500 МГц, в модели присутствовало еще дополнительных 4 ядра встроенного цифрового сигнального процессора (архитектура Мультикор). В процессор был добавлен канал ввода/вывода, с помощью которого возможно подключить еще один КПИ. Также «Эльбрус-2С+» дополнила поддержка памяти DDR2 с эффективной частотой 800 МГц. Выросла производительность процессора — до 28 GFLOPS в 32-разрядном режиме. Количество транзисторов достигло 368 млн.

    Разработчики реализовали версию компилятора языка C, чтобы воспроизводить код для ядер DSP и наладить эффективное взаимодействие основной программы на ядрах CPU и действий на DSP.

    По расчетам создателей, «Эльбрус-2С+» должен был использоваться в системах цифровой интеллектуальной обработки сигнала (радары, анализаторы изображений и т.д.). Но процессоры оказались лучше адаптированными под гражданские задачи. К примеру, компанией Kraftway была запущена тестовая серия моноблочных компьютеров на базе кристаллов «Эльбрус-2С+».



    Процессор «Эльбрус-2С+»

    Процессор «Эльбрус-4С»


    В апреле 2014 г. компания представила усовершенствованные четырехъядерные процессоры «Эльбрус-4С».

    Технические характеристики «Эльбрус-4С»
    Технологический процесс 65 нм
    Число ядер архитектуры 4
    Тактовая частота 800 МГц
    Пиковая производительность 64 разряда — 25 GFLOPS
    32 разряда — 50 GFLOPS
    Кэш-память команд 1-го уровня 128 КБ
    Кэш-память данных 1-го уровня 64 КБ
    Кэш-память 2-го уровня 8 МБ
    Организация оперативной памяти До 3 каналов DDR3-1600 ECC
    Пропускная способность каналов оперативной памяти 38,4 ГБ/с
    Рассеиваемая мощность До 60 Вт
    Количество транзисторов 986 млн

    В первую очередь стоит обратить внимание на переход производства процессора на 65 нм технологический процесс. Также возросла и тактовая частота, пропускная способность каналов оперативной памяти. Эти и другие улучшения существенно повлияли на рост производительности новых процессоров. Каждое ядро за один такт способно исполнить до 23 операций. В операциях с плавающей запятой пиковая теоретическая производительность четырёх ядер составляет около 50 GFLOPS одинарной точности и 25 GFLOPS двойной точности. Если сравнивать с предыдущей моделью «Эльбрус-2С+», то в 64-разрядном режиме — это более чем в три раза выше. В новом процессоре более сложный кристалл, который содержит 986 млн транзисторов, имеет полезную площадь в 380 мм2.



    Процессор «Эльбрус-4С»

    Специалисты МЦСТ создали собственную операционную систему «Эльбрус» специально под выпущенный процессор. ОС основывается на базе ядра Linux версии 2.6.33. В ее составе насчитывается свыше 3000 программных пакетов (из дистрибутива Debian 5.0) и есть менеджер пакетов. Включен полный набор инструментов разработчика, в том числе и компиляторы оптимизации для языков программирования высокого уровня С, С++, Фортран-77 и Фортран-9.

    ОС «Эльбрус» была сертифицирована по второму классу защиты от несанкционированного доступа и второму уровню контроля за недекларированными возможностями. Но компьютеры на базе процессоров «Эльбрус-4С» работают и с версиями ОС Windows.

    Тандем процессора и настольного компьютера


    Одним из проектов компании стала разработка первого российского настольного компьютера на базе процессора «Эльбрус-4С». Он получил название «АРМ Эльбрус-401» (где АРМ расшифровывается, как автоматизированное рабочее место). Модель разработана под офис в корпусе стандарта MiniTower. Но может применяться в разных сферах с повышенными требованиями к информационной безопасности.

    У компьютера есть технологический процесс 65 нм с тактовой частотой 800 Гц, порты SATA-2 и USB 2.0, предустановленный SSD 120 ГБ с интерфейсом mSATA и поддержкой DDR3-1600 с ECC. Базовая конфигурация предлагается 24 ГБ оперативной памяти (с возможностью расширения до 96 ГБ). Среди особенностей архитектуры «АРМ Эльбрус-401» можно выделить следующие: наличие 6 параллельно работающих каналов арифметико-логических устройств; регистровый файл из 256 84-разрядных регистров; аппаратную поддержку циклов; поддержку спекулятивных вычислений и однобитовых предикатов; команду, которая может задать в одном такте до 23 операций при максимальном заполнении. Также в компьютер установлена видеокарта AMD Radeon серии 6000.



    Компьютер «АРМ Эльбрус-401»

    Процессор нового поколения — «Эльбрус-8С»


    Разрабатывает процессор «Эльбрус-8С» компания МЦСТ при участии Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ) им. И.С. Брука. Архитектура, схемотехника и топология микропроцессора были созданы российскими специалистами. У процессора восемь ядер с улучшенной 64-разрядной архитектурой «Эльбрус». Тактовая частота достигает 1,3 ГГц, объем кеш-памяти второго и третьего уровня — 4 и 16 МБ. Предполагаемая производительность достигает 250 GFLOPS.

    Технические характеристики «Эльбрус-8С»
    Технологический процесс 65 нм
    Число ядер архитектуры 8
    Тактовая частота 1.3 ГГц
    Пиковая производительность 64 разряда — 125 GFLOPS
    32 разряда — 250 GFLOPS
    Кэш-память 2-го уровня 512 КБ
    Кэш-память 3-го уровня 16 МБ
    Количество контроллеров памяти 4
    Организация оперативной памяти DDR3-1600 ECC
    Пропускная способность каждого канала межпроцессорного обмена 8 ГБ/сек
    Рассеиваемая мощность 60 — 90 Вт
    Площадь кристалла 350 мм2

    У компьютера присутствует своя архитектура «Эльбрус», которая разработана в ЗАО «МЦСТ». Векторные ускорители систем команд помогают сделать шифрование и обработку сигналов более быстрым.

    Взаимодействие аппаратной части с ОС происходит через собственный микрокод BIOS. Процессор совместим с дистрибутивами Linux, FreeBSD, QNX, Windows XP, но рекомендованная операционная система «Эльбрус» на базе ядра Linux 2.6.33. Применение специализированных средств разработки (оптимизирующие компиляторы с языков C и C++, Фортран, Java и т.д.) дает возможность оптимизировать код программы с учетом архитектуры «Эльбрус».



    Процессор «Эльбрус-8С»

    Компанией уже разрабатываются служебные программы и вспомогательные компоненты, оптимизированные для работы на процессорах. Это все — средства для работы с сетью и периферийными устройствами (утилиты, библиотеки общего назначения, сервисы, поддержка баз данных, графическая подсистема).

    «Эльбрус-8С» должен работать в паре с КПИ 2 — контроллером периферийных интерфейсов российского производства.


    

По традиции, немного рекламы в подвале, где она никому не помешает. Напоминаем, что в связи с тем, что общая емкость сети нидерландского дата-центра, в котором мы предоставляем услуги, достигла значения 5 Тбит / с (58 точек присутствия, включения в 36 точек обмена, более, чем в 20 странах и 4213 пиринговых включений), мы предлагаем выделенные серверы в аренду по невероятно низким ценам, только неделю!.
    ua-hosting.company 143,46
    Хостинг-провайдер: серверы в NL / US до 100 Гбит/с
    Поделиться публикацией
    Комментарии 38
    • +3
      я наверно выражу общее мнение задав вопрос: где и за сколько можно купить такой компьютер в личное пользование?
      • +7
        http://www.mcst.ru/arm-elbrus401 но цена была около 120 тыс руб за мамку с процем. Вам оно действительно нужно?
        • +2
          Зачем он в личное пользование? Он нужен для военных, объектов важных для безопасности…
          • 0
            Безопасность информации нужна не только для военных. Для коммерческих нужд тоже очень актуально. Кстати западные компании очень беспокоятся об этом, от небольшой до таких гигантов как apple и google, где безопасность не уступает военным, и это касается не только западных, нашим компаниям полагаю тоже важно быть гарантированно защищенными. Промышленный шпионаж не кто не отменял, думаю найдет своих клиентов
            • 0
              а я не только военных и перечислил :)
          • +1
            На одной из конференций они для «поиграться» предлагали скачать дистрибутив ОС, который идентичен родному, но работает на x86. Как я понял, в него входит компилятор с эмулятором под E2k. Кроме того, предлагали подключаться к их виртуалкам для проверки исполнимых файлов.
            • 0
              > На одной из конференций…
              А не подскажете на какой? Или каких-либо подробностей о получении такого дистрибутива? Мне, к сожалению, пока в их докладах не доводилось слышать подобных предложений.

              > Кроме того, предлагали подключаться к их виртуалкам для проверки исполнимых файлов.
              А Вы не в курсе условий акции?
              • 0
                Современные информационные технологии и ИТ-образование 2015
                Российская аппаратно-программная платформа Эльбрус для российских компьютеров – Ким А.К., ген. директор, к.т.н., Бычков И.Н., нач. отдела, к.т.н., Волконский В.Ю., ИНЭУМ им. И.С. Брука
                К сожалению, не помню кто именно был докладчиком. И не в курсе условий акции. Любопытно было послушать, но тема не моя.
          • +4
            > В 1980 г. «Эльбрус-1» с общей производительностью 15 млн оп/с успешно прошел государственные испытания.
            > Это была первая ЭВМ в Советском Союзе, построенная на базе ТТЛ-микросхем.
            Это, мне кажется, неверно. ТТЛ-микросхемы в СССР массово выпускались ещё в начале 1970-х, и использовались как элементная база даже для древних ЕС ЭВМ поколения «Ряд-1».
            • +2
              Для чего он? Наверное, для военных? По госзаказу?
              Если будете делать микропроцессоры на Тайване по технологии 16 нм и собирать в Китае, то может быть когда-то он и станет рыночным продуктом. Говорю это с болью, а не с ехидством.
              • +4
                Рынок занят Intel. Быть еще одним VIA не имеет смысла.
                Ниша этих процессоров — военная техника. Там цена оправдывается другими критериями.
            • +1
              Если Эльбрус — это собственная система команд, отличная от x86_32 и x68_64, то как они умудрились обеспечить поддержку Windows??? Собрали из исходников, которые Microsoft в свое время отдала в ФСБ на проверку???
              А вообще крайне интересно было бы ознакомиться именно с системой команд. Вот как здесь.
              • +10
                Там не только собственная система команд. Там есть транслятор команд x86 на уровне микрокода, полагаю, что-то похожее на Transmeta Crusoe, благодаря чему работает софт из-под интеловской архитектуры. Насколько эта штука шустро работает, вопрос открытый. У Crusoe шустро не получилось, а Эльбрус вживую до сих пор никто толком не тестировал.
                • +1
                  Ну так понятно что вживую не так просто. Но хоть pdf-ку бы нормальную почитать, интересно же…
                  • +1
                    Тестировали и Эльбрус 2С и 4С. 8С еще не видели, имеются определенные надежды на контроллер периферии 2й версии. Результаты не однозначные, поскольку исполнительные устройства ядер не однородны по функционалу (например, к памяти могут обращаться далеко не все), есть сомнения по производительности КЭШей ядер.

                    В нативном режиме работают только Эльбрус ОС (дебиан) и QNX (многократно видели на выставках, по заверениям разработчика уже поставляют заказчикам). Скажем так, свою сферу применения устройство имеет, но это не лекарство от всех болезней. В режиме бинарной трансляции вроде windows и шевелится, но дальше демонстраций никто эксплуатировать не решается.
                    • 0
                      А есть результаты SPEC? было бы интересно сравнить :-)
                      • 0
                        Конкретно SPEC нет, смотрели в других «попугаях». В плане передать я скован по рукам и ногам, хорошо, что еще голова вертится =(.
                        • 0
                          А если не секрет, что за попугаи? или совсем синтетические тесты?
                          • 0
                            Dhrystone/Whetstone benchmark, собственные поделки для частных случаев.
                            • 0
                              Понятно. Ожидаемо :-)
                        • 0
                          Когда мне показывали 2С+ в далеком 2011-м, производительность в тех тестах что удалось притащить, скомпилировать и прогнать была в однопоточном режиме примерно на уровне Pentium 2 @ 300 МГц. С многопоточностью тогда вроде были какие-то проблемы.
                          • 0
                            Все зависит от опция компиляции. Результаты с -O0 и -O2/3 могут отличаться на порядки.
                            • 0
                              плюсую. Один автопараллелизатор может местами огромный привар дать.
                              • 0
                                Сдается мне что если бы там было что показать, то цифры производительности бы не скрывались.
                                Но чуда, по всей видимости, не случилось — компилируемый код работает на Эльбрусах довольно медленно, хотя я и видел статью где во вручную оптимизированном fgemm/dgemm народ на 2С+ вроде бы выжимал производительность близкую к теоретическому пику.
                              • 0
                                Это с -O2 естественно
                          • 0
                            команду, которая может задать в одном такте до 23 операций при максимальном заполнении

                            Похоже, что бодрый рапорт о производительности свидетельствует о VLIW архитектуре. VLIW — это не плохая идея, но на мой взгляд весьма бесперспективная. Безусловно, как этап в развитии — это важная веха, но, к сожалению, это не процессор будущего.
                        • +4
                          ''Так" не будет, но тем не менее, вы на сайт разработчика не пробовали зайти?
                          http://mcst.ru/files/511cea/886487/1a8f40/000000/book_elbrus.pdf
                          http://mcst.ru/publikacii-mcst
                        • +2
                          Любопытно.

                          А справка точно автобиографическая? Не вяжется как-то автобиографическая с годом смерти…
                          • 0
                            Вообще-то то, что стоит на столе — монитор с клавиатурой — это же в чистом виде ДВК-2 с парой дисководов справа. Я на ней двадцать лет назад работал — знатная игрушка была. Правда к счастью кошмар с дисководами прошёл мимо меня — там уже стоял жёсткий диск на пять мегабайт.
                            • +2
                              Как я понимаю, там ДВК как раз и использовался как терминал к большой машине.
                            • +9
                              Я работал на Эльбрусах 1 и 2. Конечно, немного знал Эль-76 (там русские операторы!), но все лудили на Фортране-77, а точнее на препроцессоре самопальном RATFIV.

                              В архитектуре памяти Эльбруса была классная вещь, на каждом слове висел триггер, который выдавал АВОСТ при чтении не инициированной памяти. Это было на уровне железа и отлаживать ошибки распаханной памяти было легко и приятно.
                              • +2
                                Лет пятнадцать назад читал большую статью по архитектуре E2k и там как раз говорилось, что они хотели эти «триггеры» перетянуть в ядра (ныне реализованные).
                              • 0
                                Интересная вещь, но цена пугает.
                                • +1
                                  Любопытно, чего это вдруг Петнковский превратился в «советско-американского» ученого? То, что человека завербовали интеля, отнюдь не делает его американским ученым. История с Пентковским — ярчайший пример утекших на запад советских наработок.
                                  • +2
                                    А Александр Степанов ученый какой страны?
                                    А разработчики(разработки) не утекли, если были бы кому-то здесь нужны.
                                  • +1
                                    Но процессоры оказались лучше адаптированными под гражданские задачи.


                                    Под гражданские задачи такое и даром не нать, и за деньги не нать.

                                    Вот если было сказано, что это может работать 20 лет и «конденсаторы не вспучатся» и вентиляторы не развалятся…
                                    А так… Вот допустим шибанет молния и это чудо погорит — за сколько часов можно поставить замену?
                                    • +1
                                      Кто хочет протестировать Эльбрусы? Пишите на почту elbrus@bitblaze.ru не забыв указать почему интересно.

                                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                      Самое читаемое