Российский процессор Эльбрус с восемью ядрами на 1,5 ГГц (обновление)
19.11.2020История
Эльбрус – это линейка российских микропроцессоров. Исторически так сложилось, что первым прообразом современных процессоров Эльбрус послужил суперкомпьютер Эльбрус-3. К сожалению, он не был полностью собран, а только в виде несколько шкафов. Наладка не была доведена до конца, и эти шкафы разобрали.
Но идеи, что закладывались в Эльбрус-3, не канули в лету и возродились в первом российском микропроцессоре Эльбрус. Его выпуск припал на 2007 год.
На протяжении следующего десятилетия ЦП совершенствовались, увеличивалась их мощность в гигафлопсах, уменьшались нанометры в техпроцессе. Значимыми достижениями стали разработки процессоров Эльбрус-2С+, Эльбрус-4С, Эльбрус-8С.
Разработки МЦСТ
Цепочка наработок привела к разработке в 2020 году сильно модифицированной версии последнего процессора Эльбрус-8СВ. Серийный выпуск его запланирован на 2020 год. Основной показатель русского ЦП – вычислительная мощность – 580 гигафлопс одинарной точности и продвинутая микросхема. Мощность 8СВ более чем в 100 раз превышает такие же показатели первого ЦП из этой линейки.
Эльбрус – это пять поколений микропроцессоров. Из них 4 поколения находятся в серийном производстве.
Микросхемы содержат от одного до 8 ядер, в том числе микросхема со встроенным графическим ядром. Используемые технологии от 130 нм до 28 нм.
Специфика данных микропроцессоров в том, что система команд российская. Она была разработана специалистами . Имеет много общего с системой команд Эльбрус-3.
Современный процессор выдает до 25 операций в такт (8С и 8СВ) и является универсальным (работает практически с любым программным обеспечением).
Наработки компании
Так как МЦСТ сами разработали систему команд и используют нестандартный подход, ими была разработана и сама логика процессора самостоятельно. Это не какая-нибудь лицензированная версия процессоров ARM, Intel и прочих. Это самостоятельная разработка в России.
В России разработаны:
- логика самого ядра;
- топология микросхемы;
- функциональные блоки, что есть в МПЦ помимо самого ядра (кэш-память, контроллер памяти, периферийные контроллеры для обеспечения каналов ввода-вывода);
Некоторые блоки приходится брать у других фабрик, лицензировать и применять к собственным наработкам. К сожалению, так устроена цепочка строения микропроцессоров, и компания МЦСТ не может разрабатывать все. Но это не является препятствием, чтобы считать процессор не российским.
Процесс построения
Разработка ЦП – это довольно схожий процесс с разработкой программного обеспечения. Описание основных логических блоков ведется на языке высокого уровня:
- Verilog;
- HDL;
- Иные схожие по форме с языком программирования С.
Когда разработчик описал какой-то логический узел, он транслирует это описание на языке высокого уровня в логические цепочки. Дальше идет интеграция в единый проект наработок компании МЦСТ и наработки от других компаний (например, логические и физические блоки, что реализуют внешний контроллер) Если сравнивать с программированием софта – это аналог внешних подключаемых библиотек.
Далее, создается топология – финальное размещение всех логических цепей вместе с транзисторами и лицензированными блоками (выдаваемые в виде готовых кусков топологии) на кристалле, и обеспечение полноценного функционирования работы этого кристалла. Это сродни аналогу компиляции программы вместе со всеми библиотеками и сборки в один исполняемый бинарный файл.
В конечном счете получается топология, как набор рисунков – фактические рисунки дорожек. Это рисунки слоев, из которых будут получаться транзисторы и другие активные и пассивные элементы. Позже, эти рисунки отдаются на фабрику.
Фабрика делает логически простую, но в то же время тонкую и сложную операцию:
- переносит эти рисунки на поверхность кристалла;
- проводит травление;
- проводит легирование.
То есть запускает целый цикл технологических операций для переноса на кремниевую пластину слоев, которые в сумме создадут работающую микросхему на кристалле.
Но сам по себе кристалл нельзя использовать, поэтому вместе с ним создается подложка – это фактически часть корпуса микросхемы. Пластина является миниатюрной печатной платой.
На эту печатную плату напаивается кристалл. У последнего есть специальные контакты, что запаиваются на контактной площадке на подложке. Подложка разводит контактные площадки до контактных площадок на нижней стороне микросхемы.
Все операции делаются с помощью специализированных средств разработки системы автоматического проектирования (САПР).
Контроллер для процессора и печатная плата тоже являются отечественной разработкой, потому как материнские платы зарубежных компаний не подходят под данную линейку процессоров.
Материнская плата для процессоров Эльбрус использует как отечественные наработки для установки самого ЦП, так и наработки других компаний, для подключения жестких дисков, оперативной памяти, графических карт и прочих устройств, необходимых заказчику.
Российские производители процессоров
Первым делом отметим отечественные компании, которые сегодня заняты производством процессоров. Вы удивитесь, но их не одна и не две:
- МЦСТ «Эльбрус» (отечественное продвижение) и МЦСТ «Спарк» (зарубежное продвижение). Сильные стороны разработок: использование математических вычислений и высокий уровень защиты против взлома системы.
- НИИСИ («Комдив-32»). Сильные стороны: неафишируемые проекты высокопроизводительной архитектуры, противорадиационная устойчивость разработок.
- «Байкал Электроникс». Сильные стороны: первый в России 28-нм чип. Устройства можно использовать не только для компьютеров, но для различного сетевого оборудования, станков, телевизоров, принтеров и проч.
- «Элвис», «Элвис-Неотек». Основные нише производства: техника для применения в космосе и «умные» камеры.
- «Модуль». Основные сферы использования разработок: цифровое телевидение, космическая и авиационная промышленность.
- «Миландр». Выпуск микроконтроллеров, призванных работать в суровых условиях.
- «КМ211». Полностью отечественные микроконтроллеры и смарт-карты.
- «Мультиклет». Процессоры, имеющие мультиклеточную универсальную архитектуру и полностью российскую микроархитектуру.
- «ГеоСтар Навигация». Производство необходимых модулей для ГЛОНАСС.
Каким был первый российский процессор? Это «Байкал-Т1». Самый мощный российский процессор на сегодня — от того же производителя. Это 8-ядерный «Байкал-М». Но, к слову, популярная «Интел» здесь «обошла» российского производителя. Корпорация анонсировала выпуск линейки 18-ядерных процессоров Xeon D2100.
Давайте теперь перейдем к обзору разработок двух российских гигантов — «Байкала» и «Эльбруса».
Технические характеристики
В таблице представлены характеристики эксплуатируемых и вскоре вводимых в эксплуатацию процессоров.
Возможности
Для инициализации всех компонентов готового компьютера на Эльбрусе применяется аналог BIOS, именуемый программой начального старта. Она способна выполнить подготовительные работы при запуске и передать управление на загрузку операционной системы.
Windows или Linux применить в таком варианте компьютера невозможно. Используются собственные ОС от МЦСТ. Их за все время появилось несколько, и все их объединили под названием «Операционные системы Эльбрус». Вскоре, вместе с серийным выходом Эльбрус-8СВ выйдет новая ОС Эльбрус-linux – на основе ядра linux. По составу пакетов последняя ОС близка к Debian 9 версии.
Приложения с открытым исходным кодом без особых проблем портируются на Эльбрус-linux. Игры с Open Source тоже были перенесены и запущены на процессоре Эльбрус 4 поколения (4 ядра, 800 МГц). Например:
Такие игры были портированы командой МЦСТ. Разработчикам пока что не выгодно портировать игры под систему Эльбрус, потому как прибыли с этого на данном этапе развития экосистемы они не получат. Но не исключено, если исходники современных популярных игр (Dota 2, GTA 5, PUBG) будут в руках разработчиков, они смогут их скомпилировать и без проблем запустить на ПК.
Программы и утилиты. Что есть?
Libre Office не всегда может заменить MS Office
Да, так оно и есть. В состав ОС входят все для необходимые работы пакеты, базовый набор программ и драйверов.
Но даже в сравнении с облегченными вариантами Linux (Mint, «Росинка», «Астра») он очень мал. Речь не идет о возможности выбора между вариантами — все, что есть, представлено в единственном экземпляре.
Mozilla ценится военными разработчиками. Почему? Кто знает?
Речь о банальном отсутствии хотя бы каких-то программ за рамками простейшей офисной работы: аналог MS Office, просмотрщики контента и документов, браузер и почта.
Системные утилиты отсутствуют — представлены только стандартными пакетами из состава базового дистрибутива Debian.
Стоит обратить внимание на версии ПО: все они не первой свежести. Некоторые из пакетов в текущем виде не поддерживаются разработчиками.
Такова судьба любого одобряемого силовыми структурами ПО: каждая строчка должна быть проверена, а это очень много времени.
Исключение — среда разработки Code::Blocks (в состав входит компилятор программ «Эльбруса» для х86 и SPARC). Так же в единственном экземпляре, да ещё и с явно специфической направленностью.
К сожалению, блок для работы с процессорами архитектуры «Эльбрус» отсутствует.
Даже многим программистам набор кажется реликтом прошлого
Можно только предполагать (или искать), что написанные программы можно будет перекомпилировать при наличии доступа и самого процессора.
Сравнение с Intel
Компания Intel по капитализации и наработках во много раз превосходит компанию МЦСТ. Но это не мешает сравнить принципиально и технологически разные процессоры по разным показателям.
Планы на будущее
Останавливаться на достигнутом МЦСТ не собирается, поэтому в 2021 году будет запущено серийное производство разрабатываемого ныне процессора Эльбрус-16С. Это будет шестнадцати ядерный ЦП с производительностью в 750 Гфлопс/с двойной и 1,5 Тфлопс/с одинарной точности.
Как и 8СВ, это будет ЦП пятого поколения архитектуры. Из особенностей можно выделить:
- Использование системы на кристалле для внесения «южного моста» в ЦП;
- Поддержка виртуализации на аппаратном уровне, в том числе в кодах Интел x86/64;
- Рост производительности ядра за счет поддержки динамической оптимизации.
Обещается применять техпроцесс 16 нм с количеством применяемых транзисторов около 6 млрд на площади кристалла в 400 кв. мм.
Цена при массовом производстве станет доступной для потребителя. Адекватная стоимость российских процессоров Эльбрус и доступность на их базе персональных компьютеров сможет привлечь многих пользователей работать с отечественной экосистемой.
Intro
К теме «русского процессора» можно подходить с разных сторон, таких, например, как «показ кузькиной матери» и «наш ответ Чемберлену». В конце концов, изничтожаем же мы бульдозерами сыр с плесенью, чем импортные процессоры хуже? В топку их, пусть хрустят под цилиндрами строительных катков со всех экранов страны! Даешь российский кремний!
Это, конечно, страшный популизм. На самом деле стоит задуматься вот о чем: если зависимость российского потребителя от дорблю и маскарпоне достаточно эфемерна, то микроэлектронные компоненты сегодня в буквальном смысле повсюду. Большинство из них — зарубежного производства.
Вот вопрос на засыпку: можно ли считать сыр российским, если технологическая линия на российской сыроварне управляется импортными процессорами и контроллерами? Это плохо или ничего ужасного в этом нет? В конце концов, жили же мы десятки лет с массовыми закупками электроники. Сейчас она повсюду: помогает управлять транспортом и финансовыми потоками, производством и торговлей.
Сторонники теории заговоров говорят, что это плохо. Случись перебои с поставками ключевых кремниевых комплектующих, и важные информационные системы встанут. Или, хуже того, окажется, что в процессорах, которые рулят ответственным госуправлением, супостат разместил аппаратную или микропрограммную закладку, которая жахнет в нужный момент.
При нынешних наноразмерных техпроцессах производства чипов в них можно напихать что угодно. Для защиты от этого, конечно, существуют различные сертификационные лаборатории, которые в поте лица ищут недокументированные возможности в железе для стратегически важных систем. Но при таких проверках речь идет о математической статистике: из огромной партии выбираются для проверки лишь несколько экземпляров. Как говорится, «лучше перебдеть» и начать обеспечивать себя процессорами.
Но развитие отечественной микро- и наноэлектроники — это не только вопрос государственной безопасности. Самое важное — это вовлеченные в процесс разработки люди. Любое улучшение производительности процессора — сложнейшая многофакторная оптимизационная задача, которая требует работы высококвалифицированных инженеров, программистов и персонала фабрик. Люди, способные решать такие задачи, должны быть для государства значительно более ценным ресурсом, чем ломящиеся от сыра закрома, да простят меня сыровары.