«Эльбрус» — это многоядерный универсальный высокопроизводительный микропроцессор с уникальной , разработанный ЗАО «МЦСТ».

Микропроцессор имеет высокую защищённость и позволяет избежать внедрения на аппаратном и программном уровне так называемых , программ, способных вывести из строя или нарушить работу компьютерной техники.

Где используют процессор?

Основные сферы применения процессора:

• серверы,
• персональные компьютеры,
• ноутбуки,
• вычислительные комплексы и т. д., используемые на объектах с повышенными требованиями к информационной безопасности.

Что представляет собой микропроцессор «Эльбрус-4С»?

«Эльбрус-4С» — четырёхъядерный процессор, работающий на частоте 800 МГц, который поддерживает работу с тремя каналами памяти. Также имеется кэш-память общим объёмом 8 Мегабайт. Процессор произведён по технологии 65 нанометров, его среднее энергопотребление составляет 45 Ватт.

«Это универсальный микропроцессор, который характеризуется уникальными особенностями своей архитектуры. В зависимости от предназначения конкретной техники, её можно применять в жёстких условиях. Например, некоторую технику можно погружать в воду, на некоторой можно работать на Северном полюсе или же использовать при температуре ниже 40 градусов», — рассказал АиФ.ru главный конструктор ВК «Эльбрус 401-PC» Василий Воробушков .

В чём уникальность микропроцессора?

Архитектура микропроцессоров на базе «Эльбрус» позволяет:

На какой операционной системе работает микропроцессор?

Базовой операционной системой «Эльбрус» является ОС «Эльбрус», построенная на базе Linux. Система программирования платформы поддерживает языки С, С++, Java, .

Где производятся микропроцессоры «Эльбрус»?

Микропроцессоры «Эльбрус-2СМ», «Эльбрус-4С» и другие производятся на зеленоградских предприятиях «Ангстрем» и «Микрон». Новейший микропроцессор «Эльбрус-8С» выпускается на Тайване, на фабрике TSMC, поскольку в России микроэлектронных производств с технологией 28 нанометров на сегодняшний день не существует.

Материнская плата на базе микропроцессора Эльбрус 4с. Кадр youtube.com

Где можно приобрести технику на базе процессора «Эльбрус»?

Как утверждает помощник гендиректора по маркетингу «МЦСТ» Константин Трушкин , в компании пока не видят возможности продажи техники для частных лиц. Заказы принимаются только от юридических лиц (компаний).

Сколько стоит техника на базе процесса «Эльбрус»?

АиФ.ru не располагает информацией о цене вычислительной техники разработки МЦСТ. Как сообщает издание TJournal, стоимость персонального компьютера «Эльбрус-401» из первой тестовой партии обойдётся заказчикам по цене около 200 тысяч рублей.

В компании МЦСТ говорят, что стоимость продукции может снизиться при условии увеличения производства. «Краеугольным фактором, определяющим цену, является серийность изделия. Если изделие является уникальным или же предназначено для выполнения каких-то специфических задач, то стоимость на него низкой не будет никогда ни у нас, ни у кого-либо ещё. Если вы посмотрите в интернете на цену индустриальной вычислительной техники, производимой за рубежом, например компании General Electric, то будете приятно удивлены. Когда, к примеру, стоимость индустриальной видеокарты составляет 7 тысяч евро. И это только одна видеокарта, обратите внимание. Если речь идёт о каком-то массовом рынке вычислительной техники, то здесь всё упирается в серийность изготовления. Если есть возможность выйти на серию свыше 10 тысяч штук, то можно достичь вполне конкурентоспособной цены», — заявил Воробушков.

*Архитектура — основная компоновка частей компьютера и связь между ними.

**Аппаратная закладка — устройство, которое способно вмешаться в работу вычислительной системы. Результатом её работы может быть как полное выведение системы из строя, так и нарушение её нормального функционирования, например несанкционированный доступ к информации, её изменение или блокирование. К примеру, военная техника, использующая иностранный микропроцессор, в какой-то момент может полностью отключиться, получив команду на запуск соответствующей «программы-закладки». В документах, опубликованных Сноуденом, в Агентстве национальной безопасности США имеется специальное подразделение Tailored Access Operations (TAO), которое занимается различными методами наблюдения за компьютерами с использованием «закладок».

***Такт процессора, или такт ядра процессора — промежуток между двумя импульсами тактового генератора, который синхронизирует выполнение всех операций процессора.

**** Фортран-77 и Фортран-90 (Formula Translator или же «переводчик формул») — стандарт язык программирования, имеет несколько стандартов, основными из которых являются 77 и 90. Фортран-77 был принят в апреле 1978 года, Фортран-90 утверждён в 1992 году.

Обзор микропроцессора Эльбрус-4С и российского компьютера Эльбрус-401

Российская компания-производитель микрочипов МЦСТ объявила о том, что их новый четырехядерный процессор Эльбрус-4С готов для массового производства, а также продемонстрировала компьютер на его базе – Эльбрус-401. В связи с этим мы публикуем обзор Эльбрус-4С, сравнение процессоров Эльбрус-4С и Intel, а также результат теста Эльбрус-401.

Обзор Эльбрус-4С – современного отечественного микропроцессора

О том, что МЦСТ работает над процессором Эльбрус-4С, стало известно еще летом 2014 года. Тогда же в Интернете ходили слухи, что этот процессор сможет конкурировать с разработками лидеров рынка – с процессорами Intel. Давайте проверим, насколько оказались верны эти слухи.

Итак, Эльбрус-4С содержит в себе четыре ядра и базируется не на архитектуре SPARC, а на собственной архитектуре Эльбрус (Elbrus). Ядра Эльбрус-4С работают на тактовой частоте 800 МГц, а сам чип изготовлен на основе уже не самого передового техпроцесса в 65 нм. Рассчитан Эльбрус-4С на потребляемую мощность в 45 Вт, что, учитывая целевой рынок, совсем неплохо.

Архитектура процессора Эльбрус-4С в целом соответствует архитектуре VLIW, которая выполняет инструкции в порядке, установленном и оптимизированном при помощи компилятора, в отличие от микроархитектуры Haswell для процессоров Intel, в которой процессоры сами решают задачу приоритетности инструкций. Теоретически это должно упростить процесс производства и сделать Эльбрус-4С дешевле и привлекательнее для потенциальных покупателей.

По сравнению с предшествующей моделью в микропроцессоре Эльбрус-4С кэш инструкций первого уровня был увеличен в два раза – до 128 Кбайт. С ним увеличился и кэш второго уровня – до 8МБ, распределяемых между всеми ядрами. В Эльбрус-4С встроен контролер памяти DDR3 с пропускной способностью до 38, 4 Гб/с.

Архитектура процессора Эльбрус-4С позволяет эмулировать архитектуру х86. На первый взгляд, это решение позволит российским частным и государственным компаниям уменьшить свою зависимость от продукции Intel и AMD, но на практике они по-прежнему останутся зависимыми от приложений на х86 весьма продолжительное время. Впрочем, конкурировать на равных процессоры Эльбрус с гигантами индустрии пока не могут, и сейчас мы объясним почему.

Сравнение процессоров Эльбрус-4С и Intel

Хотя Эльбрус-4С и может похвастаться относительно низким энергопотреблением и оригинальной архитектурой, в плане производительности он очень сильно отстает от конкурентов. Для сравнения мы взяли из открытых источников результаты расчетов производительности процессоров в гигафлопсах. Флопс – это единица измерения компьютерной производительности, которая отображает, какое количество операций с плавающей точкой может совершить вычислительная машина за секунду.

Результаты наглядно отображены в таблице:

Как видите, производительность Эльбрус-4С находится на уровне первого поколения процессоров Intel i7 и в семь раз уступает современным процессорам Интел. Но при этом цена Эльбрус-4С вряд ли будет меньше, чем у более мощного Intel i7-3900, по крайней мере, до тех пор, пока не откроется массовое производство.

Впрочем, по словам разработчиков, процессор Эльбрус-4С предназначен не для игр и развлечений, а для автоматизации производства и для комплектации рабочих мест, к которым предъявляются повышенные требования к информационной безопасности. Точная дата запуска серийного производства процессоров Эльбрус-4С пока не объявлена, и неизвестно, будет ли оно происходить на территории РФ.

Компьютер Эльбрус-401 на основе процессора Эльбрус-4С

Чтобы продемонстрировать возможности своего процессора, МЦСТ собрали на основе Эльбрус-4С персональный компьютер. Известно, что помимо процессора он содержит видеокарту AMD Radeon 6000 и интегрированный видеоадаптер, жесткий диск на 1000 Гб (SATA 2.0) и диск mSATA на плате 128 Гб. Из портов есть 6 разъемов USB 2.0 и 1 DVI/VGA выход, а также стандартные разъемы под Ethernet и аудиоаппаратуру. Компьютер Эльбрус-401 оснащен 24 Гб оперативной памяти.

Операционная система у российского компьютера тоже своя собственная, под фирменным названием «Эльбрус». Ничего принципиально нового она собой не представляет: в ней сразу же узнается сборка Linux. Но при необходимости ее можно заменить на Windows XP и другие ОС, работающие на платформе х86.

Несмотря на довольно скромные характеристики, компьютер Эльбрус-401 неплохо показал себя в работе. Разработчики устроили компьютеру Эльбрус тест, запустив на нем игру Doom 3 (BFG Edition 2012).

Как вы могли заметить, FPS во время игры варьируется в пределах 15-30 единиц. Хотя, конечно, это заслуга не только процессора Эльбрус-4С, но и мощной по меркам Doom 3 видеокарты. С другой стороны, то, что процессор российского производства оказался совместимым с видеокартой от AMD, – это уже сам по себе хороший признак. А вот стоимость компьютера Эльбрус-401 пока удручает: $3900! Да и заказы МЦСТ принимает только от юридических лиц.

Кстати, МЦСТ не собираются останавливаться на достигнутом. Сейчас они трудятся над восьмиядерным процессором Эльбрус-8С и в этом году выпустят стоечный сервер под названием «Сервер Эльбрус-4.4». А в планах у компании – создание собственного видеопроцессора и работа над материнскими платами Монокуб.

Иран хочет закупать процессоры «Эльбрус»

Россия достигла с Ираном предварительной договоренности о поставках ближневосточному государству отечественных процессоров «Эльбрус» после того, как с государства будут сняты санкции.

Договоренность с Ираном

Российский производитель процессоров «Эльбрус» подписал с Ираном рамочное соглашение о возможности организации поставок процессоров в страну. Соответствующее предложение обсуждалось в рамках заседания российско-иранской межправкомиссии 14 марта 2016 г., сообщает RNS со ссылкой на двух участников российского рынка микроэлектроники. Источник, знакомый с планами производителя «Эльбрусов», подтвердил агентству эту информацию.

По словам источника, объемы и сроки возможных поставок подлежат согласованию после планируемого снятия санкций с Ирана. Соглашение с Ираном подписала аффилированная с МЦСТ структура - Национальный центр развития инновационных технологий «Дельта», уточнил он.

По словам другого источника, речь может идти о процессорах «Эльбрус-4С». «Пока известна только одна модификация, которая выпускается серийно», - пояснил он. «Эльбрус-4С» - российский 64-разрядный универсальный микропроцессор производства компании МЦСТ.

На момент публикации этого материала представители МЦСТ не подтвердили, но и не опровергли CNews информацию о возможных поставках процессоров в Иран.

Выход компьютеров «Эльбрус-401»

В мае 2015 г. МЦСТ объявила о начале продаж первых компьютеров «Эльбрус-401» и серверов «Эльбрус-4.4» на базе российского процессора «Эльбрус-4С». Стоимость «Эльбруса-401» из первой тестовой партии составляет 400 тыс. Его стоимость «существенно снизится» после серийного запуска, отмечали в МЦСТ. Заказать «Эльбрус-401» могут только юридические лица. Предполагается, что использовать технику будут предприятия с повышенными требованиями к информационной безопасности либо военные и чиновники.

Отечественные процессоры «Эльбрус» разработки МЦСТ

В декабре 2015 г. производство отечественных персональных компьютеров «Эльбрус-401» начал «Ижевский радиозавод». Он передал первую партию из 80 компьютеров заказчику - МЦСТ, разработчика процессоров «Эльбрус-4С», которые и использованы в компьютерах «Эльбрус-401».

Как тогда пояснил CNews Константин Трушкин , представитель разработчика процессоров «Эльбрус» и заказчика ПК «Эльбрус» компании МЦСТ, произведенные в Ижевске ПК предназначены для пилотных проектов и внедрений, а также для разработчиков, которые желают заняться переносом своих разработок на платформу «Эльбрус».

Чип второго поколения

В январе 2016 г. в России началась разработка вычислительной техники на базе микропроцессора «Эльбрус-8С». Это чип нового поколения . Он обладает восемью ядрами с тактовой частотой 1,3 ГГц, его производительность составляет 250 Гфлопс. Для сравнения, производительность микропроцессора предыдущего поколения - 4-ядерного «Эльбрус-4С», построенного по 65-нм технологии, - в пять раз ниже, она составляет 50 Гфлопс.

Особенность процессоров

Основная особенность линейки отечественных процессоров «Эльбрус» - заложенный в архитектуру принцип явного параллелизма операций. Помимо высокой производительности и энергоэффективности процессоров, он дает возможность применять их в замещении импортных вычислительных систем там, где этого требуют соображения информационной безопасности и технологической независимости.

Ранее уже началось производство первой серии серверов «Эльбрус 4.4», которые были разработаны организацией МЦСТ с участием процессоров «Эльбрус-4С». Теперь же производитель расширил свой ассортимент первым персональным компьютером - Эльбрус-401.

В продаже первый российский компьютер Эльбрус-401 появится уже летом. Стоить он будет, по словам помощника гендиректора по маркетингу МЦСТ Константина Трушкина, 400 тыс. рублей. Предназначен этот компьютер по цене автомобиля для тех покупателей, у кого имеются «перспективные проекты».

К. Трушкин объясняет ценник следующим образом: « Сейчас мы производим одну из первых опытных партий. Она, к сожалению, получается достаточно дорогой, но мы видим спрос, большой интерес даже на этих условиях. Мы пока не видим возможности, скажем так, и, может быть, даже не видим большого смысла для, таких, рядовых покупателей, для частных лиц, для энтузиастов обращаться к нам с просьбой продать эту машину просто потому, что она достаточно дорогая ».

То, что компьютер с отечественным процессором появился именно сейчас, имеет неплохую перспективу в будущем. По мнению представителей МЦСТ, в скором времени подобные устройства значительно подешевеют. К 2020 году планируется сделать компьютеры более массовым, что отлично совпадает с планами Минпромторга по импортозамещению, касающихся не только программного обеспечения, но и электроники.

Работает процессор Эльбрус-4С на тактовой частоте 800 МГц, оперативная память - 24 Гб, при чем ее можно увеличить до 96 ГБ. Жесткий диск имеет объем 1ТБ, mSATA - 128ГБ. Материнская плата также имеет набор периферийных интерфейсов. Видеокарта здесь не отечественного производства - штатная AMD Radeon 6000. Операционная система собственная - ОС Эльбрус, построенная на основе Linux. Некоторые приложения имеют открытый исходный код. Также есть возможность установки других операционных систем - Windows XP и вариации Linux. Сейчас идет прием заявок на приобретение компьютера, но только от юридических лиц.

Характеристики :

четырехъядерный микропроцессор Эльбрус-4С (800 МГц, 2 МБ кэша) с производительностью до 50 Гфлопс;

• 24 ГБ (3x 8 ГБ) оперативной памяти DDR3-1600;
• жесткий диск SATA 3 Гбит/с объемом 1 ТБ;
• mSATA SSD объемом 128 ГБ;
• интегрированное видеоядро Silicon Motion SM718 16 МБ (2D, 1920x1080);
• дискретная видеокарта Radeon серии HD 6000;
• пишущий DVD-привод;
• 450 Вт блок питания;
• корпус форм-фактора Mini-Tower.

Мнение Байон

Компьютер построен на различной с компьютерами Intel архитектуре и предназначен в большей степени для решения узкоспециализированных задач. Поэтому предлагаем не смущаться невысоким на первый взгляд показателем частоты процессора - 800МГц. Недостающие характеристики российского процессора с успехом компенсируются преимуществами в архитектуре отечественного устройства.

Всем нам знакомы процессоры Intel Pentium. Существует мнение, что свое название он получил в честь российского ученого Владимира Мстиславовича Пентковского, который руководил разработкой архитектуры процессора Pentium III, а ранее работал в МЦСТ и разрабатывал советский суперкомпьютер Эльбрус.

С момента зарождения вычислительной техники в нашей стране проектирование высокопроизводительных систем рассматривалось как одна из важнейших целей отечественной науки. С 90-х годов исследования были связаны с принципиально новым условием - необходимостью выполнения новых разработок на базе российских микропроцессоров. В итоге был создан «Эльбрус» - процессор, по своим вычислительным мощностям не уступающий лучшим зарубежным моделям.

История создания

В настоящее время всего в нескольких странах мира проектируют компьютеры на микропроцессорах собственной разработки - в США, Англии, Японии и Китае. Очевидно, что в рамках безопасности и импортозамещения России также требуется свой процессор, достаточный для обеспечения требований вооруженных сил, силовых ведомств, органов управления и образования. А по возможности - и коммерциализация продукта. После десятилетий активных работ ученым и инженерам Московского центра Спарк-технологий (МЦСТ) не стыдно представить новейшую разработку 2014-15 годов: восьмиядерный процессор «Эльбрус 8с». Но до этого исторического события был пройден длинный путь теоретических расчетов и практических изысканий.

В СССР выдающееся значение в становлении и развитии вычислительной техники имели работы академика С. А. Лебедева. В руководимом им при Академии наук Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) были созданы электронные (ЭВМ) пятнадцати моделей - от первых, ламповых, до быстродействующих машин на интегральных схемах.

«Эльбрус-1»

Идея архитектурной линии, впоследствии заложенной в российский процессор «Эльбрус», родилась в 1969 году. Поводом для разработок послужила необходимость «интеллектуализации» стратегических систем. Главным конструктором стал В. С. Бурцев, выдающийся специалист по вычислительной технике, впоследствии академик РАН.

В 1979 году в ИТМ и ВТ госкомиссии было представлено первое поколение многопроцессорного вычислительного комплекса (МВК) «Эльбрус». Процессор был спроектирован на базе TTL-логики. Система использовалась в военной промышленности.

«Эльбрус-2»

Через шесть лет успешно прошло испытание второе поколение МВК «Эльбрус». Процессор и новая были полностью отечественной разработки. Система базировалась на быстродействующих с эмиттерно-связанной логикой серии ИС-100. Производительность «Эльбрус-2» в десятипроцессорной конфигурации составляла 125 млн. операций в секунду.

МВК строился по модульному принципу с повышенной надежностью. Благодаря быстродействию и отказоустойчивости комплекс использовался много лет в ключевых объектах стратегических систем. Уникальные для того времени характеристики МВК достигались внедрением и развитием ряда передовых идей в организации вычислительного процесса.

«Эльбрус-3»

Следующим этапом (1986-1994) стало создание третьего поколения МВК «Эльбрус». Процессор стал еще более мощным, элементная база - более совершенной. Руководителем проекта выбрали член-корреспондента АН Б. А. Бабаяна. Кстати, он внес фундаментальный вклад в разработку МВК «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2».

Оценив преимущества и недостатки разработанной им суперскалярной архитектуры, реализованной во втором поколении МВК, Борис Арташесович предложил более продвинутую реализацию концепции широкого командного слова. До развала Союза специалисты успели собрать опытный образец, однако финансирование в дальнейшем новые власти прекратили.

Новейшее время

Продолжение этой проектной линии связано с деятельностью ЗАО МЦСТ. В его структуре ведущие отечественные микроэлектронщики, сделав принципиальную ставку на использование микропроцессорных технологий, приступили к созданию двух серий микропроцессоров и вычислительных комплексов на их основе. Эти работы впоследствии позволили создать мощный русский процессор «Эльбрус» 2014 года выпуска.

Проектной основой первой серии стала открытая архитектура Scalable Processor Architecture (SPARC), специфицированная корпорацией Sun Microsystems. На ее основе были созданы процессоры семейства «R».

Базой второй серии стала оригинальная архитектура «Эльбрус», развивающая принципы, которые были апробированы и заложены в МВК-3 (первоначально она именовалась «архитектура E2k»). Всего было создано четыре основных типа процессоров. Итак, «Эльбрус» (процессор): сравнение моделей приведено в таблице ниже.

«Эльбрус-4с»

Одной из последних удачных разработок компании МЦСТ стал процессор «Эльбрус-4с». Его архитектура основана на оригинальной разработке, базой для которой послужила микроархитектура VLIW. За процессы вычисления отвечают 4 ядра по 800 МГц, кэш-память по 2 Мб на каждом ядре.

Несмотря на кажущуюся архаичность в плане технологии производства (большие размеры, небольшая частота, техпроцесс «прошлого века» 65 нм), эффективность электронного устройства сравнима с процессорами Intel серии «i». При меньшем потреблении мощности (45 Вт) его производительность составляет до 50 Гфлопс. Для сравнения: старшая модель Extreme Edition имеет производительность 53 Гфлопс при гораздо больших частотах и энергопотреблении. Этот современный русский процессор «Эльбрус» 2014 года выпуска прошел положенные испытания и вышел в серию.

«Эльбрус-8С»

Похоже, время эволюции закончилось, настал черед революционного для отечественной микроэлектроники прорыва. ЗАО «МЦСТ» совместно с Институтом электронных управляющих машин разработало и выпустило инженерные образцы продукта нового поколения. К промышленному производству готовится процессор «Эльбрус 8с», создаваемый по 28-нанометровому техпроцессу.

Работать устройство будет в паре с контроллером также отечественной разработки КПИ-2. Хотя контроллер пока выпускается по 65 нм техпроцессу, он поддерживает три гигабитных сетевых контроллера Ethernet, 20 линий 2.0, восемь USB-портов 2.0, восемь SATA-портов. Обмен данными с процессором составляет 16 Гб/сек.

Технические характеристики

Производитель раскрыл основные характеристики новейшей системы «Эльбрус»:

• Процессор - 8 ядер без гипертрединга.
• Площадь кристалла - 350 мм 2 .
• Кэш второго уровня для каждого ядра - 512 Кв.
• Кэш третьего уровня является общим - 16 Мб.
• Исполнение за такт - 30 операций.
• Частота тактовая - 1,3 ГГц, при этих параметрах гарантируется бесперебойная работа всех ядер неограниченное время, даже при стопроцентной загрузке.
• Производительность (пиковая) - 250 Гфлопс.
• Мощность - 60-90 Вт.
• Лицензионная независимость от Intel, при этом обеспечена поддержка основных операционных систем с архитектурой x86/x86-64.

Как видим, российский процессор "Эльбрус" последнего поколения в пять раз производительнее модели 4С.

Архитектура

В качестве важнейшего результата компания ЗАО МЦСТ разработала оригинальную микропроцессорную архитектуру «Эльбрус». Процессор ориентирован на получение максимальной для данных аппаратных ресурсов показателей производительности. В общей классификации она относится к категории архитектур, использующих принцип широкого командного слова VLIW (Very Large Instruction Word), когда компилятор формирует для параллельного исполнения последовательности групп команд (широкие командные слова), в которых отсутствуют зависимости между командами внутри группы и сведены к минимуму зависимости между командами в разных группах.

Таким образом, русский процессор «Эльбрус» в высокой степени использует параллелизм на уровне операций, присутствующий в данном программном коде. В результате достигается большая архитектурная скорость за счет освобождения аппаратуры от функций распараллеливания, присущих суперскалярным архитектурам, и передачи их оптимизирующему компилятору. Это обусловило и другую важнейшую особенность, свойственную архитектуре «Эльбрус» - низкий уровень энергопотребления аппаратуры.

Наряду с эффективным использованием параллелизма операций в архитектуре устройства «Эльбрус» заложена реализация и других видов (уровней) параллелизма, свойственных вычислительному процессу:

• параллелизма задач в многомашинных комплексах;
• параллелизма потоков управления на общей памяти;
• векторного параллелизма.

Совместимость с архитектурой x86

В качестве принципиального требования к архитектуре разработчики изначально рассматривали обеспечение эффективной двоичной совместимости с доминирующей архитектурой микропроцессора Intel x86. Она реализуется на базе скрытой динамической трансляции и ее поддержки в аппаратуре микропроцессора «Эльбрус». Также к определяющим свойствам новой отечественной архитектуры относится развитая аппаратная поддержка защищенных вычислений (модульного программирования), существенно облегчающая работу программистов при создании больших программных комплексов с ограниченными сроками исполнения.

Практическое применение

Где же планируется применять российские процессоры? Необходимо понимать, что данная продукция разрабатывается с единственной целью - обеспечить самодостаточную, независимую от поставок и лицензирования микроэлектронику и вычислительную технику. Компьютеры на процессоре «Эльбрус» с повышенным уровнем безопасности и защищенностью от компьютерных вирусов востребованы в военной промышленности, в службах безопасности, важных государственных учреждениях.

Между тем, система позволяет устанавливать привычные Windows и Linux, что открывает путь если не к рядовому потребителю, то к корпоративному сектору. Компания МЦСТ предлагает защищенные компьютеры и серверы, способные функционировать в неблагоприятных окружающих условиях.

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.

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.

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.

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.

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.

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.