Эльбрус: из прошлого в будущее

в 13:23, , рубрики: IT-Биографии, архитектура компьютера, Блог компании ua-hosting.company, Железо, история, История ИТ, компьютеры, МЦСТ, ОС, Программирование, Процессоры, разработки, СССР, старое железо, ученые, чипы, эвм, Эльбрус

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.

Эльбрус: из прошлого в будущее - 1

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
Эльбрус: из прошлого в будущее - 2

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.

Эльбрус: из прошлого в будущее - 3

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.

Эльбрус: из прошлого в будущее - 4

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).

Эльбрус: из прошлого в будущее - 5

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+».

Эльбрус: из прошлого в будущее - 6

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.

Эльбрус: из прошлого в будущее - 7

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.

Эльбрус: из прошлого в будущее - 8

Компьютер «АРМ Эльбрус-401»

Процессор нового поколения — «Эльбрус-8С»

Разработкой процессора «Эльбрус-8С» занимается Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ) им. И.С. Брука совместно с компанией МЦСТ. 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 МГ. 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».

Эльбрус: из прошлого в будущее - 9

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.

Автор: ua-hosting.company

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля