Создан первый российский процессор с топологией 16 нм

«Эльбрусы» по цене MacBook Pro

В России производят компьютеры «Эльбрус» на основе одноименных процессоров. Пример, который уже рассмотрели со всех сторон – «Эльбрус-401 РС».

Модель поступила в розницу в январе 2017 года, но уже снята с производства. Стоит такой компьютер 199 тыс. рублей. За эти деньги вы получаете полный комплект: системный блок, 23-дюймовый монитор, клавиатуру и даже мышь.

Характеристики так себе: так, 4-ядерный чип «Эльбрус 4С» по уровню аналогичен Intel Core 2 Quad 2008 года с частотой 750 МГц, но зато есть встроенная видеокарта и дискретный адаптер на базе AMD Radeon 6000-й серии. К тому же оперативной памяти целых 24 ГБ (зачем, Карл?), и её объём можно увеличить до 96 ГБ. Да, есть ещё SSD-диск на 120 ГБ для шустрой загрузки ОС и приложений и жесткий диск на 500 ГБ.

Работает «Эльбрус-401 РС» на базе ОС на ядре Linux. Предустановленные приложения – также с открытым исходным кодом: браузер Firefox, текстовый редактор AbiWord, электронные таблицы GNumeric, клиент для электронной почты и т.д.

Что реально может «Эльбрус-401 РС» за 200 тыс. рублей? Сотрудник Института электронных управляющих машин имени И. С. Брука Максим Горшенин вместе с коллегой, инженером-программистом Алексеем Рыжковым, сняли видео об этом.

В ролике показывается режим двоичной трансляции: он позволяет запускать на «Байкалах» машинный код х86. Парни подняли на «Эльбрусе» Windows 7 и запустили культовую GTA: Vice City 2003 (!!!) года. Результат оказался не очень: при средних настройках графики fps серьёзно проседает:

Но есть модели и поновее. Например, «Эльбрус-801 РС». Характеристики не бьют рекорды: к примеру, процессор «Эльбрус-8С» (8 ядер, 1,3 ГГц, 28-нм технология) 2014 года имеет производительность 250 Гфлопс. Для сравнения: производительность консоли Xbox 360, выпущенной в 2009 году — 264 Гфлопс. Ой.

Но зато в компьютере 32 ГБ оперативной памяти, видеокарта  с 1 ГБ видеопамяти,  SSD-диск на 120 ГБ и терабайтный винчестер. Кроме процессора, все ключевые комплектующие импортные:

Кому такой компьютер будет нужен, кроме чиновников, непонятно. Характеристики сомнительные, дизайн — ну, такое… Но разработчик, компания МЦСТ, готова поставлять на рынок «Эльбрусы» сотнями тысяч в год.

Спрос на российскую технику активно создают. Так, подконтрольное Минкомсвязи НИИ «Восход» заказал 22 сервера на базе процессора «Эльбрус» на общую сумму в 49,5 миллионов рублей, а МВД — 216 серверов на базе «Эльбрус-4С» на 202,3 миллиона рублей.

А вот для сдачи экзаменов в полиции закупали терминалы на базе чипов «Байкал» – целых 9348 штук. Каждый обошелся всего в 38 тыс. рублей, в пять раз дешевле «Эльбрусов».

Возможности процессоров «Эльбрус-2С3»

Процессоры «Эльбрус-2С3» будут выпускаться на мощностях тайваньского партнера TSMC с соблюдением технологических норм процесса FinFET 16 нм, с поддержкой технологий энергосбережения. Процессор состоит из 4,3 млрд транзисторов, имеет площадь кристалла 222 кв. мм, и будет представлен в 1903-контактном корпусе HFC BGA габаритами 42,5 х 42,5 х 3,7 мм. Максимальное энергопотребление модификации К1891ВМ06А8 заявлено на уровне 30 Вт, в динамическом режиме – порядка 20 Вт.

Внешний вид двуядерного процессора «Эльбрус-2С3» шестого поколения

Для процессора характерна аппаратная поддержка защищенных вычислений с отдельным стеком вызовов, дающим преимущества с точки зрения информационной безопасности, а также аппаратная поддержка виртуализации и динамической двоичной трансляции машинных кодов х86 (х86-64) без перекомпиляции программ.

Оригинальная архитектура «Эльбрус» обеспечивает процессору высокую производительность в математических расчетах, криптографии и цифровой обработке сигналов. Процессоры «Эльбрус-2С3» представляют собой интегрированное решение класса «система на кристалле», которое содержит встроенный контроллер периферийных интерфейсов, ускорители 2D/3D-графики и кодирования-декодирования видео.

Компактность и невысокое энергопотребление позволяют применять «Эльбрус-2С3» во встраиваемых системах, решениях автоматизации производства, миниатюрных ПК, носимых терминалах, планшетах и тонких клиентах. Рабочие температуры процессора заявлены в диапазоне от -40°С до +90°С.

Пиковая производительность процессорных ядер достигает 192 Гфлопс FP32 и 96 Гфлопс FP64, 3D-графики – 300 Гфлопс FP32. Процессор оснащен кэшем L1 объемом 64 КБ под данные и 128 КБ под команды на каждое ядро, а также кэшем L2 по 2 МБ на каждое ядро (4 МБ суммарно).

Процессор поддерживает два канала оперативной памяти DDR4-2400 ECC (до 128 ГБ на канал), 16 внешних линий PCI Express 3.1, два контроллера Ethernet 2.5GBase-T, четыре канала SATA 3.0 и четыре порта USB 3.0. два канала HDMI, один канал LVDS и один канал RGB.

О защите. Пару слов

Собственно защита системы основана на 3 принципах:

• открытый код обеспечивает своевременную локализацию багов и уязвимостей (для использованных ядер они уже локализованы, будущие будут найдены свободными разработчиками схожих систем),
• права на доступ к памяти и оборудованию проверяются до попадания в кэш (то есть до исполнения),
• полная проверка составляющих системы специалистами по безопасности.

Для поддержки программ, работающих в защищённом режиме, поставляется компактная библиотека libmcst, обеспечивающая функции работы с памятью и поддержку ввода-вывода на уровне базовой библиотеки libc.

Из коробки стандартная версия «Эльбруса» все же не блещет чем-то уникальным в плане защиты, что мог бы использовать обычный юзер.

Сроки растягиваются, но нанометры уменьшаются

Отметим, что своими вышеупомянутыми утверждениями Ким
актуализировал весьма давние планы МЦСТ, которые неоднократно варьировались. В
частности в Сети можно найти доклады и презентации сотрудников МЦСТ прошлых лет
(не всегда четко датированные), в которых рассматриваемый чип давно фигурирует.

Из них можно узнать, что 32-ядерный «Эльбрус» по планам,
предположительно, 2014 г. должен был увидеть свет еще в 2020 г. Правда тогда
речь шла о топологии лишь в 14 нм, а среди других параметров назывались тактовая
частота до 2 ГГц и производительность на уровне 2-4 Тфлопс. На их основе, по
замыслам разработчиков, могли создаваться суперкомпьютеры мощностью свыше 100
Пфлопс.

По более поздним документам видно, что, не отказываясь от
идеи успеть к 2020 г., МЦСТ нацелился на топологию 10 нм. При этом
производительность уже заявлялась на уровне конкретно 4 Тфлопс.

Перенос намеченной даты окончания разработки на 2025 г. произошел
в МЦСТ не позднее 2018 г. Данных о планируемых для чипа характеристиках того
времени нет, но с появлением этих процессоров компания связывала перспективы
развития суперкомпьютеров экзафлопсной (от 1000 Пфлопс) производительности.

МЦСТ сохранит архитектуру SPARC

Рассуждая о перспективах развития компании в обозримом будущем, представитель МЦСТ также отметил, что отказываться от альтернативной по отношению к «Эльбрус» архитектуре SPARC она не намерена. Данная архитектура, в частности, нашла воплощение в процессорах МЦСТ R-1000 и МЦСТ R-2000. Второй из этих чипов увидел свет в начале 2018 г. и предположительно будет востребован в телеком-оборудовании. Со слов Трушкина можно было заключить, что в разработке находится еще один процессор. В МЦСТ наработки на SPARC считают истинно своими, хотя и признают, что система команд в них лицензированная.

Что такое интеллектуальное предприятие и почему все хотят его построить
Интеграция

Напомним архитектура SPARC (Scalable Processor Architecture — масштабируемая архитектура процессора) была разработана в середине 1980-х годов компанией Sun Microsystems, но спустя несколько лет ее спецификации стали общим достоянием. С 1989 г. развитием архитектуры занимается независимая некоммерческая организация SPARC International, продающая разработчикам лицензии на ее модификации.

SPARC была задумана как архитектура, сочетающая простоту набора команд и высокую скорость исполнения кода. В настоящий момент используется для процессоров, ориентированных на создание одноплатных встраиваемых ЭВМ и промышленных компьютеров.

В МЦСТ не скрывают, что ресурсов для развития обеих линеек у компании мало. «Но на данный момент мы понимаем, что нет смысла прекращать развитие линейки SPARC, потому что есть определенные заказчики, есть успехи, есть коллектив, который именно процессоры SPARC и разрабатывает, — рассуждает Трушкин. — Наличие двух коллективов, которые разрабатывают процессоры с двумя принципами построения, позволяет нам иметь “телескопическое зрение”, понимать различные подходы и стараться найти наилучшие приемы, например, для развития архитектуры “Эльбрус”».

Характеристики

Сколько стоила разработка

Как сообщили CNews представители МЦСТ, разработка «Эльбрус-16С» ведется по отдельному госконтракту. Редакция CNews обнаружила на сайте госзакупок тендер «Разработка и освоение серийного производства универсального микропроцессора с производительностью не менее 1,5 Тфлопс для создания на его основе систем высокопроизводительных вычислений», шифр «Процессор-15».

Заказчиком выступил Минпромторг, первоначальная цена лота на конкурсе составила 1,8 млрд руб. Тендер был объявлен в конце 2017 г., в нем приняли участие МЦСТ и НТЦ «Модуль». Обе компании не пошли на снижение стоимости. Победителем был определен МЦСТ. В процессе исполнения цена контракта выросла до 1,98 млрд руб.

Согласно сайту госзакупок, на момент публикации материала контракт был выполнен частично. Заданный срок исполнения – 20 ноября 2020 г.

Состав

В качестве блоков процессора использована часть оборудования микросхемы «Эльбрус-2С+»: процессорные ядра и системный контроллер SIC с контроллером памяти, контроллером межпроцессорных линков и контроллером ввода/вывода. Контроллер SIC переработан ввиду отсутствия ядер DSP.

Ядро микропроцессора «Эльбрус» (Core) – высокопроизводительный универсальный микропроцессор с архитектурой широкого командного слова.

Контроллер межъядерных взаимодействий (CIC) обеспечивает объединение процессорных ядер в единую систему.

Контроллер запросов MAU (MRC) находится в составе контроллера CIC и осуществляет круговой арбитраж, поочерёдно выдавая в системный коммутатор SC запросы от каждого из ядер.

Контроллер когерентных сообщений (Coh_Box) анализирует когерентные запросы от коммутатора SC, выборочно передавая их нужным ядрам, и принимает когерентные ответы от ядер, при необходимости формируя обобщённый когерентный ответ в формате одноядерной системы.

Системный коммутатор (SC) решает следующие задачи:

• обслуживание абонентов согласно политике приоритетов;
• максимально возможная загрузка межпроцессорных линков;
• обеспечение независимости пакетных потоков между различными парами абонентов (пакет из одного потока, не получающий право на дальнейшее прохождение по коммутационной среде, не должен блокировать обработку пакетов из другого потока);
• обеспечение независимости потоков командных пакетов различного типа.

Контроллер памяти (MC) разделён на два частотных домена и обеспечивает гибкую настройку рабочих частот.

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.

Почему так сложно создать процессор?

Изобретение транзистора в середине прошлого века перевернуло всю электронику – устройства становятся все меньше и имеют больше функций. Компьютеры теперь уже не занимали всю комнату – это уже было несколько стоек с платами. С середины 1960-х годов появляются микросхемы – хоть они по современным меркам и были совсем простыми, заменяли целые блоки с аппаратурой.

Но по-настоящему серьезным прорывом стало создание больших и сверхбольших интегральных схем, и в итоге – микропроцессора. Это микросхема, в которой на одном кристалле кремния физически располагаются все основные блоки процессора. Технология за десятилетия становилась все более совершенной – и к настоящему моменту процессор в обычном домашнем компьютере на порядки мощнее, чем суперкомпьютеры 1970-х.

Intel 4004 – он считается первым в мире коммерческим однокристальным микропроцессором

Прогресс привел к удешевлению процессоров настолько, что их можно встретить едва ли не в каждом бытовом электроприборе. Хороший пример – фирменный блок питания для Apple MacBook, в котором установлен 16-битный процессор, контролирующий основные параметры тока.

Процессоры во всем мире изготавливаются примерно по одной схеме – это планарная технология. Суть, если очень кратко, можно свести к таким пунктам:

• из кристаллического кремния специальными сверхточными инструментами вырезается пластина (обычно круглая). В ней, помимо очевидных параметров (толщина, диаметр) принципиально важна даже ориентация кристаллов.
• на пластину наносят несколько составов – слой полупроводника (с помощью осаждения атомов) и слой маскирующего покрытия;
• с помощью одного из видов литографии (их 7, от оптической до нанопечатной) на слое диэлектрика формируется рельеф – это, условно говоря, и есть транзисторы. Чем более совершенный техпроцесс, тем выше разрешающая способность литографии и тем меньше размер транзистора;
• пластина проходит еще несколько этапов, в том числе добавляют дополнительные слои металла;
• готовую пластину нарезают на отдельные процессоры, которые затем проходят обязательный контроль производительности.

На самом деле этапов в разы больше, и они гораздо сложнее. Уровень технологии хорошо прослеживается по разрешающей способности оборудования для литографии – если в 1970-е все начиналось с размера транзистора в 10 мкм, то сейчас самые современные процессоры в массовом сегменте электроники изготовлены по техпроцессу 7 нм, что примерно в 1500 раз меньше.

Диск после литографии

Это означает, что на одном квадратном миллиметре кристалла процессора современного смартфона (например, Samsung Galaxy S10 Lite – построен на Qualcomm Snapdragon 855) содержится в 1500 раз больше транзисторов, чем на такой же площади процессора 1970-х годов.

То есть, оборудование крайне сложное – и поэтому дорогое, работать с ним может небольшое число людей, а цены на процессоры падают так быстро, что создавать с нуля независимое производство будет так дорого, что это вряд ли окупится. Но проблема еще и в другом. Прежде чем разрабатывать «железную» часть процессора (ядро), нужно разработать его архитектуру, продумать дополнительные периферийные модули и написать программное обеспечение.

Поэтому даже у крупных производителей от получения лицензии на ядро до старта производства проходит от 9 до 18 месяцев. Если же говорить о российских производителях, их шансы на успех исчезающе малы.

Установка. Кошмар системного администратора

Скачивание — не единственная проблема, с которой пришлось столкнуться. «Эльбрус» оказался крепким орешком.

Установка через виртуальную машину Virtual Box выглядела тривиальной задачей, но на практике превратилась в несколько ночей шаманизма.

Установка «Эльбруса»

Сюрприз: минимальные системные требования системы не совпадают с заявленными и выясняются на практике методом научного тыка.

Для самой системы хватает и 512 Мб ОЗУ, но распаковка в автоматическом режиме на диск меньше 50 Гб (разделение на скриншоте) невозможна.

Без дополнительных разделов каждая вторая установка «Эльбруса» сваливается в ту или иную ошибку. Как это занимает 20 Гб, ума не приложу.

Случайно нажатие кнопки клавиатуры приводит к прерыванию

Да и с ними мороки оказывается не меньше: процесс происходит с обязательными ошибками, графическая оболочка и ряд других пакетов может не установиться, слетают учетные записи.

Для установки на жесткий диск требуется SATA 2.0 и ниже, а также DVD-привод. С USB установка невозможна (по крайней мере, у меня с дефолтными настройками не вышло).

Бюджетная система с технологией ECC

Новый бюджетный компьютер также будет поддерживать графический стандарт OpenGL десктопного класса и вывод информации на три независимых монитора с разрешением до 4К. На сегодняшний день уже доступны инженерные образцы референсных материнских плат для разработчиков ПО и конечных устройств, пояснили в концерне «Автоматика».

В мае 2020 г. CNews рассказал о том, что материнские платы форм-фактора mini-ITX, разработанные МЦСТ для неттопов, моноблоков и тонких клиентов с процессорами «Эльбрус-1С+» и «Эльбрус-8С1», получили цену в 92 тыс. и 120 тыс. руб. соответственно.

Пока нет точной информации, какие именно материнские платы будут использоваться для выпуска первого бюджетного настольного ПК концерна «Автоматика», однако ранее МЦСТ уже объявляла о планах представить первые платы форм-факторов Micro-ATX и Mini-ITX для систем на базе «Эльбрус-2С3» до конца 2021 г.

Как построить полноценное гибридное облако и снизить стоимость владения ИТ-инфраструктурой
Облака

Процессор «Эльбрус-2С3» поддерживает память DDR4 только с
кодом коррекции ошибок (ECC). Решения с поддержкой ECC, как правило,
ориентированы на рынок серверов и высокопроизводительных рабочих станций. С
учетом этого, системные платы под него вряд ли будут обладать совсем уж низкой
ценой.

Проектирование процессоров

Специалисты различают архитектуру процессора и микроархитектуру процессора.

Архитектура процессора — это система команд, которую он поддерживает. Архитектура процессоров важна для программистов: именно от архитектуры зависит, какие программы будут с этим процессором совместимы.

Микроархитектура процессора — это, грубо говоря, внутренняя схема устройства процессора в том виде, в каком её видят разработчики процессоров.

Процессоры с одинаковой архитектурой, но разной микроархитектурой могут выполнять одинаковые программы без перетрансляции, но отличаться в производительности.

Российская архитектура, российская микроархитектура

Это полностью отечественный продукт. Такие процессоры труднее продвигать на мировой рынок и наоборот — на этих процессорах сложнее использовать разработанное за рубежом программное обеспечение.

Лицензированные процессорные ядра

Россияне сами компонуют закупленные за рубежом ядра на кристалле, добавляют свои вспомогательные блоки. Написанное за рубежом программное обеспечение более-менее гарантированно работает. Процессор можно использовать для продвижения российских аппаратных блоков за рубежом (например, блок обработки видео).

Международная архитектура, российская микроархитектура

Занятный компромисс, при котором и написанный за рубежом софтвер работает, и при этом можно говорить «мы спроектировали не только систему на кристалле, но и само процессорное ядро». По трудоёмкости создания схема близка к первому пункту (российские архитектура и микроархитектура), а при продвижении на мировой рынок нужно вдобавок доказывать заказчикам, что архитектура реализована точно.

Как всё начиналось

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

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

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

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

Продолжаем работать

А. К.: Считаем, что интересы государства должны победить, потому что скорый и успешный переход на отечественную микроэлектронику жизненно важен для безопасности страны в эпоху цифровизации. Времени мало. Мы продолжаем работать, наращиваем производительность наших процессоров, осваиваем новые технологии, добавляем функциональности ядру, улучшаем характеристики, развиваем технологии двоичной совместимости и безопасности вычислений. Делаем процессор более гибким, удобным для программистов. Планируем повышать открытость своей архитектуры, чтобы развивалось свободное ПО для «Эльбруса». Развиваем систему команд для поддержки алгоритмов искусственного интеллекта, вводим другие новшества…

 Перенос требований постановления номер 719 на два года «вправо» все равно что разворот в государственной политике. Надеемся, что правительство этого не допустит, а по итогам обсуждений будут согласованы принципы регулирования, соответствующие стратегическим целям и задачам отрасли

Мы не идем в вертикальную интеграцию, делаем процессоры для всей страны, создаем платформы. Строим партнерства с ведущими российскими разработчиками операционных систем, прикладного ПО, радиоэлектронной аппаратуры, передаем им технологии для создания продуктов на основе архитектуры «Эльбрус». Нас об этом просил рынок, и мы это слышим. Мы уже десяткам компаний дали свой референс-дизайн — это образцовый дизайн материнской платы, чтобы они могли делать материнские платы на основе наших процессоров. Все они рассчитывают на сохранение требований по использованию российских процессоров в СХД, серверах и ПК. Перенос требований постановления номер 719 на два года «вправо» для них все равно что разворот в государственной политике. Надеемся, что правительство этого не допустит, а по итогам обсуждений будут согласованы принципы регулирования, соответствующие стратегическим целям и задачам отрасли.