Что такое процессор «Эльбрус»?

Глобализация и наличие своих технологий

Сегодня весь мир активно переживает процесс глобализации – всемирной экономической, политической, культурной и религиозной интеграции и унификации. Это приводит к тесной взаимосвязи в том числе и в сфере вычислительных технологий и коммуникаций.

При этом для многих компьютерных комплектующих имеется один крупный производитель, который поставляет их на весь мировой рынок.

Это имеет следующие плюсы в идеальных условиях открытой экономики и павших “железных занавесов”:

высокая степень контроля качества и культуры производства с полностью замкнутым циклом, непосредственно контролируемые фирмой под свою ответственность;
полное соответствие стандартам (которые, как правило, сам же производитель и разработал), что упрощает вопросы взаимозаменяемости, поддержки со стороны ПО и т.д.;
огромные масштабы производства приводят к снижению себестоимости, а следовательно – и цен для конечных потребителей продукции.

В то же время, существуют и серьёзные недостатки:

угроза национальной безопасности государства при лишении доступа к иностранным компонентам и технологиям, которые используются в правительственной сфере и военно-промышленном комплексе;
возможность давления на экономическое благосостояние путём применения к крупнейшим компаниям санкций по политическим мотивам;
в случае возникновения проблем с производством появляются всеобщие перебои с поставками и рост цен;
утечка научно-технического потенциала и квалифицированных кадров из государства.

Эти проблемы решаются созданием и реализацией своих внутренних разработок, как это было в советское время с вычислительными комплексами “Эльбрус”.

История появления и особенности отечественной архитектуры процессоров

“Эльбрус” – это прежде всего название процессорной архитектуры и разработанных на её основе суперкомпьютеров. Изначально они создавались в качестве части систем ПРО по заказу военных.

Архитектура процессора описывает совокупность поддерживаемых наборов команд, способ их исполнения, используемые при этом регистры и адресацию.

Разработка началась в 1973 в “Институте точной механики и вычислительной техники имени Лебедева” (ИТМиВТ) под руководством академика Всеволода Сергеевича Бурцева – учёного в области систем управления и теории конструирования универсальных ЭВМ.

При создании машины ориентировались на передовые на то время технологии: суперскалярность и многопроцессорность.

Суперскалярная архитектура – архитектура процессора, использующая несколько декодеров команд, которые передают исполняющие инструкции одновременно множеству исполнительных блоков. Планирование исполнения потока команд является динамическим и осуществляется самим ЦП.

Первый Многопроцессорный вычислительный комплекс (МВК) “Эльбрус-1” был сдан в эксплуатацию в 1980 году. Он мог содержать до 10 процессоров и показывал производительность в 12 млн операций в секунду. Объём оперативной памяти составлял 64 Мбайт (или 2²⁰ машинных слов).

Многопроцессорный вычислительный комплекс “Эльбрус-1”

Но вычислительная техника развивалась семимильными шагами, и уже в 1985 году появилась следующая модификация МВК. Она получила название “Эльбрус-2” и за счёт использования новой элементной базы производительность возросла до 125 млн оп/с при объединении 10 процессоров (2 из них при этом являлись резервными). Также до 144 МБ увеличился объём оперативной памяти. “Эльбрус-2” нашёл своё применение в таких проектах:

РЛС “Дон-2Н” – стационарная радиолокационная станция кругового обзора, главный узел ПРО Москвы;
Центр управления космическими полетами;
Ядерный центр Арзамас-16 (ныне закрытый город Саров) – первый в СССР центр ядерных исследований, входит в структуру ГК “Росатом”;
Ядерный центр Челябинск-70 – ныне закрытый город Снежинск в структуре предприятий ГК “Росатом”.

Параллельно выпускались и упрощённые версия МВК – “Эльбрус-1К2” и “Эльбрус-Б”, которые использовались для плавной замены устаревших вычислительных комплексов БЭСМ-6.

После успешного ввода в эксплуатацию “Эльбрус-2” активно шла разработка следующей модификации, получившей ожидаемое название “Эльбрус-3”. В нём планировалось множество архитектурных улучшений и использование 16 процессоров. Однако из-за ряда исторических событий и финансовых трудностей этот проект не был завершён.

На перепутье: сотрудничество с Sun Microsystems

После распада СССР на основе коллектива ИТМиВТ в 1992 году было создано ТОО “Московский центр SPARC-технологий (МЦСТ)” (ныне АО “МЦСТ”). Новое предприятие до 1996 года сотрудничало с американской компанией Sun Microsystems, которая продвигала свои вычислительные машины с архитектурой SPARC (что и отразилось в его названии).

SPARC (Scalable Processor ARChitecture – масштабируемая процессорная архитектура) – 32- и 64-битная открытая микропроцессорная архитектура, которая основана на сокращённом наборе команд (RISC).

Совместная работа с крупной компанией позволила МЦСТ получить доступ к передовым технологиям процессоростроения, написания компиляторов, создания операционных систем и пр. Как следствие, вплоть до 2007 года выпускались только микропроцессоры с архитектурой SPARC и вычислительные системы на их базе: МЦСТ-R100, МЦСТ-R150, МЦСТ-R500 и МЦСТ-R500S.

Процессор МЦСТ-R500 на базе архитектуры SPARC

Тем не менее, данный период позволил МЦСТ удержаться “на плаву”, сохранить и дополнить научно-техническую базу, а родная архитектура при этом не была забыта.

Возрождение: современные российские процессоры

Начиная с 2005 года, МЦСТ ведёт разработку процессоров “Эльбрус”, которые являются идеологическими наследниками одноимённых МВК, но построены по современным технологическим нормам. Новая архитектура “Эльбрус” полностью отечественной разработки по принципам похожа на суперскалярную архитектуру VLIW.

VLIW (от англ. very large instruction word – “очень длинная машинная команда”) – архитектура процессоров, при которой используются наборы сложных инструкций большой длины, выполняющихся за один такт. При этом задача их разделения на более простые команды для параллельного выполнения вычислительными модулями процессора ложится на компилятор.

Ключевые особенности архитектуры “Эльбрус”:

длинные наборы команд – выполнение за один такт одновременно до 23 инструкций;
эмуляция архитектуры х86 – возможность запуска программного обеспечения, написанного под распространённую архитектуру х86, с помощью динамической трансляции двоичных кодов в коды процессора “Эльбрус” при минимальных потерях производительности;
защищённый режим исполнения программ – аппаратная проверка работы программы с памятью и межмодульная защита;
непересекающиеся стеки адресов – отделение стека пользовательской информации, что защищает от вирусных атак подменой адреса возврата в библиотеку;
отсутствие аппаратного транслятора команд – в отличие от процессоров архитектуры х86, где с помощью вшитого блока декодирования инструкций длинные команды разбиваются на короткие RISC-инструкции для каждого вычислительного модуля, эта работа производится компилятором при создании программ.

В 2008 году начались поставки компьютеров “Эльбрус-3М” на базе процессора на обновлённой архитектуре, который обладал следующими характеристиками:

Технологический процесс	130 нм
Тактовая частота	300 МГц
Количество ядер	1
Пиковая производительность	2,4 GFLOPS в режиме 64 бит
Кэш-память 1-го уровня	64 КБ данные + 64 КБ команды
Кэш-память 2-го уровня	256 КБ
Размеры кристалла	189 мм²
Количество транзисторов	75,8 млн
Мощность	6 Вт

В эпоху процессоров семейства Intel Core с частотой в 3 ГГц характеристики на первый взгляд не поражают воображение, но следует помнить, что “Эльбрус” построен на совсем другой архитектуре. Благодаря своим преимуществам и использованию нестандартных наборов регистров и команд, процессоры не подвержены вирусным атакам и гарантированно не содержат бэкдоров, а при компиляции программ непосредственно под свою архитектуру показывают приличную производительность. В то же время, благодаря динамической трансляции, могут запускать ОС Windows и ПО Microsoft Office!

Компьютеры “Эльбрус-3М” поставлялись для военной отрасли, и в качестве операционной системы использовали российскую МСВС-Э (Мобильную система Вооруженных Сил), созданную на основе Linux.

С тех пор МЦСТ активно работал над разработкой новых процессоров по всё более современным техпроцессам и с возрастающей производительностью. По состоянию на 2020 год характеристики флагманов архитектуры “Эльбрус” выглядят следующим образом:

Процессор	«Эльбрус-4С»	«Эльбрус-8С»	«Эльбрус-8СВ»
Техпроцесс	65 нм	28 нм	28 нм
Тактовая частота	800 МГц	1300 МГц	1500 МГц
Количество ядер	4	8	8
Количество операций за такт, на ядро	23	25	50
Пиковая производительность в режиме 64 бит	25 GFLOPS	125 GFLOPS	288 GFLOPS
Кэш-память 1-го уровня, на ядро	64 КБ данные + 128 КБ команды	64 КБ данные + 128 КБ команды	64 КБ данные + 128 КБ команды
Кэш-память 2-го уровня	8 МБ	4 МБ	4 МБ
Кэш-память 3-го уровня	–	16 МБ	16 МБ
Контроллер памяти	DDR3-1600 ECC	DDR3-1600 ECC	DDR4-2400 ECC
Площадь кристалла	380 мм²	321 мм²	350 мм²
Количество транзисторов	986 млн	2,73 млрд	3,5 млрд
Мощность	45 Вт	80 Вт	90 Вт

При этом компания производит как материнские платы на базе своих процессоров, так и готовые компьютеры и специальные вычислительные комплексы “под ключ”.

Материнская плата с процессором “Эльбрус-8С” и южным мостом МЦСТ КПИ-2

С ростом производительности ЦП расширились и возможности для их применения:

государственные учреждения и бизнес-структуры с повышенными требованиями к информационной безопасности;
организация многоместных рабочих мест в сфере образования, офисах и т.д.;
задачи шифрования с использованием ГОСТ, для которых особенно оптимизирована архитектура;
различные прикладные задачи, например, распознавание паспортов.

“Эльбрус” в царстве телекоммуникаций

Трудно представить окружающий мир без технологий видеосвязи, которые нашли множество вариантов использования:

видеозвонки друг другу для личного общения;
дистанционное обучение (особенно актуально в условиях карантина);
защищённые сети видеосвязи в государственных учреждениях;
корпоративные видеоконференции;
вебинары, в том числе с онлайн-трансляцией на популярные видеосервисы;
трансляции высокого качества в медицине;
видеособеседования при поиске новых сотрудников.

И практика показала, что процессоры “Эльбрус” могут быть успешно применены для решения задач в области видеокоммуникаций.

В июне 2020 года на базе операционной системы «Альт Сервер» и программного обеспечения TrueConf MCU был создан вычислительный комплекс для видеоконференцсвязи. Он содержит “под капотом” 4 процессора “Эльбрус-8с” и обеспечивает качественную HD-видеосвязь, позволяя проводить групповые видеоконференции численностью до 150 участников.

Схема работы терминала ВКС на базе “Эльбрус” и TrueConf MCU

TrueConf MCU – российский классический программный транскодирующий сервер для аппаратных терминалов с широкими возможностями планирования и проведения видеоконференций.

“Альт Сервер” – серверная ОС российского разработчика ООО “Базальт СПО” на базе ядра Linux с широкой функциональностью, оптимизированная для применения в корпоративных сетях большого масштаба.

Благодаря тому, что используемые программные решения собраны специально под архитектуру “Эльбрус”, они работают нативно в её двоичных кодах. Такая связка получает необходимый уровень производительности при полном отсутствии возможных “закладок” – скрытно внедрённых компонентов в аппаратную или программную составляющую вычислительной техники с целью получения несанкционированного доступа к данным.

Применение TrueConf MCU обеспечивает ряд возможностей:

совместимость с различными H.323 и SIP-устройствами, например, Polycom и Cisco;
подключение вещания от RTSP-камер в проходящую конференцию;
гибкое управление раскладками участников;
удалённое управление конференциями;
простая интеграция с отечественной ВКС-платформой TrueConf Server;
возможность записывать видеоконференции и транслировать их в Интернет в режиме реального времени.

Таким образом, данный терминал может использоваться для организации и комфортного проведения конференций в государственных и коммерческих организациях с высокими требованиями к информационной безопасности. Применение российских разработок в роли основных аппаратных и программных компонентов также повышает технологическую независимость государства в ключевых вопросах использования телекоммуникаций и стимулирует дальнейшее развитие отечественных технологий.