Обзор процессоров Эльбрус

Наладка серийного массового производства процессоров Эльбрус позволит наполнить рынок отечественными компьютерами для компаний и домашнего использования. К этому компания-разработчик МЦСТ шла довольно долгое время, и в 2020-2021 годах на рынке появится конкурентоспособный процессор Эльбрус.

История

Эльбрус – это линейка российских микропроцессоров. Исторически так сложилось, что первым прообразом современных процессоров Эльбрус послужил суперкомпьютер Эльбрус-3. К сожалению, он не был полностью собран, а только в виде несколько шкафов. Наладка не была доведена до конца, и эти шкафы разобрали.

Но идеи, что закладывались в Эльбрус-3, не канули в лету и возродились в первом российском микропроцессоре Эльбрус. Его выпуск припал на 2007 год.

На протяжении следующего десятилетия ЦП совершенствовались, увеличивалась их мощность в гигафлопсах, уменьшались нанометры в техпроцессе. Значимыми достижениями стали разработки процессоров Эльбрус-2С+, Эльбрус-4С, Эльбрус-8С.

Разработки МЦСТ

Цепочка наработок привела к разработке в 2018 году сильно модифицированной версии последнего процессора Эльбрус-8СВ. Серийный выпуск его запланирован на 2020 год. Основной показатель русского ЦП – вычислительная мощность – 580 гигафлопс одинарной точности и продвинутая микросхема. Мощность 8СВ более чем в 100 раз превышает такие же показатели первого ЦП из этой линейки.

Эльбрус – это пять поколений микропроцессоров. Из них 4 поколения находятся в серийном производстве.

Микросхемы содержат от одного до 8 ядер, в том числе микросхема со встроенным графическим ядром. Используемые технологии от 130 нм до 28 нм.

Специфика данных микропроцессоров в том, что система команд российская. Она была разработана специалистами компании АО «МЦСТ». Имеет много общего с системой команд Эльбрус-3.

Современный процессор выдает до 25 операций в такт (8С и 8СВ) и является универсальным (работает практически с любым программным обеспечением).

Наработки компании

Так как МЦСТ сами разработали систему команд и используют нестандартный подход, ими была разработана и сама логика процессора самостоятельно. Это не какая-нибудь лицензированная версия процессоров ARM, Intel и прочих. Это самостоятельная разработка в России.

 В России разработаны:

• логика самого ядра;
• топология микросхемы;
• функциональные блоки, что есть в МПЦ помимо самого ядра (кэш-память, контроллер памяти, периферийные контроллеры для обеспечения каналов ввода-вывода);

Некоторые блоки приходится брать у других фабрик, лицензировать и применять к собственным наработкам. К сожалению, так устроена цепочка строения микропроцессоров, и компания МЦСТ не может разрабатывать все. Но это не является препятствием, чтобы считать процессор не российским.

Процесс построения

Разработка ЦП – это довольно схожий процесс с разработкой программного обеспечения. Описание основных логических блоков ведется на языке высокого уровня:

• Verilog;
• HDL;
• Иные схожие по форме с языком программирования С.

Когда разработчик описал какой-то логический узел, он транслирует это описание на языке высокого уровня в логические цепочки. Дальше идет интеграция в единый проект наработок компании МЦСТ и наработки от других компаний (например, логические и физические блоки, что реализуют внешний контроллер) Если сравнивать с программированием софта – это аналог внешних подключаемых библиотек.

Далее, создается топология – финальное размещение всех логических цепей вместе с транзисторами и лицензированными блоками (выдаваемые в виде готовых кусков топологии) на кристалле, и обеспечение полноценного функционирования работы этого кристалла. Это сродни аналогу компиляции программы вместе со всеми библиотеками и сборки в один исполняемый бинарный файл.

В конечном счете получается топология, как набор рисунков – фактические рисунки дорожек. Это рисунки слоев, из которых будут получаться транзисторы и другие активные и пассивные элементы. Позже, эти рисунки отдаются на фабрику.

Фабрика делает логически простую, но в то же время тонкую и сложную операцию:

• переносит эти рисунки на поверхность кристалла;
• проводит травление;
• проводит легирование.

То есть запускает целый цикл технологических операций для переноса на кремниевую пластину слоев, которые в сумме создадут работающую микросхему на кристалле.

Но сам по себе кристалл нельзя использовать, поэтому вместе с ним создается подложка – это фактически часть корпуса микросхемы. Пластина является миниатюрной печатной платой.

На эту печатную плату напаивается кристалл. У последнего есть специальные контакты, что запаиваются на контактной площадке на подложке. Подложка разводит контактные площадки до контактных площадок на нижней стороне микросхемы.

Все операции делаются с помощью специализированных средств разработки системы автоматического проектирования (САПР).

Контроллер для процессора и печатная плата тоже являются отечественной разработкой, потому как материнские платы зарубежных компаний не подходят под данную линейку процессоров.

Материнская плата для процессоров Эльбрус использует как отечественные наработки для установки самого ЦП, так и наработки других компаний, для подключения жестких дисков, оперативной памяти, графических карт и прочих устройств, необходимых заказчику.

Технические характеристики

В таблице представлены характеристики эксплуатируемых и вскоре вводимых в эксплуатацию процессоров.

Возможности

Для инициализации всех компонентов готового компьютера на Эльбрусе применяется аналог BIOS, именуемый программой начального старта. Она способна выполнить подготовительные работы при запуске и передать управление на загрузку операционной системы.

Windows или Linux применить в таком варианте компьютера невозможно. Используются собственные ОС от МЦСТ. Их за все время появилось несколько, и все их объединили под названием «Операционные системы Эльбрус». Вскоре, вместе с серийным выходом Эльбрус-8СВ выйдет новая ОС Эльбрус-linux – на основе ядра linux. По составу пакетов последняя ОС близка к Debian 9 версии.

Приложения с открытым исходным кодом без особых проблем портируются на Эльбрус-linux. Игры с Open Source тоже были перенесены и запущены на процессоре Эльбрус 4 поколения (4 ядра, 800 МГц). Например:

1. Консольный Doom 3.
2. The Elder Scrolls III: Morrowind.
3. Counter strike 1.6.

Такие игры были портированы командой МЦСТ. Разработчикам пока что не выгодно портировать игры под систему Эльбрус, потому как прибыли с этого на данном этапе развития экосистемы они не получат. Но не исключено, если исходники современных популярных игр (Dota 2, GTA 5, PUBG) будут в руках разработчиков, они смогут их скомпилировать и без проблем запустить на ПК.

Сравнение с Intel

Компания Intel по капитализации и наработках во много раз превосходит компанию МЦСТ. Но это не мешает сравнить принципиально и технологически разные процессоры по разным показателям.

Планы на будущее

Останавливаться на достигнутом МЦСТ не собирается, поэтому в 2021 году будет запущено серийное производство разрабатываемого ныне процессора Эльбрус-16С. Это будет шестнадцати ядерный ЦП с производительностью в 750 Гфлопс/с двойной и 1,5 Тфлопс/с одинарной точности.

Как и 8СВ, это будет ЦП пятого поколения архитектуры. Из особенностей можно выделить:

• Использование системы на кристалле для внесения «южного моста» в ЦП;
• Поддержка виртуализации на аппаратном уровне, в том числе в кодах Интел x86/64;
• Рост производительности ядра за счет поддержки динамической оптимизации.

Обещается применять техпроцесс 16 нм с количеством применяемых транзисторов около 6 млрд на площади кристалла в 400 кв. мм.

Цена при массовом производстве станет доступной для потребителя. Адекватная стоимость российских процессоров Эльбрус и доступность на их базе персональных компьютеров сможет привлечь многих пользователей работать с отечественной экосистемой.

Заключение

Работа над отечественными процессорами Эльбрус за долгий период принесла плоды. Процессор, плюс полная его аппаратная и программная поддержка, создали конкурентоспособный продукт, с которым будут считаться зарубежные компании. Массовое производство Эльбрус-8СВ в 2020 году запустит цепочку событий, при котором пользователи смогут приобретать персональный компьютер Эльбрус точно также, как и продукцию AMD, Intel, Dell, Apple и прочих технологических гигантов.