Процессор Байкал: отечественный ЦП на ARM-архитектуре

В январе 2012 года было зарегистрировано АО «Байкал Электроникс». Преследуемая цель компании – при поддержке Минпромторга разработать и произвести отечественную систему на кристалле с ARM-архитектурой. И сделать это удалось. Российский процессор Байкал имеет две версии. Последняя была представлена в 2019 году.

Предыстория

Первый процессор Baikal-T1000 был создан в 2015 году на архитектуре MIPS. Данную архитектуру применяют к ЦП с упрощенным набором команд. На этом желание компании разрабатывать новые модели отечественных процессоров не пропало, поэтому «Байкал Электроникс» заявило о разработке следующего поколения ЦП Baikal-M на 2016 год.

Чуда не случилось, так как компания хотела разработать ЦП на архитектуре ARM, но не смогла прийти к общему соглашению с той компанией по причинам, к которым простой читатель доступа не имеет.

Разработка затянулась, и только в ноябре 2019 года на форуме «Открытые инновации» был представлен Байкал-М на ARM-архитектуре в едином своей виде.

Описание

У процессора имеется 8 ядер ARMv8-F (4 кластера по 2 ядра), 8 ядер Mali-T628 GPU. Работает ЦП со всеми необходимыми интерфейсами, типа HDMI 2.0, USB 3.0, PCIe Gen.3.

Корпус довольно-таки крупный: 4040 мм.

Внутри ЦП Baikal-M1000 имеется когерентная шина с распределенным кэшем 8 Мб. Четыре кластера по два ядра. Отдельно представлены ядра Mali для обработки графики. Также присутствует маленький сопроцессор ЦП, обеспечивающий запуск начальной настройки всей системы внутри. После этого он передает управление на нулевое ядро Байкал-М. Реализованы:

1. Поддержка «разделения памяти на доверенную и не доверенную», основанную на технологии ARM TrustZone. Это поддерживается некоторой периферией.
2. HW Accelerator акселератор специальных (аппаратных) вычислений, для поддержки отечественной криптографии.
3. Сенсор температуры и напряжения, распределенный по всему кристаллу для мониторинга температуры вблизи ядер.

Плата для Байкал М реализована собственная. Форм-фактор материнки ATX. Есть 4 слота под ОЗУ UDIMM DDR4-2400. Интерфейсов немного, но это наиболее доверенные и предсказуемые решения для быстрого запуска платы.

Сферы применения

Доведенные до ума процессоры, выпущенные в серийное производство и реализуемые по ценам в 50-100$, запустят цепочку создания на их основе:

• телекоммуникационного и промышленного оборудования;
• блоков диспетчеризации;
• тонкие клиенты;
• системы автоматизации и управления.

В целом, часть аппаратуры уже было реализовано на ЦП Байкал-Т1. А вот Байкал-М может после выхода в серийное производство стать сердцем для рабочих ПК в промышленной автоматизации.

Конечно, мир электроники сегодня построен таким образом, что невозможно от начала и до конца создать процессор, выполненный из собственных наработок. Тем не менее российское происхождение Байкал-М позволит тщательно проверить созданный продукт и в дальнейшем применять его в структурах с высокими требованиями к информационной безопасности.

Проводить сравнение с процессорами Intel процессора Байкал пока что не целесообразно, потому как продукт еще не прошел все стадии обкатки.

Технические характеристики

Основные характеристики процессора Байкал-М представлены в таблице.

Состав ЦП

Состав микропроцессора довольно обширен, так как состоит из множества модулей (блоков, подсистем):

1. Модуль ЦП имеет под собой базу ARM Cortex-A57 с восьмью ядрами на борту. Созданный на архитектуре ARMv8-A он является высокопроизводительным устройством с низким энергопотреблением. Частота работы ядер 1.5 ГГц. Каждое ядро наделено кэшем команд L1 в 48К и L1 кэшем данных в 32К. Работают ядра в защищенных режимах по запатентованной технологии ARM TrustZone.
2. Контроллер памяти в количестве двух идентичных DDR3/4 с интегрированными интерфейсами PHY. Подобная интеграция полноценное использование плат ОЗУ типа DD3-1600 и DDR4-2400 по 64/32 разряда. Из особенностей: поддержка 4 плат ОЗУ макс размером до 64 Гб, работа с UDIMM, RDIMM, LRDIMM. Взаимодействие с ОЗУ может происходить через контроллеры
3. Когерентная шина с L3 кэшем организована на решении ARM CoreLink. Она обеспечивает связь основных модулей микропроцессора и управление L3 кэшем для данных модулей.
4. Модуль графики Mali-T628 реализует полноценную платформу для ускорения обработки GPU открытых стандартов. Работает с 2D и 3D графикой, поддерживает OpenGL, OpenCL, RenderScript. Проводит операции с векторными и скалярными 64-разрядными операциями. Способен работать в траст зоне так и без ее участия.
5. Модуль управления системой способен управлять всеми модульными подсистемами. Основными блоками являются: процессор управления системой, контроллер загрузки интерфейсов, управление тактированием.
6. Подсистема PCIe Gen0 включает в себя 3 шины. Первая работает со скоростью 8 ГТ/с. Две других – 4 ГТ/с. Подсистемы PCIe Gen 3.0 могут: управлять электропитанием, обрабатывать ошибки AER, транслировать адреса, делать реверс полос, генерировать и проверять контрольные суммы ECRC. Имеют встроенный многоканальный контроллер DMA, 1 виртуальный канал. Может работать с TrueZone так и без нее.
7. 4K видео декодер применяется для работы с потоками данных в форматах H.265 на частоте 30 FPS, РH.264, MPEG2, MPEG4, VP6, VP8, VC1, AVS, JPEG до 1080p с частотой 60 FPS.
8. HW Accelerator – он же аппаратный ускоритель применим для увеличения производительности вычислительных работ.
9. Модули интерфейсов и подсистемы контроллеров разрешают ЦП взаимодействовать с другими устройствами, подсоединенными к одной и той же материнской плате. Каждая используемая система может работать с TrueZone по желанию.

Применяемое ПО

Для поднятия программного обеспечения для этого процессора используется комплекс средств разработки ПО SDK. На момент презентации Байкал-М SDK выглядит так:

1. Версия – 0.1.
2. Обновление – регулярно.
3. Ядро Linux – 4.9.xx
4. Компилятор – GCC.
5. Исходные коды доступны.
6. ATF, лицензия BSD.
7. UEFI tianocore с лицензией BSD.
8. Библиотеки OpenGL ES1-3.1 И OpenCL 1.1.

Содержащаяся в SDK информация позволяет создать единую файловую систему.

Также, в скором времени будет реализована одна плата в общем доступе в виртуальную лабораторию Electronik ВМК МГУ. Через сетевой протокол SSH к ней можно будет получить доступ, чтобы протестировать свое программное обеспечение.

Заключение

Вторая модель представленных процессоров Байкал-М в скором времени могут побороться за рынок промышленной автоматизации. После тестирования, поднятия ядра Linux, массового производства систем на кристалле Байкал-М и необходимых для них материнских плат российский продукт может сыскать популярность среди промышленности, бизнеса и обычных пользователей. Но до этого нужно сделать еще несколько важных и сложных шагов по реализации устройства производителем «Байкал Электроникс».