«Эльбру́с-3-1», советская высокопроизводительная модульная многопроцессорная вычислительная система. Была предназначена для решения больших научных и экономических задач, в том числе задач моделирования физических процессов.

Общие сведения

Вычислительная система «Эльбрус-3-1» представляла собой единую многопроцессорную систему с параллельной обработкой общих данных, распределённых по модулям локальной памяти модульного конвейерного процессора (МКП) и массовой памяти. При этом для любой физической структуры системы была обеспечена связь абонентов по принципу «каждый с каждым».

Главный конструктор системы «Эльбрус-3-1» – Г. Г. Рябов. Главный конструктор МКП – А. А. Соколов, его заместители – В. Л. Ли и А. Ю. Бяков. Основные разработчики: Л. А. Зак, Л. Ф. Чайковский, О. К. Щербаков, А. Ю. Губанов, В. А. Жуковский, А. В. Леоненко, Ю. Н. Корольков, М. Д. Великовский, Л. Г. Матясова, А. Ф. Завельский, В. М. Агапов, В. В. Голубев, Ф. П. Галецкий, Г. Л. Лакшин.

Ведущими разработчиками программного обеспечения были: М. А. Белов, В. М. Родионов, А. В. Маев, Н. Е. Карабутова, Б. Д. Никитин, Н. К. Скурат, И. М. Сазанов, Т. М. Суслова, С. Ф. Ренькас, М. Г. Чайковский, М. А. Калинин, А. Н. Мукин и др.

Организациями-разработчиками выступили Институт точной механики и вычислительной техники АН СССР (ИТМиВТ, ныне Институт точной механики и вычислительной техники имени С. А. Лебедева РАН) и НИИ молекулярной электроники.

В состав системы «Эльбрус-3-1», кроме МКП, через специальные устройства сопряжения или адаптеры могли подключаться также вычислительные машины других типов – «Эльбрус-1-КБ», высшие модели ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ и др.

Разработка системы «Эльбрус-3-1» была завершена в 1990 г. В том же году система «Эльбрус-3-1» была запущена в серийное производство. Заводами-изготовителями выступили Московский завод счётно-аналитических машин (САМ) и завод «Микрон» [заказные большие интегральные схемы (БИС)]. Всего было выпущено 4 системы. В 1995 г. производство прекращено.

Конструктивно-технологическая база

Система «Эльбрус-3-1» структурно представляла собой модульную систему, включавшую в себя несколько подсистем. Основные элементы процессорной подсистемы – МКП, массовая память, подсистема высокоскоростной дисковой памяти и подсистема внешних устройств. Каждая из перечисленных частей могла, в свою очередь, состоять из нескольких компонентов.

Векторная обработка в системе «Эльбрус-3-1» осуществлялась итеративными операциями над наборами упорядоченных данных – векторами, размещёнными в локальной памяти МКП. Эта обработка дополнялась более медленными операциями переупорядочения расположения векторов в локальной памяти. Скалярные операции, выполняемые на том же оборудовании, что и векторные, обеспечивали такую обработку данных, которая не реализуется эффективно векторными операциями.

Производительность одного МКП была равна:

• на совмещённой скалярно-векторной обработке – до 550 млн операций в секунду,

• на основных векторных операциях – до 500 млн операций в секунду,

• на скалярных операциях – до 60 млн операций в секунду.

В качестве элементной базы системы «Эльбрус-3-1» были применены заказные большие интегральные ЭСЛ-схемы, а также схемы средней степени интеграции серии К-1500.

При проектировании как модулей МКП, так и заказных БИС была использована специально разработанная в ИТМиВТ система автоматизированного проектирования «Пульс».

Объём локальной памяти МКП составлял до 8 млн 64-разрядных слов. Расслоение на 32 банка обеспечивало 8 потоков слов с темпом обмена одно слово в такт для каждого потока. Управление локальной памятью имело 12 портов подключения к различным блокам МКП, в том числе и для обеспечения внешнего обмена.

Внешний обмен МКП обеспечивался специализированным модулем – адаптером системного канала (АСК). Этот модуль получал задания центрального процессора на пересылку векторов произвольной длины с произвольным шагом между локальной памятью и внешней частью вычислительной системы. Взаимодействие АСК с центральным процессором осуществлялось через систему прерывания. АСК выполнял также функции канала прямого доступа в локальную память по инициативе внешнего абонента. Одновременно могло выполняться до 16 независимых обменов в любом направлении.

Модули массовой памяти (МОП) системы «Эльбрус-3-1» составляли оперативную память 2-го уровня, доступную для всех компонентов. Отдельный модуль массовой памяти имел ёмкость 512 мегабайт (Мбайт) и был разделён на 4 независимые секции по 128 Мбайт каждая. Память в модуле имела словную структуру при длине слова, равной 64 информационным двоичным разрядам и 8 контрольным разрядам. В качестве хранящих элементов использовались микросхемы, обеспечивавшие время доступа в секции 240 нс.

Работа с массовой памятью выполнялась операциями чтения-записи векторов слов произвольной длины с произвольным шагом. Минимальная длина вектора – одно слово, а максимальная длина ограничивалась объёмом секции МОП. Управление модулем обеспечивало параллельное выполнение двух операций (одна – чтение, другая – запись) в разных секциях. Скорость обмена с одной секцией – 300 Мбайт в секунду, а в сумме – до 600 Мбайт в секунду.

Для системы «Эльбрус-3-1» была разработана подсистема высокоскоростной дисковой памяти, содержавшая накопители, подключаемые через соответствующие адаптеры (АМД). Один АМД позволял обслуживать от 1 до 8 дисковых накопителей объёмом по 3 Гбайт каждый и обеспечивать скорость обмена с отдельным накопителем до 10 Мбайт в секунду; суммарная максимальная скорость обмена данными, обеспечиваемая адаптером при параллельном обмене со всеми накопителями, равна 80 Мбайт в секунду. Физическая реализация накопителя предусматривала использование 5-дюймовых жёстких дисков ёмкостью 380 Мбайт и более каждый, с общим управлением, обеспечивающим расслоение информации по дискам при обменах, и дополнительный ортогональный контроль для повышения надёжности.

Подключение разнообразного периферийного оборудования производилось через адаптеры ввода-вывода (АВВ). Каждый АВВ включал в вычислительную систему устройство ЕС-2666, посредством которого можно было обслуживать устройства с интерфейсом ввода-вывода ЕС ЭВМ, в том числе диалоговые терминалы, устройства печати, графические устройства и др.

Связующим ядром, объединяющим различные компоненты в единое целое, являлась система коммутации и передачи данных, к которой в зависимости от конкретной реализации могло быть подключено до 64 компонентов.

Коммутационная система была образована одним или несколькими соединёнными между собой специализированными модулями-коммутаторами. Один коммутатор обеспечивал полную коммутацию приёма-передачи данных в дуплексном режиме по 6 направлениям. По каждому из этих направлений коммутатор мог быть связан либо с некоторым абонентом, либо с таким же коммутатором; последнее обстоятельство позволяло создавать требуемые физические структуры связей между абонентами при объединении их в общую вычислительную систему.

Наиболее крупный конструктивный модуль системы «Эльбрус-3-1» – шкаф. Он содержал до 7 рам, одна из которых была неподвижной, а 6 – поворотными. Каждая рама содержала 2 большие многослойные печатные платы (420 × 450 мм). На одной плате могло быть установлено до 140 БИС. Характерной особенностью конструкции, позволившей ускорить разработку системы, являлась установка БИС на съёмных микроячейках, что существенно повышало ремонтопригодность устройств. Рамы объединялись между собой кабельными жгутами. В каждом шкафу были размещены источники питания, а также аппаратура диагностического контроля.

В системе была применена развитая структура диагностики, которая была построена с использованием персонального компьютера, входящего в состав инженерного пульта управления. Пульт обеспечивал выполнение функций контроля за техническим состоянием устройств МКП (температурой на корпусах БИС, давлением в системе охлаждения, параметрами системы электропитания и пр.), а также управление режимами работы ЦП, индикацию состояния основных регистров процессора на экране монитора, осуществлял диагностические функции, например выполнение контрольных и диагностических тестов при изменении напряжения источников питания. Система диагностики значительно повысила надёжность работы системы «Эльбрус-3-1».

В конструкции было применено водяное охлаждение, причём охлаждающая жидкость по системе трубок подводилась непосредственно к каждой БИС.

Занимаемая площадь 150–200 м² (для минимального комплекта системы).

Программное обеспечение

Типовое программное обеспечение (ПО) системы «Эльбрус-3-1» состояло из следующих основных компонентов: операционной системы (ОС МКП); систем программирования; тестов и обслуживающих программ.

Общее системное ПО МКП включало в себя также трансляторы (компиляторы) некоторых языков высокого уровня (Fortran, Pascal, C и др.) и языков ассемблерного типа, системы отладки и адаптации программ для МКП, диалоговых средств интерактивного взаимодействия и ввода информации, пакетов математических функций, ориентированных на векторно-скалярную обработку в МКП, программное обеспечение пультовой ЭВМ и фронт-ЭВМ («Эльбрус-1-КБ»).

ОС МКП поддерживала удалённый диалог и управление заданиями для МКП, обеспечивала выполнение процессов одного задания на разных МКП многопроцессорной системы «Эльбрус-3-1», а также межзадачное взаимодействие в рамках локальных и глобальных многозадачных подсистем.

Подготовка и отладка заданий для МКП могли осуществляться на персональных компьютерах, подключённых через компьютерную сеть или на фронт-ЭВМ.

Развитое имитационное ПО позволяло осуществлять отладку заданий системы «Эльбрус-3-1» на ЭВМ БЭСМ и распространённых персональных компьютерах.