«Эльбрус» (микропроцессор)
«Эльбру́с», российская серия микропроцессоров (МП), создаваемая с конца 1990-х гг. Архитектура «Эльбрус» относится к классу VLIW (очень широкое командное слово) с чертами EPIC (архитектур с явно выраженным параллелизмом). Разрабатывается компанией «МЦСТ». Проектирование архитектуры «Эльбрус», включая систему команд и схемотехнику ядер процессоров, ведётся в России, что позволяет самостоятельно развивать архитектурные решения и использовать микропроцессоры в ответственных информационных системах, включая критическую информационную инфраструктуру.
Оригинальные базовые технологии
В МП «Эльбрус» реализованы следующие оригинальные технологии:
Технология программно управляемого параллелизма. Отличительная черта архитектуры «Эльбрус» – программно управляемая параллельная работа нескольких исполнительных блоков в каждом ядре процессора. Общее число скалярных операций, выполняемых в такт одним ядром процессора, может достигать 25 (т. е. эквивалентный машинный код для процессора типа RISC может содержать до 25 инструкций). Обеспечить эффективную загрузку этих блоков командами позволяет собственный оптимизирующий компилятор. За счёт этого достигается высокая архитектурная производительность. Поскольку все оптимизации проводятся на этапе трансляции исходных кодов в машинные инструкции, компилятор имеет возможность применять сколько угодно сложные и ресурсоёмкие методики. При программно управляемом параллелизме не требуются сложные блоки анализа зависимостей, предсказания переходов и переупорядочивания инструкций, которые являются наиболее сложной частью зарубежных процессоров типа RISC и CISC. В результате организационная структура процессора упрощается, снижая трудозатраты на проектирование и верификацию, уменьшая объёмы кристаллов и энергопотребление.
Технология совместимости с программами для процессоров Intel. Для поддержки двоичной совместимости с имеющимся набором программного обеспечения (ПО), созданного для процессоров Intel/AMD x86, разработана технология, создающая на основе процессора «Эльбрус» «виртуальный» микропроцессор с системой команд х86/х86-64. Это позволяет на компьютерах с процессорами «Эльбрус» запускать программы для процессоров Intel в двоичных кодах – как отдельные приложения, так и операционные системы. В частности, на процессорах «Эльбрус» можно исполнять операционные системы Windows и Linux/х86. Высокая скорость исполнения приложений в этом режиме обеспечивается многоступенчатым механизмом трансляции и оптимизации кодов «на лету», а также особой аппаратной поддержкой со стороны архитектуры «Эльбрус».
Технология безопасных вычислений (ТБВ), способствующая созданию надёжных программ и стойких к кибернетическим атакам систем. Объём кода современных программ и новые угрозы безопасности делают вопрос создания надёжного (с минимальным количеством ошибок) программного обеспечения особенно актуальным.
Основываясь ещё на советском опыте разработки многопроцессорных вычислительных комплексов «Эльбрус» (МВК «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2»), разработана уникальная технология безопасных вычислений. ТБВ гарантирует целостность логической структуры памяти прикладных программ за счёт применения особых программно-аппаратных решений. ТБВ многократно повышает эффективность отладки программ, а также защищает от эксплуатации ряда уязвимостей, в том числе исключает атаку типа «переполнение буфера». ТБВ интегрирована в аппаратуру процессора и в системное ПО.
Представители семейства «Эльбрус»
«Эльбрус‑1С+» – одноядерный процессор со встроенным видеоконтроллером с поддержкой ускорения 3D-графики и низким потреблением энергии для тонких клиентов и встраиваемых применений [40 нм, 1 ядро, 1 ГГц, DDR3-1600 x2, 12 GFlops DP, 3D GPU, до 2 дисплеев, внешний контроллер (южный мост) КПИ-2];
«Эльбрус‑4С» – четырёхъядерный процессор для серверов и рабочих станций общего назначения, бортовых вычислителей [65 нм, 4 ядра, 0,8 ГГц, DDR3-1600 x3, 50 GFlops DP, до 4 микропроцессоров в системе с общей памятью (NUMA), внешний контроллер (южный мост) КПИ];
«Эльбрус‑8С» – восьмиядерный процессор для серверов, систем хранения данных (СХД) и рабочих станций [28 нм, 8 ядер, 1,3 ГГц, DDR3-1600 x4, 125 GFlops DP, до 4 микропроцессоров в системе с общей памятью (NUMA), внешний контроллер (южный мост) КПИ-2];
«Эльбрус‑8СВ» – восьмиядерный процессор для серверов, СХД и рабочих станций, с улучшенными характеристиками [28 нм, 8 ядер, 1,5 ГГц, 290 GFlops DP, DDR4-2400 x4, до 4 микропроцессоров в системе с общей памятью (NUMA), внешний контроллер (южный мост) КПИ-2];
«Эльбрус‑16С» – шестнадцатиядерный процессор для высокопроизводительных серверов и СХД, в том числе для применения в суперЭВМ, с улучшенными характеристиками [16 нм, 16 ядер, 2 ГГц, 750 GFlops DP, DDR4-3200 x8, PCIe 3.0 x32, Ethernet 10G + 2.5G x2, USB 3.0 x4, до 4 микропроцессоров в системе с общей памятью (NUMA)];
«Эльбрус‑2С3» – двухъядерный процессор со встроенным графическим контроллером и ускорением 3D графики для бортовых, промышленных и персональных вычислительных устройств (16 нм, 2 ядра, 2 ГГц, 96 GFlops DP, DDR4-3200 x2, PCIe 3.0 x16, 3D GPU, до 3 дисплеев, Ethernet 2.5G x2, USB 3.0 x4).
Ведутся дальнейшие работы по созданию микропроцессоров для рабочих станций и экономичных серверов; для мобильных и встраиваемых применений; для высокопроизводительных вычислений и др.
Программное обеспечение
Для МП «Эльбрус» разработана вся необходимая программная инфраструктура: средства разработки ПО (компиляторы), начальный загрузчик (BIOS), операционная система «Эльбрус Линукс» (на основе ядра Linux). В машинные коды процессоров «Эльбрус» перенесены более 15 тыс. программных пакетов со свободно распространяемым кодом. Также можно использовать готовые программные пакеты, доступные в сети Интернет и собранные для архитектуры Intel x86/x86-64, с запуском через систему двоичной трансляции.
Использование государственными заказчиками
Серверы и персональные компьютеры на базе МП «Эльбрус» освоены в серийном производстве и являются основой крупных проектов: государственная система паспортно-визовых документов нового поколения (по заказу Минкомсвязи РФ), система автоматической фиксации правонарушений (по заказу МВД РФ), в Пенсионном фонде России, компанией «Российские железные дороги», в системе электронных платежей Газпромбанка и во многих других проектах.