Потенциал отечественных вычислительных платформ Эльбрус и МЦСТ-R

17.12.2014 Потенциал отечественных вычислительных платформ Эльбрус и МЦСТ-R Константин Трушкин,
помощник генерального директора по маркетингу ЗАО «МЦСТ». 

     Компания ЗАО «МЦСТ» образована в 1992 году на базе ведущих подразделений Института точной механики и вычислительной техники (ИТМиВТ) им. С.А. Лебедева, в котором были разработаны отечественные высокопроизводительные ЭВМ и вычислительные комплексы нескольких поколений. Практически все ее ведущие специалисты входили в число создателей многопроцессорных вычислительных комплексов (МВК) «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2», ставших основой ряда широкомасштабных систем стратегического значения.

     В тяжёлые 1990-е годы компании удалось стать полноценным исполнителем заказных проектов для фирмы Sun Microsystems, одного из мировых лидеров микропроцессорной индустрии и разработчика процессорной архитектуры SPARC. Поэтому неудивительно, что первой собственной разработкой коллектива стал микропроцессор, реализующий набор команд 32-разрядной системы SPARC V8. Это произошло в 1999 году, но компания продолжает и сегодня развивать линейку SPARC-совместимых процессоров. Уже выпущено 4 поколения процессоров, при этом каждая следующая модель существенно превосходит предыдущую по производительности. На сегодняшний день флагман этой линейки — четырехъядерный 64-разрядный микропроцессор «МЦСТ-R1000» с рабочей тактовой частотой в 1 ГГц. Несмотря на успехи в проектировании SPARC-совместимых процессоров, ведущих сотрудников МЦСТ не оставляла мысль реализовать «в кремнии» наработки, сделанные в области высокопроизводительных ЭВМ ещё в советское временя. В 2000 году в ЗАО «МЦСТ» началось создание собственной 64-разрядной микропроцессорной архитектуры «Эльбрус», основанной на идеях повышения производительности за счёт явного управления параллелизмом и программно-аппаратного подхода к проектированию, то есть совместной согласованной разработки программного обеспечения и аппаратуры. Явное управление параллелизмом было предложено ещё в архитектуре супер-ЭВМ «Эльбрус-3». По различным причинам, прежде всего экономическим, в то время эти наработки не были доведены до конца, но они нашли своё воплощение в архитектуре «Эльбрус-2000» («Эльбрус»), которая обрела реальные очертания в МЦСТ в 1998 году. Первый кристалл с архитектурой «Эльбрус» был произведён в 2005 году, а в 2007 году первый вычислительный комплекс на основе микропроцессоров «Эльбрус» успешно прошел Государственные испытания. С этого времени выпущено уже 4 поколения процессоров, каждое из которых является существенным шагом вперёд по сравнению с предыдущим. Сегодняшняя «рабочая лошадка» в этой линейке – процессор «Эльбрус-2С+», с частотой 500 МГц и 2 ядрами с архитектурой «Эльбрус». Старший процессор этой линейки — четырехъядерный «Эльбрус-4С» с рабочей тактовой частотой в 800 МГц, прошёл государственные испытания весной 2014 года и готов к серийному производству. В производство уже запущена опытная партия следующей – пятой – модели: «Эльбрус-8С». Он спроектирован по технологии 28 нм, имеет 8 процессорных ядер, в процессорные ядра внесены архитектурные улучшения. Процессор должен пройти государственные испытания в 2015 году.

     МЦСТ также имеет наработки в направлении экономичных систем на кристалле. В 2015 году завершается разработка микропроцессора «Эльбрус-1С+» — одноядерного микропроцессора с архитектурой «Эльбрус» и встроенным графическим ядром, с поддержкой аппаратного ускорения 3D-графики, и общим энергопотреблением менее 10 ватт.

    Первый вопрос, который встаёт в связи с появлением на рынке нового процессора – это производительность. Можно утверждать, что отечественные разработки находятся на достойном уровне. Современные процессоры ЗАО «МЦСТ» можно расположить в такой последовательности, по возрастанию вычислительной мощности отдельного процессорного ядра: МЦСТ R1000, «Эльбрус-2С+», «Эльбрус-4С». Одно ядро R1000 имеет производительность примерно на уровне равночастотного Intel Atom, одно ядро с архитектурой «Эльбрус» – в большинстве тестов не хуже, чем равночастотный Intel Core2, но нередко в ситуациях, когда в исполняемой программе много независимых друг от друга операций, он «догоняет» архитектуру Intel Core2 с более, чем в 2 раза высокой частотой. Особенно хорошие результаты можно получить, проведя ревизию «горячих мест» в программе и проведя программные алгоритмические оптимизации на уровне исходных кодов. Архитектура «Эльбрус» даёт программистам большие возможности в этом плане. В результате, можно условно расположить сферы применения и модели – «одноклассники» следующим образом:


ккккк.PNG

     

Для нужд сферы телекоммуникаций не менее значимым вопросом является спектр интерфейсных возможностей системы. Начиная с микропроцессора МЦСТ R1000, в вычислительных системах на базе процессоров ЗАО «МЦСТ» используется внешний контроллер периферийных интерфейсов собственной разработки - так называемый «южный мост», микросхема-концентратор, связывающая периферийные устройства и шины с центральным процессором. Первой реализаций южного моста является микросхема КПИ, выпущенная в 2011 году. Важнейшим параметром любого «южного моста» является пропускная способность канала, который связывает его с процессором. У КПИ этот параметр равен 2 Гбайт/с – по 1 Гбайт/с в каждую сторону. Набор поддерживаемых интерфейсов включает в себя контроллер PCI-Express v.1.0a – 8 линий, PCI v2.3, контроллер Ethernet 1 Гбит/с, контроллер SATA 2.0 – 4 порта, контроллер USB 2.0 и другие менее скоростные интерфейсы. В 2015 году в МЦСТ планируется завершение разработки КПИ-2 — контроллера периферийных интерфейсов с пропускной способностью не менее 16 Гбайт/с (8 Гбайт/с в каждом направлении). В КПИ-2 реализован контроллер PCI Express 2.0 на 20 линий, 3 контроллера Gigabit Ethernet, 8 контроллеров SATA 3.0 – то есть набор интерфейсов современного уровня с развитыми сетевыми возможностями, позволяющий подключать высокоскоростные внешние контроллеры и большое количество дисков.

     Важно отметить, что большинство современных моделей процессоров ЗАО «МЦСТ» допускают объединение в многопроцессорные машины, до 4 процессоров в системе, и каждый процессор может иметь собственный южный мост. На базе собственных процессоров в МЦСТ разработан целый спектр вычислительных комплексов различного класса: от настольных компьютеров и ноутбуков до серверов и встраиваемой техники, в том числе для жёстких условий эксплуатации. Программное обеспечение для вычислительных комплексов ЗАО «МЦСТ» практически на всех уровнях разработано непосредственно специалистами МЦСТ и ИНЭУМ, либо при их участии на основе ПО с открытым исходным кодом. В комплект ПО входят:

• операционные системы с набором общего программного обеспечения;
• BIOS и драйвера устройств;
• средства разработки программного обеспечения;
• математические библиотеки;
• средства поддержки многопроцессорности и многомашинности.

     Основной операционной системой для вычислительных комплексов МЦСТ является ОС «Эльбрус». Она основана на ядре Linux версии 2.6.33, ведётся работа над переносом нового ядра версии 3.10. Базовым дистрибутивом для ОС «Эльбрус» является Debian — одна из самых популярных серверных операционных систем. Ядро и базовый набор из приблизительно 4000 пакетов портированы на архитектуры «Эльбрус» и SPARC и собираются из единой базы исходных кодов. Дистрибутив содержит все средства для организации работы различных серверов и набор популярного программного обеспечения, достаточного для работы обычного пользователя: графическая оболочка; браузер; текстовый и табличный процессоры, текстовые редакторы; средства просмотра мультимедийных файлов; почтовые клиенты; веб-сервер, СУБД и множество других популярных программ. Всё программное обеспечение проходит сертификацию, допускающую применение в системах, обрабатывающих сведения с грифом «совершенно секретно». Важной для сферы телекоммуникаций особенностью является поддержка режима реального времени, во многом созданная собственными силами специалистов ЗАО «МЦСТ».

     Средства разработки включают в себя общеизвестные средства с открытым кодом, которые были портированы в ОС «Эльбрус», и полностью собственные средства разработки. Собственные средства – это, прежде всего, оптимизирующий компилятор для языков С, С++, Fortran. Особенности архиектуры «Эльбрус» предполагают, что компилятор должен быть очень «умным», обладать множеством специфических оптимизаций, и у разработчиков МЦСТ не было другого выбора, кроме как создавать компилятор «с нуля». На сегодня компилятор для «Эльбруса» - мощный и надёжный инструмент, поддерживающий совместимость с бесплатным компилятором gcc 4.4. Исторический путь компании вынуждал разработчиков создавать полностью свои решения в разных сферах: схемотехника процессоров, периферийные контроллеры, средства разработки, код начальной загрузки. Он оказался непростым и затратным, но в итоге привёл к появлению нового качества создаваемых систем: доверенности. Если все ключевые компоненты созданы своими силами, имеют полный комплект документации (который можно проинспектировать) – то в системе не будет недекларированных возможностей, то есть ей можно доверять. Это свойство – ключевое с точки зрения информационной безопасности, и имеет особую ценность для ответственных применений.

     Подведём итог. Тезис об отсутствии российской вычислительной техники, основанной на российской элементной базе, - не более, чем миф. Такая элементная база имеется, и один из лидеров в этой сфере – ЗАО «МЦСТ» с её процессорами МЦСТ-R и «Эльбрус». На основе этих процессоров разработана доверенная вычислительная техника, с современным уровнем технических характеристик. Уверен, что эти процессоры найдут своё применение и в сфере телекоммуникаций. 


Читайте также:




Возврат к списку