Эльбрус (компьютер)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

«Эльбру́с» — серия советских суперкомпьютеров, разработанных в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМиВТ) в 1970—1980-х годах под руководством Всеволода Сергеевича Бурцева. Производство велось на Загорском электромеханическом заводе (ЗЭМЗ) «Звезда». Архитектура «Эльбрус-3», разработка которого началась в конце 80-х, принципиально отличалась от предыдущих моделей. Опытный образец Эльбрус-3 прошёл испытания, но в серийное производство запущен не был.

Модели серии[править | править код]

«Эльбрус-1»[править | править код]

Многопроцессорный вычислительный комплекс (МВК) '«Эльбрус-1'» — разработан в 1973—1979 годах, сдан государственной комиссии в 1980 году. Построен на базе ТТЛ-микросхем. Производительность — до 12 млн оп/с в комплектации Э1-10 с десятью ЦП[1]. Главный конструктор серии — Всеволод Сергеевич Бурцев.

«Эльбрус-2»[править | править код]

МВК «Эльбрус-2» — разработан в 1977—1984 годах, сдан в 1985 году. Производительность на 10 процессорах (из них 2 считались резервными) — 125 млн оп/с[2]. Построен на базе ЭСЛ интегральных схем ИС-100 (аналог серии Motorola 10000), из-за высокой потребляемой мощности требовал мощную систему охлаждения. По словам Бориса Бабаяна, всего было выпущено до 200 машин «Эльбрус-2» с разным числом процессоров[3].

Используется в управлении РЛС «Дон-2H»[4][5].

По справке «Красной звезды» от 1 марта 2001 года, Эльбрус-2 используется в «системе ПРО второго поколения, ЦУПе, Арзамасе-16 и Челябинске-70»[6].

Используется в системе ПРО Москвы А-135[7].

  • Процессор
    • Размещён в трёх шкафах
    • Система команд — безадресная, стековая, используется обратная польская запись
    • Тактовая частота — 20 МГц
    • Производительность по смеси Гибсон-3 — 12,5 млн оп/сек
  • ОЗУ
    • логическая организация — тегированная, страничная (размер страницы — 512 слов)
    • физически — до 16 млн слов (24-битная физическая адресация) размером 80 бит (из них 8 контрольных), эквивалентный объём — 144 МБайт
    • построена на микросхемах DRAM ЗУ565РУЗВ (16K * 1)
    • используется трёхуровневый интерливинг[8]
  • Внешняя память[9]

«Эльбрус-1К2» и «Эльбрус-Б»[править | править код]

«Эльбрус-1К2» (также известен как СВС[10] с жаргонной расшифровкой «Система, Воспроизводящая Систему»[10]) был разработан на основе компонентов и технологий Эльбруса-2 для замены БЭСМ-6. Сохранял полную программную совместимость с предшественником. Было произведено порядка 60 машин.[11]

«Эльбрус-Б» (или «Эльбрус-1К-Б») — это 64 разрядный процессор с плавающей запятой и с расширением системы команд, которая включает работу с байтами. Элементная база аналогичная Эльбрус 1-К2 и Эльбрус-2, но самостоятельная система ввода-вывода (без процессора ПВВ) и многомашинный вариант комплектации. Главный конструктор — М. В. Тяпкин.

Характеристика БЭСМ-6
(1968)
Эльбрус-1К2 Эльбрус-Б
Производительность
(млн. оп/с)
1 2,5 — 3 4 — 5
Частота, МГц 10 20 20
Разрядность, бит 48 48 48 или 64
Разрядность адресации ОЗУ, бит 15 15 15 или 27
Объём ОЗУ, МБ 0,032-0,128 0,77 64
Объём дискового ЗУ, МБ
(в стандартной комплектации)
116 58 800
Занимаемая площадь, м²
(со всей периферией)
150-200 250 70
Потребляемая мощность, кВт 30 105 25
Всего выпущено 355 60 60

«Эльбрус-3»[править | править код]

МВК «Эльбрус-3» — разрабатывался в 1986—1994 годах группой сотрудников Института точной механики и вычислительной техники под руководством Б. А. Бабаяна на основании совершенно новых архитектурных идей. МВК Эльбрус-3 должен был содержать 16 суперскалярных процессоров с VLIW системой команд. Не был запущен в серию.

Архитектура «Эльбрус-3» получила дальнейшее развитие в архитектуре микропроцессоров «Эльбрус 2000» и «Эльбрус-3М1».[12]

«Эльбрус-3-1»[править | править код]

МКП Эльбрус-3-1 в машинном зале

Конструктор А. А. Соколов. В 1993 году был успешно завершён первый этап Государственных испытаний «Эльбрус-3-1» — МКП (модульный конвейерный процессор) (Премия имени С. А. Лебедева РАН). В МКП основная идея заключалась в возможности подключения процессоров с различной специализацией (радиолокационная обработка, структурная обработка, быстрые преобразования Фурье и т. д.). У МКП было несколько счётчиков команд, поэтому он мог работать с несколькими потоками команд. Одновременно на едином поле памяти в процессоре выполнялось до четырёх потоков команд.

Архитектура Эльбрус-1,2[править | править код]

Основным отличием системы Эльбрус является ориентация на языки высокого уровня 1980-х годов. Языки класса Ассемблер в системе отсутствуют. Базовый язык — Автокод «Эльбрус» Эль-76 (автор В. М. Пентковский), на котором написано общесистемное программное обеспечение (ОСПО), является языком класса Алгол. Он напоминает язык Алгол-68. Основное различие состоит в динамическом связывании типов, которое поддерживается на аппаратном уровне. При компиляции программа на Эль-76 переводилась в безоперандные команды стековой архитектуры.

Главное отличие архитектуры «Эльбрус» от большинства существующих систем — это использование тегов. В системе Эльбрус каждое слово памяти имеет кроме информационной части, содержащей элемент данных, ещё и управляющую часть — тег элемента, на основании которого аппаратура процессора динамически выполняет выбор нужного варианта операции и контроль типов операндов.

Очень похожие принципы: Алгол как управляющий язык и система тегов применялись в компьютере B5000 фирмы Burroughs Corporation. Среди пользователей Эльбруса ходила шутка: называть систему «Эль-Берроуз».

Элементарные типы данных[править | править код]

  • целые числа двух форматов — слово (64 разряда) и полуслово (32 разряда)
  • вещественные числа трех форматов — слово, полуслово и удвоенное слово (128 разрядов)
  • наборы — обобщение языковых типов данных bool (логический), char (символьный), alfa (короткая строка, размещаемая в слове), bytes (последовательность байтов слова)

Управление памятью[править | править код]

В аппаратуре и ОС реализован гибкий механизм управления виртуальной памятью (называющейся в документации «математической»). Программисту предоставляется возможность описывать массивы размерами до 220 элементов. Разрешённые форматы элементов массива: бит, цифра (4 бит), байт, полуслово (32 бит), слово (64 бит), слово удвоенной точности (128 бит). Каждой задаче предоставляется 232 слов.

Программное обеспечение[править | править код]

Разработки МЦСТ[править | править код]

Технические характеристики процессоров[править | править код]

Архитектура SPARC[14] R150 R500 R500S R1000 R2000
Год выпуска 2001 2004 2007 2011
Техпроцесс, нм 350 130 130 90
Архитектура SPARC v8 SPARC v8 SPARC v8 SPARC v9, VIS1, VIS2
Количество ядер 1 1 2 4
Тактовая частота, МГц 150 500 500 1000
Производительность (32 бита), Гфлопс 0,15 0,5 1 16
Производительность (64 бита), Гфлопс 0,15 0,5 1 8
Потребляемая мощность, Вт 5 1 5 15
Команд на 1 такт 1 1 1 2
Кеш уровня 2, МБ 0* 0** 0,5 2
Пропускная способность шины памяти, Гбайт/с 0,4 0,8 2,6 6,4
Площадь кристалла, мм² 100 25 81 128
Число транзисторов, млн 2,8 5 51 180
Число слоёв металла 4 8 8 10
Тип корпуса BGA 480 BGA 376 HFCBGA 900 HFCBGA 1156
Максимальное число ядер в системе с общей памятью 1 4 2 16
Каналы межпроцессорного обмена ccLVDS - - - 3
Пропускная способность канала ccLVDS, Гбайт/с - - - 4
Пропускная способность канала ioLVDS, Гбайт/с - - 1,3 2
Комплексирование машин через каналы RDMA - - до 4 до 4
Южный мост - - встроенный КПИ

* возможно подключение внешней кеш-памяти объёмом до 1 МБ
** возможно подключение внешней кеш-памяти объёмом до 4 МБ

Архитектура Эльбрус[14] Эльбрус Эльбрус-S Эльбрус-2C+ Эльбрус-4C Эльбрус-1C+ Эльбрус-8C[15] Эльбрус-8СВ[16]
Год выпуска 2005 2010 2011 2014 2016

1 квартал

2015

(серийно с 2016)

(серийно с 2020)
Техпроцесс, нм 130 90 90 65 40 28 28
Архитектура Эльбрус Эльбрус Эльбрус, ElCore9 Эльбрус Эльбрус, MGA2,

Vivante GC2500

Эльбрус Эльбрус,

версия 5

Количество ядер 1 1 2 (+4 DSP) 4 1 (+1 2D, +1 3D) 8 8
Тактовая частота, МГц 300 500 500 800 1000 1300 1500
Производительность (32 бита), Гфлопс 4,8 8 28 50 24 250 576
Производительность (64 бита), Гфлопс 2,4 4 8 25 12 125 288
Потребляемая мощность, Вт 6 20 25 45 10 80 90
Команд на 1 такт 23 23 23 23 25 25 25
Кеш уровня 1, КБ (данные + команды) 64 + 128 (64 + 128) / ядро (64 + 128) / ядро
Кеш уровня 2, МБ 0,25 2 2 8 2 4

0,512 / ядро

4

0,512 / ядро

Кеш уровня 3, МБ 16 16
Тип встроенного контроллера памяти - DDR2-500 DDR2-800 DDR3-1600 DDR3-1600 DDR3-1600 DDR4-2400
Количество каналов обмена с памятью - 1 1 3 2 4 4
Пропускная способность шины памяти, Гбайт/с 4,8 8 12,8 38,4 25,6 51,2 68,3
Площадь кристалла, мм² 189 142 289 380 122 321 350
Число транзисторов, млн 75,8 218 368 986 375 2730 3500
Число слоёв металла 8 9 9 9
Тип корпуса HFCBGA 900 HFCBGA 1156 HFCBGA 1296 HFCBGA 1600 HFCBGA 1156 FCBGA 2028 FCBGA 2028

Максимальное число ядер в системе

с общей памятью (прямое соединение)

2 4 8 16 32 ?

Максимальное число ядер в системе

с общей памятью (через чип-коммутатор)

- 16 32 64
Каналы межпроцессорного обмена ccLVDS - 3 3 3 3
Пропускная способность одного канала ccLVDS, Гбайт/с - 4 4 12 16
Пропускная способность канала ioLVDS, Гбайт/с - 2 2 4
Комплексирование машин через каналы RDMA до 2 до 4 до 4 до 4
Пропускная способность канала ввода-вывода/RemoteDMA, Гбайт/с 2 2 2 4
Южный мост на базе FPGA КПИ КПИ КПИ КПИ2 КПИ2 КПИ2

Эльбрус-90микро[править | править код]

Основная статья: Эльбрус-90микро

Эльбрус-90микро — вычислительный комплекс, основанный на микропроцессорах серии МЦСТ-R с архитектурой SPARC.

Эльбрус-3М[править | править код]

Основная статья: Эльбрус-3М1

Вычислительный комплекс «Эльбрус-3М1» создан на основе VLIW-процессора с архитектурой Эльбрус 2k фирмы МЦСТ[17]. В режиме двоичной компиляции эмулирует систему команд x86; поставляется с операционной системой МСВС-Э (на основе Linux 2.6.14), системой программирования с оптимизирующим компилятором, системой двоичной компиляции, системой тестовых и диагностических программ, средствами для обеспечения программной совместимости с многопроцессорными вычислительными комплексами (МВК) «Эльбрус-2» и «Эльбрус-1». Прошёл государственные испытания[18].

В тесте SPEC «Эльбрус» с тактовой частотой 300 MHz в режиме совместимости с платформой x86 обогнал Pentium III 500 MHz.

Предполагалось, что в 2008 году будут построены 100 серверов «Эльбрус-3М» для оборонной отрасли. Теоретическая производительность двухпроцессорной системы, работающей на частоте 300 МГц, составляет 4,8 Гфлопс (64-bit double) — для сравнения, двухъядерный процессор Intel Core 2 Duo 2,4 ГГц = 19,2 Гфлопс (64-bit double), двухъядерный Itanium 2 1,66 ГГц — 13,2 Гфлопс (64-bit double), четырёхъядерный Sandy Bridge 3,8 ГГц = 121,6 Гфлопс (64-bit double). Процессоры Эльбрус имеют площадь 189 мм², произведены по технологии 130-нм и содержат 75,8 млн транзисторов. Оригинальная архитектура E2K позволяет выполнять до 23 операций за такт и обеспечивает низкое энергопотребление: 0,4 Вт/Гфлопс[19][20].

КМ-4[править | править код]

В декабре 2012 г. ЗАО «МЦСТ» получило пилотную партию моноблочных компьютеров «КМ-4», оснащённых материнской платой «Монокуб»[21], построенной на базе процессора Эльбрус-2С+ и южного моста КПИ.

Следующие поколения процессоров «Эльбрус»[править | править код]

В 2009 году планируется начало производства процессоров по технологии 90 нм. А компьютер получит 4 таких процессора с частотой 500 МГц. В планах дальнейшее развитие процессоров:

  • «Эльбрус-2СМ» — 12 ГФлопс, 90 нм к 2014 г. — микропроцессор с архитектурой Эльбрус, адаптированный для производства на отечественной фабрике[22].
  • «Эльбрус-1С+» — 24+28 ГФлопс, 40 нм, 1 ГГц, 7 Вт, к 2015 г. — экономичный микропроцессор с архитектурой Эльбрус и встроенным графическим ядром[23].
  • «Эльбрус-4С» — 64 ГФлопс, 65 нм к 2014 г.
  • «Эльбрус-8С» — 250 ГФлопс, 28 нм к 2015 г. — восьмиядерный микропроцессор с архитектурой Эльбрус[24].
  • «Эльбрус-16С» — 0,5—1 ТФлопс, 1628 нм, 8-16 ядер, к 2018 г.[25]
  • «Эльбрус-32С» — 2—4 Тфлопс, 1014 нм, 32 ядра, до 2 ГГц, к 2019—2020 г.

План текущих исследований и разработок на сайте ЗАО МЦСТ.

Архитектура

Архитектура ELBRUS (англ. ExpLicit Basic Resources Utilization Scheduling — «явное планирование использования основных ресурсов»).

Архитектура «Эльбрус» разработана в России и имеет ряд уникальных особенностей:

  • Основная особенность — заложенный в архитектуру принцип явного параллелизма операций, он дает возможность выполнять на каждом ядре до 25 операций за один машинный такт, что обеспечивает высокую производительность при умеренной тактовой частоте;
  • технология динамической двоичной трансляции, позволяющая обеспечивать эффективное исполнение приложений и операционных систем, распространяемых в двоичных кодах x86;
  • поддержка режима защищённых вычислений с особым аппаратным контролем целостности структуры памяти, которая позволяет обеспечить высокий уровень информационной безопасности использующих его программных систем.

Помимо высокой производительности и энергоэффективности процессоров, это дает возможность применять их в замещении импортных вычислительных систем там, где этого требуют соображения информационной безопасности и технологической независимости.

Операционные системы[править | править код]

Операционные системы, поддерживающие процессоры архитектуры Эльбрус:

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Заморин, Мячев, Селиванов. «Вычислительные машины, системы и комплексы. Справочник.» — М. Энергоатомиздат, 1985 г. глава 3.4 «Состав и технические характеристики МВК Эльбрус-1» стр 144—145
  2. СуперЭВМ в России. История и перспективы. Рассказывает академик РАН В. С. Бурцев (рус.) // Электроника: НТБ. — 2000. — № 4. — С. 5—9.
  3. 100% российский компьютер возродился, CNews.ru. Дата обращения 3 апреля 2017.
  4. Станислав Туркин (газета Взгляд), Минобороны показало будни системы ПРО Москвы // Army-news.ru, 2012-11-05 «Управление РЛС осуществляется с помощью советского суперкомпьютера „Эльбрус-2“ образца середины 1980-х.»; оригинал материала
  5. РЛС ПРО Архивная копия от 23 января 2012 на Wayback Machine // ОАО РТИ им. А. Л. Минца "Функционирование РЛС обеспечивается входящим в её состав … многопроцессорным вычислительным комплексом, состоящим из 4 процессоров МВК «Эльбрус-2», "
  6. Андрей ГАРАВСКИЙ, Покорение «Эльбруса» // Красная Звезда, «Оружие России», 1 марта 2001
  7. Василий Губарев. Информатика. Прошлое, настоящее, будущее. — Litres, 2017-01-12. — С. 200. — 433 с. — ISBN 9785457385504.
  8. Масич Г.Ф. МВК “Эльбрус-2” (.htm) (недоступная ссылка). ИМСС УрО РАН. Дата обращения 23 августа 2010. Архивировано 16 мая 2010 года.
  9. В.С. Бурцев. Параллелизм вычислительных процессов и развитие архитектуры суперЭВМ МВК "Эльбрус". Нефть и газ (1998).
  10. 1 2 Страница ностальгии по БЭСМ-6
  11. Иван Карташев. "Эльбрус". История легенды (.htm) (недоступная ссылка). Компьютерра-Online (1 июля 2004). Дата обращения 23 августа 2010. Архивировано 5 февраля 2010 года.
  12. Elbrus E2K Speculations — X-bit labs (недоступная ссылка). Дата обращения 9 августа 2009. Архивировано 4 марта 2016 года.
  13. НФ ИТМиВТ АН СССР
  14. 1 2 Владимир Иванов. Первый в мире обзор российского 4-ядерного процессора Эльбрус-4С, ZOOM.CNews (07.05.2014). Дата обращения 13 мая 2014.
  15. Микропроцессор «Эльбрус-8С» (ТВГИ.431281.016). www.mcst.ru. МЦСТ (2016).
  16. Центральный процессор «Эльбрус-8СВ».
  17. Выпуск вычислительного комплекса «Эльбрус-3М1»
  18. Новости ЗАО «МСЦТ» от 29 октября 2007 года (.doc) (недоступная ссылка). mcst.ru. Дата обращения 28 июня 2009. Архивировано 11 мая 2011 года.
  19. Владислав Мещеряков. 100% российский компьютер возродился (недоступная ссылка). CNews (30.06.08, 11:06). Дата обращения 28 июня 2009. Архивировано 22 мая 2009 года.
  20. Владислав Мещеряков. 100% российский компьютер представлен публике (недоступная ссылка). CNews (07.07.08, 19:46). Дата обращения 28 июня 2009. Архивировано 16 сентября 2009 года.
  21. Произведена пилотная партия моноблочных ПК на базе микропроцессора «Эльбрус-2С+» (недоступная ссылка). Официальный сайт ЗАО «МЦСТ». Дата обращения 4 января 2013. Архивировано 3 июля 2014 года.
  22. Разработка микропроцессора с архитектурой Эльбрус, адаптированного для производства на отечественной фабрике (недоступная ссылка). Дата обращения 11 декабря 2013. Архивировано 25 июня 2014 года.
  23. Экономичный микропроцессор с архитектурой Эльбрус и встроенным графическим ядром (недоступная ссылка). Дата обращения 11 декабря 2013. Архивировано 25 июня 2014 года.
  24. Восьмиядерный микропроцессор с архитектурой Эльбрус (недоступная ссылка). Дата обращения 11 декабря 2013. Архивировано 25 июня 2014 года.
  25. Разработчики померились ядрами.
  26. Техническое описание ОС РВ «БагрОС-4000»
  27. Базы данных СУБД. Дата обращения 25 января 2019.

Литература и публикации[править | править код]

Ссылки[править | править код]