Историята и техническите характеристики на процесорите Елбрус

За десктоп процесорите на AMD и Intel са чували всички и много хора знаят техните възможности. Някои навярно си спомнят, че преди 10 години те имаха конкуренция от страна на процесорите на VIA, които обаче не издържаха конкуренцията. Малко са хората, които знаят какви точно са съветско-руските процесори Елбрус. Нека да се спрем върху тях: как са проектирани и създавани, каква е тяхната архитектура и на какво ниво са днес.

Елбрус-1

Специалистите на СССР много добре разбираха, че бъдещето е в процесорите. При това без да става дума за използване разработките на други компании – тези процесори трябваше да бъдат съветски – със своя елемента база, свои теоретични изследвания и разработки на територията на страната. Това не бе пречка чрез reverse engineering да се създадат редица копия на процесорите на Intel, чак до i286.

В крайна сметка, през 1980 година бе представен комплексът Елбрус-1, който бе изграден чрез TTL транзисторна логика – хибридни схеми, съставени от биполярни транзистори, резистори и диоди, в които транзисторите се използват не само като логически елементи, а и за усилване на сигнала. Производителността на Елбрус-1 достигна 12 милиона операции в секунда. Това не е малко, понеже актуалният тогава процесор Intel 8086, от който всъщност започна ерата на х86, можеше да изпълнява 330 хиляди операции в секунда. Излезлият 10 години по-късно i486DX можеше да се сравнява с комплекса Елбрус-1.

Елбрус-2

През 1985 година бе представен новия изчислителен комплекс Елбрус-2, който използваше интегралните схеми ИС-100, получени чрез reverse engineering от процесорите Motorola серия 10000. Комплексът съдържа 10 процесора, всеки процесор с тактова честота 20 MHz, като сумарно клъстърът разполага със 144 MB оперативна памет. За външна памет се използва магнитна лента с обем 700 MB (точно колкото един CD диск). Производителността на тази система достига 125 милиона операции в секунда, която е сравнима с ARM процесорите с Cortex M3 ядра. Тези ARM процесори сега се използват като копроцесори за сензорите в iPhone и се наричат Apple M7-M10. Естествено, сравнението не е много удачно, понеже Елбрус-2 заема цяла стая и изисква сериозно охлаждане, докато в смартфона това е един съвсем малък чип.

Елбрус-3

Тази стъпка в развитието на Елбрус се падна в мътните времена на 1989-1991 години, през които възможностите за разработка на практика се стопиха. Ситуацията коренно се промени: първо, Русия не е СССР и не може да се нарушават патентите на чуждите фирми. И второ, едно е да правиш reverse engineering на процесор със 100 000 транзистора, а съвсем друго е на процесор с десетки милиони – това е много по-сложно. В крайна сметка се премина към VLIW архитектурата, специално създадена за многопроцесорни системи: една процесорна инструкция съдържа няколко операции, изпълнявани паралелно, като е известно точно кой блок коя операция ще извърши. Очевидно е, че за никаква съвместимост с Елбрус-1 не може и става дума. Тогава нямаше пари за разработване и производство и проектът Елбрус бе изоставен до началото на нулевите години.

Наше време. Процесорите на ЗАО МЦСТ

В началото на века Русия реши някои от основните проблеми в страната и правителството отново обърна внимание на тези процесори. Но времето бе окончателно изпуснато. За периода от 1994 до 2000 години Intel направи огромен скок: процесорите увеличиха тактовите си честоти над 10 пъти, а технологичният процес също стана 10 пъти по-малък. Елбрус си бе на ниво 90 nm и бе необходимо нещо друго.

Според някои анализатори, МЦСТ (Московски център за SPARC технологии) тук допусна сериозна грешка: след като се разбра, че се налага смяна на архитектурата, бе избрана SPARC. Ясно е, че няма как да се работи върху х86 процесор, но налице бе ARM, който също като SPARC бе свободен за лицензиране. МЦСТ бързо разбра, че да се продължава по този път няма смисъл и през 2005 година представи първия процесор със собствената архитектура Елбрус. Това бе правилно решение, понеже архитектурата продължи да се развива. Но 5 години бяха изгубени, а в тази област това е дълъг срок.

Архитектурата Елбрус

Тази архитектура се базира на същата VLIW и разработките „Елбрус“ от 90-те години. Основната разлика с познатите RISC (това са ARM и SPARC) и CISC (x86) е в начина за анализ на зависимостите и редът за изпълнение на постъпващия поток от инструкции: в традиционните архитектури именно процесорът открива независимите операции и ги стартира паралелно на различните ядра. Този динамичен анализ на зависимостите и поддръжката на извънредно изпълнение на команди води до това, че съвременните процесори могат да изпълняват от 4 до 6 команди на един такт.

В архитектурата Елбрус, основата работа по анализа на зависимостите и оптимизацията на реда за изпълнение на отделните операции се извършва от компилатора. Процесорът получава така наречените „широки команди“, във всяка от която са кодирани инструкциите за всички изпълнителни устройства на процесора, коти трябва да бъдат изпълнени по време на следващия такт. В резултат от това строежът, устройството на самия процесор е по-опростен, а консумацията е по-ниска. Тези процесори могат да изпълняват 23 и дори в някои случаи до 33 команди на един такт. По този начин, архитектурата Елбрус успешно се справя с основния проблем на съвременните изчислителни системи – разбиване на задачите на няколко паралелни потока. Intel и AMD по инерция имат проблем в това отношение – така например, в игрите 4-ядрените i7 често се оказват на нивото и дори в някои отношения са по-добри от 8-ядрените чипове. Без да има зад гърба си инерцията от миналите години МЦСТ заобикаля този проблем.

Производителността на Елбрус

Друга важна особеност на Елбрус е режимът на динамичното битово преобразуване, в който може да се изпълнява х86 код и по този начин става възможно стартирането на операционната система Windows и програмите за нея. Динамичното прекодиране в реално време преобразува двоичните кодове на х86 инструкциите в машинни кодове за Елбрус. На практика това е една виртуална машина на хардуерно ниво с пълноценен BIOS, в която може да се стартира х86 код.

Производителността може да се изчисли по два начина: в GFLOPS – чисто математическа производителност, позволяваща приблизително да се оцени възможността на процесори с всякаква архитектура. Елбрус 4С, който е най-производителният към днешен ден, има 4 ядра с тактова честота 800 MHz и е произведен чрез 65 нанометров технологичен процес. Чипът има 8 MB кеш от второ ниво и производителност с двойна точност 25 гигафлопса. Това е на нивото на 4-ядрения процесор Intel Core 2 Quad Q6600, произведен в началото на нулевите години, с производителност 35 гигафлопса. Не е много, понеже процесорът i7-4770 от 2013-2014 година има производителност вече 250 гигафлопса. От друга страна, той разсейва 65 W топлина, докато Елбрус – 45 W. Но разликата в производителността е толкова голяма, че разликата в топлината е несъществена.

Вторият начин е стартирането на ОС Windows. Елбрус-4С поддържа Windows 7 и играта GTA: Vice City, която е над 10 години.

Интересно е, че системната информация на Windows 7 вижда процесор Pentium 4 с тактова честота 800 MHz при 2,5 GB оперативна памет.

Какво ни говори това? Очевидно, възможностите на всяко ядро са сравними с Pentium 4, тоест, поддържат се същите инструкции на процесора отпреди 15 години – няма никакви AVX, само MMX и старите версии на SSE. Това означава, че нормално ще работи само софтуерът едва до 2005 година. Всичко по-ново иска SSE 4 и AMD. И още, виртуална машина има нужда от 1 GB оперативна памет и от 4-те GB RAM на х86 системата, от които са достъпни 3,5 GB, остават 2,5 GB.

Съвсем не е зле, но не е като при другите решения – Windows 10 нормално работи на ARM процесор, при това софтуерът не е стар, а най-съвременният Photoshop.

Всъщност производителността съвсем не е проблем. За Елбрус е създадена операционна система, базирана на Linux, като производителността е предостатъчна за офис работа и сърфиране в интернет. Основният проблем е цената. Произвеждат се малки партиди процесори Елбрус и цената на всеки чип е много висока. Персонален компютър с този процесор струва над 100 000 рубли – около $1600, достатъчни за закупуването на геймърски компютър или сглобяването на прилична работна станция. Ето защо, очевидният сценарий на използването на новите процесори са държавните структури, където цената не е толкова важна.

Но специалистите са там и продължават да проектират нови процесори и кой знае, може след 10 години процесорите Елбрус да станат конкурентоспособни.