Все о российских процессорах кратко
Обновлено: 03.07.2024
Содержание
Проектирование процессоров
Специалисты различают архитектуру процессора и микроархитектуру процессора.
Архитектура процессора — это система команд, которую он поддерживает. Архитектура процессоров важна для программистов: именно от архитектуры зависит, какие программы будут с этим процессором совместимы.
Микроархитектура процессора — это, грубо говоря, внутренняя схема устройства процессора в том виде, в каком её видят разработчики процессоров.
Процессоры с одинаковой архитектурой, но разной микроархитектурой могут выполнять одинаковые программы без перетрансляции, но отличаться в производительности.
Российская архитектура, российская микроархитектура
Это полностью отечественный продукт. Такие процессоры труднее продвигать на мировой рынок и наоборот — на этих процессорах сложнее использовать разработанное за рубежом программное обеспечение.
Лицензированные процессорные ядра
Россияне сами компонуют закупленные за рубежом ядра на кристалле, добавляют свои вспомогательные блоки. Написанное за рубежом программное обеспечение более-менее гарантированно работает. Процессор можно использовать для продвижения российских аппаратных блоков за рубежом (например, блок обработки видео).
Международная архитектура, российская микроархитектура
Преимущества разных процессоров
МЦСТ Эльбрус — российская архитектура, российская микроархитектура. [4]
- распараллеливаемые военные/научные/инженерные вычисления с плавающей точкой (возможный пример использования: геологоразведка);
- аппаратные особенности, позволяющие реализовывать высокозащищённые системы.
Динамично развивается программная экосистема — например, уже доступны ОС Эльбрус, КПДА Нейтрино-Э, ОС Альт. [17][18][19]
МЦСТ SPARC — российская реализация международной архитектуры SPARC на базе российской микроархитектуры. [20]
В 2020 году планируется выпуск процессора МЦСТ R2000 (sparcv9, 2000 МГц).
НИИСИ
Сильные места НИИСИ: радиационная устойчивость и неафишируемый проект высокопроизводительной микроархитектуры.
НИИСИ разрабатывает две линии процессоров — обе по архитектуре MIPS. Кроме того, НИИСИ также подготовила часть кадров для процессорной команды Байкал Электроникс, которая тоже использует MIPS.
Процессор КОМДИВ-32 сделан довольно давно, возможно, на основе лицензированного у MIPS (тогда Silicon Graphics) ядра. Основная гордость создателей КОМДИВ-32 — устойчивость к радиации, по которой они меряются силами с BAE Systems, Gaisler Aeroflex и Honeywell. Устойчивость к радиации необходима для систем, предназначенных для использования в космосе.
Суперскалярный КОМДИВ-64 является пока темной лошадкой, скудную информацию о путях которой можно найти в [21]. При сохранении совместимости с архитектурой MIPS64 и написанным для MIPS64 ПО внутреннее строение (микроархитектура) КОМДИВ-64 полностью спроектирована в России и согласно слайдам по ссылке выше позиционируется как высокопроизводительная. Это явный кандидат на коммерциализацию для Linux-компьютеров (рабочих станций, серверов, суперкомпьютеров и встраиваемых систем).
Байкал Электроникс
Основные ниши: космос и умные камеры.
В 2017 году появился процессор ELISE для систем компьютерного зрения, производимый по технологии 28 нм. [26]
Миландр
Модуль
Потенциальные сферы применения: цифровое телевидение, авиация и космос.
Также созданы оригинальное нейропроцессорное ядро NMC4, включающая его СБИС К1879ВМ8Я и PCIe-плата МС127.05 на её основе.
Дизайн Центр "КМ211"
Ниши: смарткарты и чисто российский микроконтроллер.
Мультиклет (MultiClet)
Российская компания, созданная в 2011 году и занимающаяся разработкой и производством высокопроизводительных и отказоустойчивых процессорных ядер и процессоров с низким энергопотреблением, созданных на основе российской мультиклеточной архитектуры, устройств на их основе. Владеет патентом на мультиклеточную процессорную архитектуру. Ее отличие от традиционной ядерной в том, что она работает не с отдельными командами, а с "предложениями" из команд. Участник Инновационного центра "Сколково", кластер "Космические технологии и коммуникации". На 2021 г. создано несколько серий мультиклеточных процессоров.
Ниша: модули для ГЛОНАСС
В 2020-м г. российские процессоры IVA TPU вошли в число лучших мировых решений по версии MLPerf [29].
ООО "СИНТАКОР" (Syntacore)
Syntacore — поставщик RISC-V совместимых ядер с дизайн-центром в Санкт-Петербурге. Компания вносит существенный вклад в развитие технологий RISC-V, предлагая линейку процессорного IP с набором команд RISC-V и соответствующие инструменты.
Основные области компетенций команды: высокопроизводительные встраиваемые ядра с низким энергопотреблением; инструкции процессора, оптимизированные под приложения (ASIP); реконфигурируемые архитектуры; компиляторы [30][31].
Производство микросхем в России
В России и Белоруссии есть пять крупных микропроцессорных производств — зеленоградские Микрон и Ангстрем (банкрот в 2019 [33]), секретная фабрика в Курчатове/НИИСИ, вспомогательное производство в Воронеже и фабрика Интеграл в Белоруссии.
Также помимо крупных производств в России есть несколько мелких с технологиями уровня 1,5-10 мкм (для Роскосмоса и ко), но они не выполняют коммерческие заказы и информации по ним очень мало. Так что общее количество заводов подсчитать сложно.
Микрон и Ангстрем используют оборудование, купленное у ST, AMD и IBM. На Микроне уже реально производятся микросхемы по нормам 90 нанометров на 200-мм пластинах (SRAM и Эльбрус). Техпроцесс 65 нм неспешно доводят, первый опытный образец был выпущен ещё в 2014 г., в 2017 году чистый КМОП-процесс наконец заработал. На Ангстреме — 600 нм на старой линии, 130 нм от AMD и 90 нм от IBM на 200 мм пластинах запустили к началу 2016 года.
Российские фабрики Микрон и Ангстрем можно применять для производства определённых продуктов типа микроконтроллеров. Кроме того, они имеют стратегическое значение — вокруг них учатся специалисты, опыт которых пригодится и в контрактных производствах на тайваньской TSMC.
Стоит также упомянуть Crocus Technology, который готовые CMOS пластины везет в Россию, наносит тут MRAM-слои, а потом снова отсылает обратно за рубеж на последние слои.
Также есть ряд производств СВЧ-микросхем на некремниевых подложках (для АФАР и т.п., микрополосковые СВЧ-фильтры), с электронной литографией и прочее (ИСВЧПЭ РАН и ко).
реклама
реклама
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить, какое главное требование предъявляется к вычислительным системам, которые обслуживают государственный и оборонный сектор. Этим требованием будет информационная безопасность.
Дыры в безопасности процессоров AMD и Intel
А какая может быть информационная безопасность у вычислительных систем на процессорах AMD и Intel? Правильно, никакая. Если на этапе их проектирования и производства, компании могут беспрепятственно вносить в них аппаратные закладки любого назначения. А после распространения этих процессоров по всему миру, скрытно собирать необходимые данные. Закладка – это скрытно встроенный в процессор аппаратный инструмент, при помощи которого заинтересованные лица могут получить доступ к конфиденциальным данным или к дистанционному управлению компьютером.
реклама
Кроме того у процессоров AMD и Intel имеется еще и большое количество аппаратных уязвимостей внесенных непреднамеренно, они в этом плане дырявые как решето.
Компания AMD и Intel признают наличие в своих процессорах непреднамеренных уязвимостей, и постоянно публикуют об этом отчеты.
реклама
А ведь это серверный сегмент, где безопасность информации святая святых. А насколько безопасно их можно использовать в оборонной сфере? А ведь это безопасность нашего государства.
Преимущества процессоров Эльбрус
Многие скажут, что и в технологическом плане они значительно уступают другим процессорам.
Выводы
Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен или telegram-канал @overclockers_news - это удобные способы следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.
В нынешнем году на рынке выйдет новый процессор российского производства – Байкал-Т1. О том, что это такое, и какие вообще процессоры выпускались в России в постперестроечное время (а главное — зачем), сегодня и пойдет речь.
В нынешнем году на рынке выйдет новый процессор российского производства – Байкал-Т1. О том, что это такое, и какие вообще процессоры выпускались в России в постперестроечное время (а главное — зачем), сегодня и пойдет речь.
Baikal T-1
Прямыми конкурентами Baikal-T1 являются процессоры американской компании Broadcom серии StrataGX, а также компании Freescale серии QorIQ T1020.
Другие участники
И это далеко не единственный представитель. Свои силы в новой реальности пробовал и Научно-исследовательский институт системных исследований РАН (НИИСИ), разработав еще в 1999 году семейство процессоров со смешным названием KOMDIV-32. Название неслучайно: процессор применяется в промышленных компьютерах, выпускаемых для нужд Министерства Обороны РФ и для военно-космических исследований. В 2007 году выходит 64-битный процессор KOMDIV-64 — но это опять же всё не для массового применения.
Насчет навигаторов согласиться можем, но вот ноутбуки и планшеты… Разве что ну совсем промышленные.
Есть ли будущее?
Ответить на данный вопрос можно двояко. С одной стороны, у промышленных процессоров и компьютеров потенциал большой: они с успехом используются в различных ВПК и на разнообразном производстве по всему миру.
Отсюда можно сделать вывод простой. В промышленной сфере шансы есть. В бытовой — ни одного.
Советский период
В конце 60-х годов 20-го века в СССР была принята государственная директива, которая обозначала дальнейший вектор развития компьютеростроения СССР как копирование наработок западных коллег, в частности компьютера IBM S/360. В целом, многие советские инженеры, в том числе и отец советской кибернетики Сергей Лебедев, отзывались скептически о таком решении. По мнению Лебедева, путь копирования по определению является дорогой отстающих. Но других вариантов никто не видел или не хотел видеть.
Сергей Алексеевич Лебедев
Компоненты Эльбрус-2
Эльбрус 1-КБ
МЦСТ — эпоха современной России
В 2001 году на свет выходит Itanium, который, как упоминалось выше, встречают не шибко радостно. Казалось, вот он момент, когда можно показать западным корпорациям кузькину мать. В 2002 году в интервью журналу ExtremeTech Бабаян ещё сильнее завысил планку ожидания, заявив, что процессор будет иметь тактовую частоту в 3 ГГЦ, но и сумма, необходимая для начала производства, увеличилась до рекордных 100 миллионов долларов.
| Характеристика | Описание |
| Год выпуска | Производство с 2008 года |
| Техпроцесс, нм | 130 |
| Количество ядер | 1 |
| Тактовая частота, ГГЦ | 0,3 |
| Производительность, Гфлопс | 4,8 — 32 бита; 2,4 — 64 бита |
| Мощность, ВТ | 6 |
| Кеш | 1 уровень — 64 Кбайт + 64 Кбайт (команд+данных);2 уровень — 256 Кбайт |
| Число транзисторов, миллионов | 75,8 |
| Характеристика | Описание |
| Год выпуска | Представлен общественности в октябре 2010 года |
| Техпроцесс, нм | 90 |
| Количество ядер | 1 |
| Тактовая частота, ГГЦ | 0,5 |
| Производительность, Гфлопс | 8 — 32 бита; 4 — 64 бита |
| Мощность, ВТ | 13 — типовая; 20 — максимальная |
| Кеш | 1 уровень — 64 Кбайт + 64 Кбайт (команд+данных);2 уровень — 2 Мбайт |
| Число транзисторов, миллионов | 218 |
| Характеристика | Описание |
| Год выпуска | Производство с 2011 года |
| Техпроцесс, нм | 90 |
| Количество ядер | 2 + 4 ЦСП |
| Тактовая частота, ГГЦ | 0,5 |
| Производительность, Гфлопс | 28 — 32 бита; 8 — 64 бита |
| Мощность, ВТ | 25 |
| Кеш | 1 уровень — 64 Кбайт + 64 Кбайт (команд+данных);2 уровень — 1 Мбайт |
| Число транзисторов, миллионов | 368 |
| Характеристика | Описание |
| Год выпуска | Производство с 2015 года |
| Техпроцесс, нм | 65 |
| Количество ядер | 4 |
| Тактовая частота, ГГЦ | 0,8 |
| Производительность, Гфлопс | 50 — 32 бита; 25 — 64 бита |
| Мощность, ВТ | до 60 |
| Кеш | 1 уровень — 128 Кбайт + 64 Кбайт (команд+данных);2 уровень - 8 Мбайт |
| Число транзисторов, миллионов | 986 |
| Характеристика | Описание |
| Год выпуска | Производство с 2015 года |
| Техпроцесс, нм | 40 |
| Количество ядер | 1 + 1 с ускорителем 2D графики + 1 с ускорителем 3D графики |
| Тактовая частота, ГГЦ | 1 |
| Производительность, Гфлопс | 24 — 32 бита; 12 — 64 бита |
| Мощность, ВТ | 10 |
| Кеш | 1 уровень — 128 Кбайт + 64 Кбайт (команд+данных);2 уровень - 2 Мбайт |
| Число транзисторов, миллионов | 375 |
| Характеристика | Описание |
| Год выпуска | Производство с 2016 года |
| Техпроцесс, нм | 28 |
| Количество ядер | 8 |
| Тактовая частота, ГГЦ | 1,3 |
| Производительность, Гфлопс | 250 — 32 бита; 125 — 64 бита |
| Мощность, ВТ | 80 |
| Кеш | 1 уровень — 128 Кбайт + 64 Кбайт (команд+данных);2 уровень - 4 Мбайт;3 уровень — 16 Мбайт |
| Число транзисторов, миллионов | 2730 |
| Характеристика | Описание |
| Год выпуска | Производство с 2020 года |
| Техпроцесс, нм | 28 |
| Количество ядер | 8 |
| Тактовая частота, ГГЦ | 1,5 |
| Производительность, Гфлопс | 576 — 32 бита; 288 — 64 бита |
| Мощность, ВТ | 90 |
| Кеш | 1 уровень — 128 Кбайт + 64 Кбайт (команд+данных);2 уровень - 4 Мбайт;3 уровень — 16 Мбайт |
| Число транзисторов, миллионов | 3500 |
Суперскалярные и VLIW процессоры
Простейший скалярный процессор умеет выполнять одну машинную команду за такт. Команды выстроены в цепочку, порядок которой задан в машинном коде. При этом следующая команда не начинает выполняться, пока не закончится старая. Такой подход оправдан, когда следующая команда использует результаты предыдущей. Но это совершенно необязательно: команды могут быть независимыми. Поэтому разработчики микропроцессоров стали думать о том, как ускорить исполнение команд. В результате было выработано два основных подхода.
Второй путь подразумевает обнаружение в последовательности команд тех, что не пересекаются по аргументам и результатам (по используемым и определяемым ресурсам). Такую группу можно запускать на исполнение одновременно, отсюда и название подхода — параллельная группировка команд.
Если немного подумать и сопоставить описанные подходы, то можно обнаружить, что они не противоречат друг другу. Архитектуры микропроцессоров, объединяющие эти принципы, называются in-order superscalar. В 60-е годы был реализован следующий шаг — изменение последовательности команд относительно друг друга прямо в процессе исполнения. Такой подход называется out-of-order superscalar (OOOSS). Большинство современных представителей архитектур типа RISC и CISC (x86, PowerPC, SPARC, MIPS, ARM) являются OOOSS. Ниже показана эволюция подходов к параллельному исполнению множества инструкций.
Переход от скалярных процессоров к суперскалярным с возможностью перестановки инструкций
Под широкой командой понимается набор элементарных операций Эльбрус, которые могут быть запущены на исполнение в одном такте. С точки зрения исполнительных устройств в широкой команде доступны:
- 6 арифметико-логических устройств (АЛУ), исполняющих следующие операции:
- 1 устройство для операции передачи управления (CT);
- 3 устройства для операций над предикатами (PL);
- 6 квалифицирующих предикатов (QP);
- 4 устройства для команд асинхронного чтения данных по регулярным адресам в цикле (APB);
- 4 литерала размером 32 бита для хранения константных значений (LIT);
Средняя степень наполнения широкой команды полезными операциями в значительной степени отражает производительность процессора. Можно сказать, что задачей повышения производительности кода на архитектурах VLIW является статическое (во время компиляции) обнаружение параллелизма на уровне операций, планирование операций с учетом найденного параллелизма, обеспечение хорошего наполнения широкой команды полезными операциями и проведение различных оптимизаций.
Особенности архитектуры
Регистровый файл. Для параллельного выполнения операций требуется значительное число оперативных регистров. Так называемый регистровый файл содержит 256 регистров для целочисленных и вещественных данных, 32 из них предназначены для глобальных данных, остальные 224 — для стека процедур
Также в системе присутствует 32 двухразрядных регистров-предикатов, составляющих предикатный файл. Над предикатными регистрами выполняет операции предикатное устройство, причем длительность операции составляет половину такта. Поэтому в одном такте можно планировать логические операции, где вторая группа использует результаты первой.
Для ускорения программы можно выполнять операции раньше, чем становится известно направление условного перехода, или считывать данные из памяти раньше предшествующей записи. Но такие способы не всегда корректны, так как возможно недетерминированное поведение при исполнении. Например, в случае выполнения раньше условного перехода, операция, которая не должна выполняться, может вызвать прерывание. А при выполнении чтения раньше предшествующей записи из памяти может быть считано неправильное значение. Для таких ситуаций в архитектуру введены режимы спекулятивности по управлению и спекулятивности по данным.
Предварительная передача управления. Предварительная подкачка кода в направлении ветвления, а также его первичная обработка на дополнительном конвейере (на фоне выполнения основной ветви) скрывают задержку по доступу к коду программы при передачах управления. Тем самым возможна передача управления без остановки конвейера выполнения, когда уже известно условие ветвления.
Пользуясь механизмом предикатного и спекулятивного исполнения операций, можно планировать в одной широкой команде операции, относящиеся к различным ветвям управления, избавляться от дорогостоящих операций перехода и переносить арифметико-логические операции через операции перехода.
Также возможна программная конвейеризация циклов, позволяющая наиболее эффективно исполнять циклы с независимыми или слабо зависимыми итерациями. В программно-конвейеризированном цикле последовательные итерации выполняются с наложением — одна или несколько следующих итераций начинают выполняться раньше, чем заканчивается текущая. Шаг, с которым накладываются итерации, определяет общий темп их выполнения, и этот темп может быть существенно выше, чем при строго последовательном исполнении итераций. Такой способ организации выполнения цикла позволяет хорошо использовать ресурсы широкой команды и получать преимущество в производительности.
Асинхронный доступ к массивам позволяет независимо от исполнения команд основного потока буферизовать данные из памяти. Запросы к данным должны формироваться в цикле, а адреса линейно зависеть от номера итерации. Асинхронный доступ реализован в виде независимого дополнительного цикла, в котором кодируются только операции подкачки данных из памяти в FIFO-буфера. Из буфера данные забираются операциями основного цикла. Длина буфера и асинхронность независимого цикла позволяют устранить блокировки по считыванию данных в основном потоке исполнения.
Сравнение VLIW и OOOSS. Преимущества и недостатки
Кратко опишем главные отличия VLIW и OOOSS
- Явно выраженный в коде параллелизм исполнения элементарных операций.
- Точное последовательно исполнение широких команд.
- Особая роль оптимизирующей компиляции.
- Дополнительные архитектурные решения для повышения параллелизма операций.
- Перестановка и параллельное исполнение операций обеспечивается аппаратно в пределах окна исполняемых в данный момент операций.
- Для переупорядочивания используются скрытые буфера, скрытый регистровый файл, неявная спекулятивность.
- Достаточно большое окно для поиска параллелизма в перестановки инструкций обеспечивается аппаратным предсказателем переходов.
Исполнение кода в OOOSS и VLIW. Красная команда зависит от желтой и требует ей завершения, при этом коричневая и зеленая операция не зависят от желтой, поэтому их можно выполнять раньше.
Преимущества и недостатки VLIW
| Преимущества | Недостатки |
| Больше открытых возможностей для выражения параллелизма инструкций. | Возможные ухудшения производительности при исполнении legacy-кодов. |
| Лучшая энергоэффективность при схожей производительности. | Более сложный код для отладки и анализа. |
| Более сложный компилятор. |
Преимущества и недостатки OOOSS:
| Преимущества | Недостатки |
| Эффективное исполнение legacy-кодов. | Расход энергии на многократное планирование одних и тех же операций. |
| Дополнительная информация о параллельности операций, доступная в динамике исполнения. | Аппаратурное ограничение окна исполняемых операций для переупорядочивания. |
В чем проблема сразу перейти на техпроцесс, как у Apple, AMD или Intel?
Cloud VPS с быстрыми NVMе-дисками и посуточной оплатой у хостинга Маклауд.
Читайте также: