Направления развития архитектуры отечественных микропроцессорных линий Эльбрус и МЦСТ-R

Мировые тенденции развития микропроцессоров
Микропроцессорные линии МЦСТ-R и Эльбрус
Маршрут проектирования микропроцессоров
Вычислительные устройства на базе микропроцессоров МЦСТ-R и Эльбрус
Операционные системы
Системы программирования
Направления развития архитектурных платформ Эльбрус и МЦСТ-R

«Закон Мура» продолжает действовать – количество транзисторов на кристалле удваивается каждые 18-24 месяцев за счет перехода на новые технологические нормы (45 нм – 32 нм – 22 нм)
В 2004 году началась эра многоядерных процессоров – повышение производительности за счет размещения на кристалле нескольких вычислительных ядер.
До 2004 года повышение производительности происходило за счет усложнения единственного вычислительного ядра и повышения частоты работы процессора.

Пять главных проблем развития микропроцессоров в XXI веке*
Параллельность - возможность использования десятков вычислительных ядер и сотни процессоров. Необходимо развивать программное обеспечение вместе с архитектурой процессоров.
Отказоустойчивость. Необходимо повышать надежность всего программно-аппаратного комплекса.
Безопасность и защита данных, в частности персональных данных. Современные системы до сих пор не защищены от элементарной атаки с использованием переполнения буфера данных.
Снижение удельного энергопотребления на единицу вычислительной мощности.
Использование достижений компьютерной индустрии для решения ключевых проблем в самых различных прикладных областях.
*Дэвид Пэттерсон (один из ключевых мировых экспертов в области архитектуры процессоров, профессор
Университета Калифорнии, США), лекция на международном компьютерном симпозиуме. Пекин, 2008
Для решения главных проблем нужен не только процессор, но и
платформа – программно-аппаратный комплекс

Основные черты современных микропроцессоров:
Многоядерные и многопотоковые структуры
Многоуровневая иерархия памяти
Объединение системных и периферийных контроллеров вместе с процессорными ядрами в одном кристалле
Использование графических процессоров как сопроцессоров для вещественных вычислений
Переход к высокоскоростным соединениям «точка-точка» вместо использования шин
Повышение показателя производительность/мощность

Микропроцессоры фирмы Intel
Микропроцессор Nehalem
Микропроцессор Sandy Bridge

Микропроцессоры фирмы AMD
Микропроцессоры Opteron
Восьмипроцессорная система на базе микропроцессоров Opteron

Микропроцессоры фирмы Sun
Микропроцессор Rainbow Falls
(UltraSPARC T3)
Микропроцессор Rock и двухпроцессорная система на его основе

Микропроцессоры фирмы IBM
Микропроцессор POWER7
Микропроцессор Cell

Китайские микропроцессоры
Микропроцессор Godson-3B
Микропроцессор Godson-2H

Китайские микропроцессоры
Эволюция микропроцессоров Godson

Мировые тенденции развития микропроцессоров
Микропроцессорные линии МЦСТ-R и Эльбрус
Маршрут проектирования микропроцессоров
Вычислительные устройства на базе микропроцессоров МЦСТ-R и Эльбрус
Операционные системы
Системы программирования
Направления развития архитектурных платформ Эльбрус и МЦСТ-R

Микропроцессоры фирмы МЦСТ

Основные черты микропроцессора Эльбрус
архитектура, ориентированная на получение высокой производительности
совместимость с архитектурой Intel х86 с помощью динамической битовой компиляции кодов
организация защиты программ и данных в контексте задачи пользователя
эффективное соотношение производительность/потребляемая мощность
поддержка многопроцессорности
лицензионная и патентная чистота (несколько десятков патентов, в том числе в США)

1C
4C
2C
2C
4C
4C
8C
Основные черты микропроцессора Эльбрус
Архитектура «Эльбрус» обладает наивысшей степенью внутренней параллельности, поэтому имеет лучшие показатели по логической скорости (максимальное количество операций, выполняемых за один такт).
Производительность «Эльбрус», работающего на частоте 1 ГГц, соответствует производительности процессора Intel Core 2, работающего на частоте 4 ГГц.

Основные черты микропроцессора Эльбрус

Кэш команд
Устройство управления
Регистровый файл
данных
Регистровый файл предикатов
Исполнительные устройства
АЛК1
АЛК2
АЛК3
АЛК4
АЛК5
УП
УПМ
АЛК0
Кэш данных
Буфер подкачки
массивов
Кэш второго уровня
Устройство обращения в память
Кэш таблицы страниц
Структура микропроцессора Эльбрус

Основные черты микропроцессоров
ряда MЦСT- R
Универсальные микропроцессоры для целочисленных и плавающих вычислений
Лицензионная чистота
Полная аппаратная совместимость с архитектурой SPARC
Возможность использования большого массива стороннего программного обеспечения
Многоядерная структура «системы на кристалле»
Малое энергопотребление
Повышенная отказоустойчивость

Структура системы на кристалле
R-500S

Мировые тенденции развития микропроцессоров
Микропроцессорные линии МЦСТ-R и Эльбрус
Маршрут проектирования микропроцессоров
Вычислительные устройства на базе микропроцессоров МЦСТ-R и Эльбрус
Операционные системы
Системы программирования
Направления развития архитектурных платформ Эльбрус и МЦСТ-R

Основные этапы логического проектирования микропроцессоров
Разработка спецификаций
RTL-описание на языке Verilog
Автономная верификация (САПР Model Sim)
Разработка и изготовление прототипа на ПЛИС
Комплексная верификация RTL микропроцессора с системным окружением
Верификация с использованием прототипа («раскрутка» операционной системы и тестирование на реальных задачах)

Основные этапы топологического проектирования микропроцессоров
Синтез устройств (САПР Design Compiler + PowerCompiler)
Планирование кристалла - создание групп, назначение контактов, разводка питания, ручное размещение памяти, периферии, контактных площадок (САПР Jupiter-XT)
Автоматическое размещение стандартных элементов, оптимизация топологии и размещения (САПР Astro & Physycal Compiler)
Построение деревьев синхронизации (САПР Astro)
Трассировка, оптимизация трассировки и топологии
(САПР Astro)

Основные этапы топологического проектирования микропроцессора
Оценка мощности, падения напряжения и электромиграции (САПР Astro-Rail)
Экстракция паразитных RC (САПР Star-RCXT)
Статический анализ временных характеристик (САПР Prime Time SI)
Физическая верификация - DRC, Antenna, LVS (САПР Hercules)
Формальная верификация (САПР FormalPro)
Подготовка документации и передача на фабрику

Особенности топологического проектирования микропроцессоров
Наличие заказного регистрового файла
Наличие заказного блока формирования синхросигналов
Наличие заказного блока DLL
Flip-Chip метод корпусирования
Использование метода “clock gating”
Использование библиотек с разными порогами
Экранирование сигналов синхронизации
Наличие термодиода для мониторинга температуры кристалла
Наличие “запасных” элементов для исправления возможных ошибок

Мировые тенденции развития микропроцессоров
Микропроцессорные линии МЦСТ-R и Эльбрус
Маршрут проектирования микропроцессоров
Вычислительные устройства на базе микропроцессоров МЦСТ-R и Эльбрус
Операционные системы
Системы программирования
Направления развития архитектурных платформ Эльбрус и МЦСТ-R

Вычислительные комплексы «Эльбрус-3М1» для АРМ и встроенных применений
Количество процессоров – 2
Тактовая частота процессора –300 МГц
Производительность – до 4,8 Гфлоп
Объем оперативной памяти – 16 Гбайт DDR2, до 9,6 Гбайт/сек
Периферийные шины – PCI, SBUS
Стандартные интерфейсы ввода-вывода: IDE, Ethernet, Serial, IEEE 1284, Video, Audio, USB
Конструкция – EATX, 3U Rack-mount, 6U CompactPCI
Группа исполнения – 1.1, 1.3
Совместимость с Intel x86
Операционные системы – ОС Эльбрус, МСВС
Возможность работы с каналами ВК «Эльбрус-90»
Возможность объединения в многомашинные комплексы

Вычислительный комплекс Эльбрус-90 в конструкции IBM РС для АРМ
Два микропроцессора R-500
1000 MIPS/400MFlops
2X4 MB кэш-памяти второго уровня
1 ГБ оперативной памяти
Два IDE диска по 120 ГБ
DVD ROM
2 порта USB
Ethernet 10/100
2 последовательных порта
Параллельный порт
Audio, Video
4 PCI – слота
АТХ форм-фактор
ОС МСВС

Вычислительный комплекс Эльбрус-90 в индустриальном исполнении
4 микропроцессора R-500
2000 MIPS/800 MFlops
4X4 MB кэш-память второго уровня
1 ГБ оперативной памяти
SCSI диски 73 ГБ
2 канала Ethernet 10/100
2 последовательных порта
Параллельный порт
Audio, Video
Каналы «Манчестер»
8 PCI – слотов
РМС - мезонины
Группы 1.3, 2.1.1, 2.1.2, 2.3.1, 2.3.3
ОС Solaris, МСВС, ОС Эльбрус

Вычислительный комплекс Эльбрус-90 в исполнении ноутбук и планшет
микропроцессор R-500
процессорный модуль SOM ЕТХ
490 MIPS/200 MFlops
4 MB кэш-памяти второго уровня
512 МБ оперативной памяти
IDE flash-диск 16 ГБ
Ethernet 10/100
2 последовательных порта
Параллельный порт
Audio
2 порта USB
GPS, ГЛОНАС
2 РМС – мезонина
экран 15” (8”)
группа 1.10
25 ВТ
ОС МСВС , ОС Эльбрус

Вычислительный многопроцессорный модуль CompactPCI 3U
Количество микросхем 1891ВМ3 на модуле – 1
Общее количество процессоров – 2
1,1 GIPS/400 Мflops
Емкость оперативной памяти - 1 Гбайт DDR 166 MHz
Flash-диск – 80 ГВ, NVRAM – 32 KB, BOOT – 512 KB, RTC
Интерфейсы – PCI, RS-232/422/485, Ethernet 10/100/1000 (2), SCSI, SATA(2),
USB 2.0 (2), Audio, DVI-I, VGA, Kb/M
Повышенная отказоустойчивость
Конструкция – 3U CompactPCI
с воздушным охлаждением
Потребляемая мощность – 10 W
Группа исполнения – 1.1, 1.3, 2.1.1, 2.1.2, 2.2.1, 2.3.1, 2.3.2
ОС Эльбрус

Вычислительный многопроцессорный модуль CompactPCI 6U
Количество микросхем 1891ВМ3 на модуле – 4
Общее количество процессоров – 8
4,4 GIPS/1,6 Gflops
Суммарная емкость оперативной памяти - 4 Гбайт DDR 166 MHz
Flash-память – 16 МВ, NVRAM – 32 KB, BOOT – 512 KB, RTC
Интерфейсы – PCI, RS-232 (8), Ethernet 10/100 (4), SCSI, IDE,
USB (2), audio, PMC, Kb/M
Повышенная отказоустойчивость
Конструкция – 6U CompactPCI
с воздушным и кондуктивным охлаждением
Потребляемая мощность – 25 W
Группа исполнения – 1.1, 1.3, 2.1.1, 2.1.2, 2.2.1, 2.3.1, 2.3.2
ОС МСВС , ОС Эльбрус

Мировые тенденции развития микропроцессоров
Микропроцессорные линии МЦСТ-R и Эльбрус
Маршрут проектирования микропроцессоров
Вычислительные устройства на базе микропроцессоров МЦСТ-R и Эльбрус
Операционные системы
Системы программирования
Направления развития архитектурных платформ Эльбрус и МЦСТ-R

Операционные системы для микропроцессорных платформ Эльбрус и МЦСТ-R:
ОС Эльбрус, МСВС, Solaris

Структура ОС Эльбрус
Доработанное ядро ОС Linux
Библиотеки, утилиты, конфигурационные файлы, связанные с произведенными доработками
Специальные модули и утилиты (реализация КСЗ от НСД)
Средства поддержки пользовательского интерфейса (интерпретаторы командных языков, текстовые редакторы, утилиты работы с файлами, …)
Средства для работы в «жестком» реальном времени

Мировые тенденции развития микропроцессоров
Микропроцессорные линии МЦСТ-R и Эльбрус
Маршрут проектирования микропроцессоров
Вычислительные устройства на базе микропроцессоров МЦСТ-R и Эльбрус
Операционные системы
Системы программирования
Направления развития архитектурных платформ Эльбрус и МЦСТ-R

Оптимизирующий компилятор

Эффективная двоичная совместимость с Intel x86
Функциональность
Полная совместимость с архитектурой Intel x86
Прямое исполнение 20+ операционных систем, в том числе: MSDOS, Windows XP, Linux, QNX
Прямое исполнение 1000+ самых популярных приложений
Производительность
Достигается за счет скрытой системы двоичной трансляции
Мощная аппаратная поддержка в МП «Эльбрус»
Лицензионная независимость от Intel

Защищенные вычисления
Типы обнаруживаемых ошибок:
нарушение границ объекта (переполнение буфера)
использование неинициализированных данных
использование опасных конструкций языка или опасных отклонений от стандарта языка
Технология основана на контекстной защите памяти на базе тегированной архитектуры

Мировые тенденции развития микропроцессоров
Микропроцессорные линии МЦСТ-R и Эльбрус
Маршрут проектирования микропроцессоров
Вычислительные устройства на базе микропроцессоров МЦСТ-R и Эльбрус
Операционные системы
Системы программирования
Направления развития архитектурных платформ Эльбрус и МЦСТ-R

Перспективные микропроцессоры

Структура системы на кристалле
Эльбрус-S

Структура системы на кристалле
МЦСТ-4R

Структура контроллера периферийных интерфейсов

Динамика развития микропроцессоров