Руководство Министерства внутренних дел РФ по итогам минувшего года осталось недовольно низкими темпами цифровизации своего ведомства. Причиной стали трудности при запуске и эксплуатации российской вычислительной техники.
Запрет на госзакупки
В сентябре прошлого года правительство утвердило запрет на госзакупки импортных интегральных микросхем, ноутбуков, планшетов, портативных компьютеров и серверов. «В дальнейшем мы будем продолжать создавать благоприятные условия и возможности для развития и укрепления позиций российских производителей электроники», — заявил тогда заместитель министра промышленности и торговли РФ Василий Шпак.
В декабре ведущие СМИ писали, что крупнейшие российские потребители серверного оборудования остались недовольны вычислительной техникой на отечественных процессорах. Минцифры проводило по этому поводу встречу с участием «Ростелекома», департамента информационных технологий (ДИТ) Москвы, ВТБ, «Росатома», «Ростеха», АК АЛРОСА, «Сбера» и «Почты России».
Что касается МВД РФ, то в 2020 году, то есть еще до запрета, ведомство закупало компьютеры на импортных чипах за 1,12 млрд рублей. Судя по тендеру, МВД сначала допускало использование в новых компьютерах отечественных процессоров, но в итоге выбрало зарубежные чипы.
Вариант решения проблемы
Согласно тому же письму замминистра МВД Виталия Шулики в правительство от 27 декабря 2021 года, серверы на процессоре «Эльбрус 8С», которые производит АО МЦСТ, не поддерживают загрузку операционной системы с носителей информации. Это, по его словам, не позволяет обеспечить «достаточный уровень отказоустойчивости программно-аппаратных комплексов». Шулика предложил протестировать производительность процессоров в 2022 году при работе с российским системным софтом.
Поставщик серверов для МВД «Норси-Транс» знает о претензиях к производительности «Эльбрусов». Гендиректор компании Сергей Овчинников сообщил, что проблемы совместимости процессоров и софта можно решить. Кроме того, он подчеркнул, что в новой модели «Эльбрус 8СВ», которая сменит «Эльбрус 8С», «многие недоработки уже исправлены».
Внутреннее строение
Разработка микропроцессора Эльбрус 8С была начата в конце 2011 года. За основу был взят дизайн микропроцессора предыдущего поколения Эльбрус 4С с переработанными структурными элементами, включая процессорные ядра, подсистемы памяти и ввода-вывода, иерархии кэш-памяти. Первые инженерные образцы микропроцессора были получены в ноябре 2014-го года, а серийный выпуск начался в 2016-м году.
Эльбрус 8с представляет собой типичную микросхему общего назначения, выполненную в 2028-контактном BGA-корпусе с размером подложки 43 на 59 мм.
Процессор спроектирован и изготовлен по технологическим нормам 28 нм на заводах тайваньской компании TSMC с вытравленными двумя миллиардами семьсот тридцатью миллионами транзисторов.
Площадь кристалла составляет 330,416 квадратных миллиметров.
На кристалле размещены восемь процессорных ядер архитектуры Эльбрус 4-го поколения с тактовой частотой до 1300 МГц, каждое из которых способно исполнять до 25 операций за такт в скаля́рном и до 41 операции в ве́кторном режиме.
Ядра подключены к общей кэш-памяти третьего уровня, объёмом 16 Мб, имеющую распределённую структуру с разбиением на восемь независимых банков (от Б0 до Б7), причём каждое ядро имеет доступ ко всем банкам.
Ядра и банки общей кэш-памяти объединены в узлы (ква́рты) по два ядра и два банка в каждом. Кварты соединены двунаправленным буферизующим кольцом.
Контроллер системных обменов SIC выполняет функции доступа к памяти и схемам ввода-вывода, он также включает в свой состав все контроллеры высокоскоростных интерфейсов процессора:
— четыре контроллера каналов оперативной памяти SDRAM DDR3-1600 с максимальной пропускной способностью 51,2 гигабайт в секунду, которые обеспечивают установку до 64 Гб памяти на процессор;
— три контроллера дуплексных каналов межпроцессорного обмена с пропускной способностью 8 гигабайт в секунду в каждую сторону, позволяющие объединять до четырёх микропроцессоров в одну систему с когерентной общей памятью до 256 гигабайт;
— контроллер дуплексного канала ввода-вывода с пропускной способностью 8 гигабайт в секунду в каждую сторону, совместимый с южными мостом КПИ-2.
Расчетная тактовая частота Эльбрус 8С достигает 1,3 ГГц, при этом пиковая производительность составляет 250 гигафлопс на операциях с одинарной точностью (FP32) и 125 гигафлопс на операциях с двойной точностью (FP64).
Строение ядра
При разработке ядра Эльбрус-8C за основу было взято ядро микропроцессора предыдущего поколения Эльбрус-4C. Для повышения производительности ядра было решено увеличить тактовую частоту и число одновременно исполняемых арифметических операций с плавающей точкой.
Само ядро имеет двухкластерную организацию. Каждый кластер содержит три арифметико-логических канала (ALC), локальный блок регистрового файла (RF), локальный блок кэша данных первого уровня и блок подготовки операндов и сбора результатов. Каналы ALC имеют отдельные устройства для выполнения целочисленных операций и операций с плавающей точкой. Целочисленные операции выполняются во всех шести каналах двух кластеров. Скалярные обращения в память по считыванию выполняют ALC 0, 2, 3 и 5, по записи – ALC 2 и 5. Операции с плавающей точкой типа сложения и умножения, в том числе трехоперандные, выполняют ALC 0, 1, 3 и 4, операцию деления – только ALC 5.
Увеличение числа одновременно исполняемых арифметических операций с плавающей точкой было достигнуто за счет добавления в ALC 2 и 5 возможности исполнения операций сложения и умножения с плавающей точкой. При этом потребовалось модифицировать структуру широкой команды, а именно, организовать упаковку в нее новых слогов для кодирования новых команд ALC 2 и ALC 5 при сохранении обратной совместимости.
В результате применения обоих методов удалось повысить производительность ядра почти в 2,5 раза, при увеличении площади всего на 3,2%.
Частная кэш-память ядра была унаследована от процессора Эльбрус-4C с некоторыми изменениями. Как и в предыдущем поколении, используется раздельная кэш-память первого уровня (L1) для команд, объёмом 128 КБ и для данных, объёмом 64 КБ. Кэш-память второго уровня (L2) хранит и код, и данные.
Из-за технологических ограничений на площадь кристалла и новых особенностей иерархии размер L2 кэша был уменьшен до 512 КБ, без существенных изменений.
Устройство MAU (Memory Access Unit), подключаемое к выходу L2 кэша и управляющее обменами ядра с остальной системой, было разработано заново с целью повышения рабочей частоты и масштабируемости, а также оптимизации взаимодействия ядра с L3 кэшем.
Подсистемы памяти ввода-вывода
Подсистема памяти обеспечивает когере́нтный доступ процессорных ядер и внешних устройств к оперативной памяти. Как и кэш-память, она играет важную роль в достижении требуемой производительности, особенно для программ Memory-Bound. По сравнению с микропроцессором предыдущего поколения в Эльбрус-8C удвоилось число процессорных ядер и, соответственно, возросла нагрузка на память. Чтобы подсистема памяти не стала узким местом микропроцессора, количество каналов памяти DDR3-1600 было увеличено до четырех, что обеспечивает максимальную пропускную способность 51,2 ГБ/с и установку до 64 ГБ памяти на процессор. В состав микропроцессора входят три спроектированных на физическом уровне PCI Express-контроллера дуплексных каналов межпроцессорного обмена с пропускной способностью 8 гигабайт в секунду в каждую сторону. Посредством этих каналов возможно объединение до четырех процессоров в cache coherent NUMA систему с общей когерентной памятью.
Функции доступа к памяти выполняет локальный контроллер системных обменов SIC local. Кроме того он является глобальной точкой сериализации запросов в многопроцессорной системе с общей памятью. В «Эльбрус-8С» пропускная способность точки сериализации была увеличена вдвое за счет адресного разделения на два независимых кластера SIC local 0,1.
Банки кэш-памяти третьего уровня имеют фиксированную привязку к кластерам: каждая пара контроллеров памяти обслуживает ближайшие четыре банка L3 кэша.
Доступ ядер к внешним устройствам и конфигурационным регистрам системы, а также доступ внешних устройств к оперативной памяти системы посредством DMA обеспечивается через контроллер SIC global.
Коммутация соединений
Схема коммутации микропроцессора разделена на два уровня: ядра – L3 кэш и L3 кэш – SIC. На первом уровне реализована связь каждого процессорного ядра с семью остальными и с восемью банками общей кэш-памяти третьего уровня.
Разработанная схема имеет распределенную структуру и состоит из четырех узлов Quart. В кварту входят два ядра и два банка общего кэша, подключенные к централизованному коммутатору L3 Com. Кварты объединены в двунаправленное буферизующее кольцо с передачей пакетов по часовой стрелке и против часовой стрелки.
На втором уровне реализована связь банков L3 кэша с SIC. Каждая кварта подключена к соответствующей паре контроллеров памяти, входящих в состав одного из устройств SIC local. Коммутация происходит в два этапа: между двумя банками в кварте и между двумя квартами в SIC local. При доступе к подсистеме ввода-вывода и канала межпроцессорного обмена коммутация между всеми четырьмя квартами осуществляется вустройстве SIC global. Суммарная пиковая пропускная способность связей междучетырьмя квартами и контроллером SIC составляет по 166 ГБ/с в каждом направлении.
В связи с увеличением площади кристалла и переходом на новый технологический процесс 28 нм потребовалось решить ряд проблем, не связанных напрямую с достижением высокой производительности. В первую очередь стоит отметить проблему рассеиваемой мощности. Для снижения рассеиваемой мощности при простое одного или нескольких процессорных ядер разработан механизм их динамического отключения под управлением операционной системы. Измерение температуры кристалла осуществляется посредством восьми термодатчиков, размещенных в разных точках кристалла.
Производство «у нас»
Ранее уже было упомянуто о нормативных требованиях, определяющих то, насколько отечественная микросхема может быть «российской». Однако прослеживается некая тенденция непринятия – многие пишут о том, «как может процессор быть отечественным, если он производится на заводах тайваньской компании».
На территории России есть две известных широкой публике фаблесс-компании – МЦСТ и Байкал Электроникс. Фаблесс означает отсутствие у компаний собственных производственных мощностей, отвечающих технологическим требованиям выпускаемой ими продукции. Таким подходом могут похвастаться также AMD, обособившая в 2009 году свое полупроводниковое производство в отдельную компанию Global Foundries, также NVidia, Qualcomm, MediaTek – вы всех их прекрасно знаете. Единственный процессор МЦСТ, выпускаемый на территории нашей страны, это Эльбрус 2СМ, — производится на Зеленоградском заводе Микрон по технологии 90 нм (2 ядра и 300 МГц это предел на этой фабрике). На Микроне делали даже 65 нанометровые изделия, но возникла проблема с огромным количеством стадий экспонирования, и выход годных кристаллов был низок. В начале прошлого десятилетия ждали новый литографический степпер, но помешали санкции. Микропроцессорная система сама по себе состоит из множества частей, логику и шаблоны которых предоставляют другие компании. Это абсолютно нормальная практика.
Причин, по которым на территории РФ нет высокотехнологичных заводов для производства КМОП на кремнии, достаточно много. Одной из них является то, что 17 июля 2014 года над Донбассом был сбит Боинг 777, летевший из Амстердама в Куала-Лумпур. На борту находилось очень много граждан Нидерландов, вследствие чего голландская компания ASML фактически прекратила все взаимоотношения с российскими микроэлектронными фабриками, поставив крест на их долгосрочных планах апгрейда и на плановом техобслуживании. Введенные в тот период разнообразные санкции, с одной стороны, запустили гораздо более активную программу импортозамещения, а с другой стороны — выкинули Россию из множества международных продуктовых цепочек, без которых современная микроэлектроника практически невозможна. И, опять же, в силу экспоненциального роста сложности и стоимости технологий, у РФ нет никаких шансов создать что-то подобное у себя, даже если потратить на это вообще все деньги. Для того, чтобы купить на Западе, денег в государственных кубышках вполне хватает, но продавать никто не спешит.
В итоге сейчас сложилась ситуация, когда настоящее российской микроэлектроники целиком определяется западными санкциями — как возможности, так и риски с ограничениями обусловлены именно ими. А будущее российской микроэлектроники неразрывно связано с Китаем, потому что он — единственная надежда на обход западной технологической гегемонии. Впрочем, не стоит думать, что полная зависимость от китайских технологий лучше зависимости от западных.
