Направления развития архитектуры отечественных микропроцессорных линий Эльбрус и МЦСТ-R Фельдман В.М. Зам. генерального директора ЗАО МЦСТ по науке

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 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* 1.Параллельность - возможность использования десятков вычислительных ядер и сотни процессоров. Необходимо развивать программное обеспечение вместе с архитектурой процессоров. 2.Отказоустойчивость. Необходимо повышать надежность всего программно-аппаратного комплекса. 3.Безопасность и защита данных, в частности персональных данных. Современные системы до сих пор не защищены от элементарной атаки с использованием переполнения буфера данных. 4.Снижение удельного энергопотребления на единицу вычислительной мощности. 5.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 4

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 Серийные микропроцессоры ряда МЦСТ-R и Эльбрус Название микропроцессораMЦСТ R80MЦСТ R150MЦСТ R500MЦСТ R500SЭльбрус (E3M) Технология0.5мкм, 3М0.35мкм, 4М0.13мкм, 8М Размер кристалла, мм х мм13х1310х105х59x912.6x15 Количество транзисторов, млн. ~2.1~2.8~4.2~45~60 Число процессорных ядер11121 Частота, МГц Cache, I/D/L24/8/512kB8kB/16kB/1MB16kB/32kB/4MB16/32/512kB64/64/256 Производительность, MIPS/MFLOPS 62/22140/63520/ / /4800 Напряжение питания, В /2.51.0/2.5/3.31.0/3.3 Потребляемая мощность, Вт Корпус304-pin PQFP480-pin BGA376-pin BGA900 FCBGA Год выпуска Фабрика-производительATMEL ES2, France Tower Semi, Israel TSMC, Taiwan

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)

1C4C4C2C 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. Архитектура микропроцессора Число операций, выполняемых за такт в одном ядре Intel Pentium 44 Intel Core 26 IBM Power 66 Intel Itanium Эльбрус23

Основные черты микропроцессора Эльбрус

Кэш команд Устройство управления Регистровый файл данных Регистровый файл предикатов Исполнительные устройства АЛК 1 АЛК 2 АЛК 3 АЛК 4 АЛК 5 УПУПМАЛК 0 Кэш данныхБуфер 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 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 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, 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 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, 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, 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 самых популярных приложений Производительность –Достигается за счет скрытой системы двоичной трансляции –Мощная аппаратная поддержка в МП «Эльбрус» Лицензионная независимость от Intel

Защищенные вычисления ЗадачиВсего задачЗадач с найденными ошибками Задачи пользователей74 Пакет SPECint9587 Пакет негативных тестов samate на защищенность 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 Технология90 нм 65 нм АрхитектураЭльбрусSPARC v9 2w in-order superscalar Эльбрус + Multicore ЭльбрусSPARC v9 2w out-off-order superscalar Число процессорных ядер146 (2+4)48 Частота, МГц Наличие специализированных ядер Срок разработки

Структура системы на кристалле Эльбрус-S Ядро микропроцессора "Эльбрус" MC1MC1 SIC MC0MC0 IPCC 2 IPCC 1 IPCC 0 IOСC

Структура системы на кристалле МЦСТ-4R

Структура контроллера периферийных интерфейсов

Динамика развития микропроцессоров

Направления развития Переход на новые технологические нормы ( ) Увеличение количества процессорных ядер на кристалле Повышение тактовой частоты микропроцессоров Улучшение характеристики производительность/ мощность Построение многопроцессорных систем с аппаратной поддержкой когерентности памяти