Buzz #18 11 октября 1999

Эльбрус - Эльбрус Бабаяна и Pentium Пентковского (сенсационная статья о новом русском процессоре).

             Эльбрус Бабаяна и Pentium Пентковского


   Перспективный      микропроцессор     E2k     (Эльбрус-2000),
разрабатываемый  российской  компанией  Эльбрус, получил широкую
известность лишь недавно, после статьи Кита Дифендорффа "Русские
Идут" в февральском выпуске ведущего западного издания в области
микропроцессорных архитектур "Microprocessor Report".

Основные тезисы статьи:

   o новый процессор должен показывать в 3-5  раз более  высокую
     производительность, потреблять меньше электроэнергии и быть
     дешевле в производстве, чем Intel Merced;
   o команда Эльбрус имеет достаточно хорошую репутацию и  опыт,
     чтобы действительно выпустить такой процессор;
   o компьютеры Эльбрус, реализующие основные современные  архи-
     тектурные принципы, начали выпускаться задолго до того, как
     идеи на эту тему начали только обсуждаться на Западе;
   o процессор Эльбрус-3 был изготовлен в  1991  году  по  очень
     старой, даже по тем временам, кристальной технологии, но по
     производительности в два раза превосходил Cray.;
   o технологические новшества E2K столь же впечатляющи,  как  и
     архитектурные: E2K реализует лучшую  схемотехнику,  чем та,
     которая используется в рекордсмене последнего времени, про-
     цессоре Alpha 21264;
   o КМОП технология E2K с низким энергопотреблением  позволит в
     ближайшие 2-3 года иметь "суперкомпьютер в карманном элект-
     ронном блокноте";
   o в области компиляторов команда Эльбрус не менее  квалифици-
     рована, чем в разработке архитектуры или электронном проек-
     тировании: распараллеливающий  компилятор E2K  в  настоящее
     время достигает показателя 10-ти операций за такт, что поч-
     ти в три раза выше, чем лучший в отрасли компилятор Alpha;
   o в режиме интерпретации E2K исполняет  код  микропроцессоров
     Intel и Sun всего на 10-30% медленнее, чем  свой  собствен-
     ный (для сравнения, пакет FX!32, исполняющий код  процессо-
     ров Intel на компьютерах Alpha,  замедляет  исполнение  в 3
     раза); при этом E2K позволяет достичь 100% двоичной совмес-
     тимости для любых кодов процессоров Intel для любой  опера-
     ционной системы, что выгодно отличает E2K от того же FX!32;
   o важным свойством E2k является "непробиваемая" защита испол-
     няемых кодов и данных от вирусов; развитие подобного напра-
     вления оборвалось на Западе вместе с провалом  микропроцес-
     сора Intel 432.

   О  том,  что  в  России  разрабатывается  процессор, по своим
возможностям   потенциально   превосходящий   Merced,   поведали
средства  массовой  информации всего мира. В Internet не стихают
обсуждения  этой  темы.  Об  Эльбрус E2k очень высоко отзываются
многие  признанные  Западные специалисты по микропроцессорам. По
их  мнению, в российский микропроцессор заложены уникальные идеи
с большим будущим.

   В    начале    этого   года   Эльбрус   завершил   логическое
проектирование    процессора   и   все   системное   программное
обеспечение.   Hа   точной   модели  E2k  были  получены  оценки
производительности.  Теперь предстоит завершающий этап - перенос
архитектуры на кристалл.

   В  этой  статье кратко изложена история компьютеров семейства
Эльбрус,  рассказано  об  отечественных приоритетах на некоторые
архитектурные   решения,   широко   используемые  в  современных
микропроцессорах.  Ведь  изучение  истории часто позволяет яснее
увидеть будущее.
                             Эльбрус

   С  именем Эльбрус связана история всей мировой вычислительной
отрасли.  Компания  Эльбрус была образована на базе ИТМиВТ имени
С.А.   Лебедева  (Института  Точной  Механики  и  Вычислительной
Техники,   коллектив   которого   на  протяжении  более  40  лет
разрабатывал  суперкомпьютеры  для  оборонных  систем Советского
Союза).   В   процессоре   E2k   воплощены  и  развиваются  идеи
российского  суперкомпьютера  Эльбрус-3,  построенного  в 1991г.
Сегодня   архитектуру   Эльбрус-3   принято   относить   к  EPIC
(Explicitly  Parallel Instruction Computing - вычисления с явным
параллелизмом команд).

   По  словам  Бориса Арташесовича Бабаяна, главного архитектора
суперкомпьютеров  линии Эльбрус, суперскалярная архитектура была
изобретена   в   России:  "В  1978-ом  году  мы  сделали  первую
суперскалярную   машину,  Эльбрус-1.  Сейчас  на  Западе  делают
суперскаляры  только  такой  архитектуры.  Первый суперскаляр на
Западе  появился  в  92-ом году, наш в 78-ом. Причем тот вариант
суперскаляра,   который  сделали  мы,  аналогичен  Pentium  Pro,
который Intel сделал в 95-ом году".

   Подтверждают  историческое  первенство Эльбрус и в Америке. В
той   же   статье   из  Microprocessor  Report  Кит  Дифендорфф,
разработчик   Motorola   88110,   одного   из   первых  западных
суперскалярных процессоров, пишет: "В 1978 году, почти на 15 лет
раньше, чем появились первые западные суперскалярные процессоры,
в  Эльбрус-1  использовался  процессор, с выдачей двух команд за
один такт, изменением порядка исполнения команд, переименованием
регистров и исполнением по предположению".

   В  1991г  в Эльбрус (тогда еще ИТМиВТ) побывал г-н Розенбладт
(Peter   Rosenbladt)   из   фирмы   Hewlett-Packard,  и  получил
исчерпывающую  документацию  на Эльбрус-3. Позже выяснилось, что
именно  тогда  HP  начала проект, приведший к совместной с Intel
разработке EPIC-процессора Merced. Его архитектура очень схожа с
Эльбрус-3, а отличия в основном связаны с упрощениями сделанными
в микропроцессоре от Intel.

   По   словам   Б.А.   Бабаяна,   Петер   Розенбладт  предлагал
сотрудничество  с  HP.  Hо  Бабаян  выбрал Sun (первая встреча с
руководством  Sun  состоялась  еще в 1989г). И в 1991г с Sun был
заключен  контракт.  От официальных представителей Sun известно,
что   Эльбрус  принимал  участие  в  разработке  микропроцессора
UltraSPARC,  оптимизирующих компиляторов, операционных систем (в
том числе Solaris), инструментария Java, библиотек мультимедиа.

   Первоначально  проект  E2k  финансировался фирмой Sun. Сейчас
проект  полностью  независим, вся интеллектуальная собственность
на  него  принадлежит Эльбрус и защищена примерно 70-ю патентами
США.  Б.А. Бабаян поясняет "Если бы мы и дальше работали с Sun в
этой  области,  то все принадлежало бы Sun. Хотя 90% работы было
выполнено еще до появления Sun".

   В  Sun  с  1992  по  1995  Эльбрус работал вместе с известным
микропроцессорным архитектором Дэйвом Дитцелом. Как рассказывает
Б.А. Бабаян, "Потом Дэйв образовал собственную фирму - Transmeta
и  начал  работать  над  машиной,  очень  похожей  на  нашу.  Мы
по-прежнему  поддерживаем  с  Дитцелом  тесные контакты. Да и он
очень  хочет с нами сотрудничать". Про будущий продукт Transmeta
пока известно мало. Известно, что это VLIW/EPIC микропроцессор с
низким   энергопотреблением,   двоичная   совместимость   с  x86
обеспечивается динамической трансляцией объектного кода.

   А  совсем  недавно  я  выяснил,  что разработки Эльбрус имеют
непосредственное  отношение  и  к  самым распространенным сейчас
универсальным микропроцессорам - семейству x86 фирмы Intel.

                          Пентиум

   Отечественные   суперкомпьютерные   ноу-хау   реализованы   в
микропроцессорах   Pentium.  Бывший  сотрудник  ИТМиВТ  Владимир
Пентковский  в  настоящее  время  является ведущим разработчиком
микропроцессоров  фирмы  Intel.  Вместе  с  Пентковским  в Intel
попали  огромный  опыт и совершенные технологии, разработанные в
ИТМиВТ.  По  словам  Кита  Дифендорффа,  компьютеры  Эльбрус,  в
которых  реализованы  основные  принципы современных архитектур,
такие   как  SMP,  суперскалярная  и  EPIC  архитектуры,  начали
выпускаться  задолго до того, как идеи на эту тему начали только
обсуждаться на Западе.

   Все  системное  программное обеспечение Эльбрус-1 и Эльбрус-2
было  создано  с  использованием языка программирования высокого
уровня  Эль-76, а не традиционного ассемблера. Эль-76 напоминает
язык   Algol-68,  принципиальное  отличие,  пожалуй,  состоит  в
динамическом  связывании  типов  в Эль-76, которое поддержано на
аппаратном   уровне.   Эль-76   является   одновременно   языком
прикладного  программирования,  управления заданиями, системного
программирования.  Ассемблер в Эльбрус не использовался - только
высокоуровневое   программирование.   Эль-76  перед  исполнением
переводился  в  байткод  на  манер  Java. Этот байткод "на ходу"
аппаратно транслировался в простые машинные команды.

   В  ИТМиВТ  Владимир Пентковский принимал участие в разработке
суперкомпьютеров  Эльбрус-1  (1978)  и  Эльбрус-2 (1984). В 1986
году он возглавил проект 32-разрядного микропроцессора Эль-90. К
1987   году   логический  дизайн  будущего  микропроцессора  был
завершен,  а  в  1990г  произведены  первые  прототипы. В Эль-90
сочетались концепция RISC и архитектура Эльбрус-2.

    __
Основные характеристики Эль-90:

   o выдача до трех команд за такт
   o 32-разрядная архитектура
   o упрощенный набор команд (по сравнению с Эльбрус-2), больши-
     нство команд исполняются за один такт
   o аппаратная поддержка языков программирования высокого уров-
     ня
   o исполнение по предположению
   o изменение порядка исполнения команд
   o предсказание ветвлений
   o переименование регистров
   o раздельные кэши команд и данных по 32KB
   o конвейеризованное устройство вещественной арифметики
   o поддержка многоуровневой иерархии  памяти,  кэш  первого  и
     второго уровня
   o поддержка мультипроцессорности (до 10 процессоров)
   o поддержка отладки, мониторинг производительности
   o режим "сверхнадежных вычислений" (несколько процессоров не-
     зависимо производят вычисления и  сравнивают  результаты, а
     если результаты  расходятся,  считают заново).  Этот  режим
     требовался, потому что используемая  в  Эльбрус  элементная
     база была недостаточно надежной для некоторых военных  при-
     ложений.

   В  1990г Пентковский начал работу над Эль-91С, последователем
Эль-90. Hо после изменения в России политической и экономической
системы,  финансирование  разработки  прекратилось.  Hа период с
1991  по  1999  год  Пентковский теряется из нашего поля зрения.
Вновь  его  имя  появляется в Intel Technology Journal. Согласно
приложению   "биографии  разработчиков"  к  статье,  посвященной
архитектуре          микропроцессора         Pentium         III
(http://developer.intel.com/technology/itj/q21999/articles/art_2
who.htm#pentkovski), Владимир Пентковский является главным архи-
тектором Pentium III.

   Хочется  также  напомнить,  что в 1993 году Intel представила
свой  принципиально  новый  32-разрядный  процессор Pentium. Вот
некоторые из его характеристик:

   o декодер команд Pentium заменяет команды x86  простыми RISC-
     подобными, которые процессор способен эффективно  обрабаты-
     вать
   o суперскалярная архитектура с выдачей до двух команд за такт
   o предсказание ветвлений
   o раздельные кэши команд и данных
   o конвейеризованный блок операций с вещественными числами
   o поддержка многоуровневой иерархии  памяти,  кэш  первого  и
     второго уровня
   o поддержка мультипроцессорности (2 процессора)
   o поддержка отладки, мониторинг производительности
   o режим "сверхнадежных вычислений" -  два процессора  Pentium
     независимо производят вычисления и  сравнивают результаты -
     если результаты расходятся, считают по-новому.

Hе правда ли, между Pentium и Эль-90 очень много общего?

   Может статься, что процессор Pentium назван по фамилии своего
разработчика  Владимира Пентковского. Действительно, в 1995 году
фирма  Intel  выпустила более совершенный процессор Pentium Pro,
который   уже  вплотную  приблизился  по  своим  возможностям  к
Российскому микропроцессору 1990 года. В Pentium Pro был улучшен
декодер   команд   x86,  совершенствовано  суперскалярное  ядро,
добавлено   исполнение   по   предположению,  изменение  порядка
исполнения   команд,   переименование  регистров,  улучшен  блок
операций с вещественными числами.

   Сегодня  предыдущий  начальник  Пентковского,  Борис  Бабаян,
намерен   противопоставить  Intel  новейшу  разработку  компании
Эльбрус, процессор E2k.

E2k

   Микропроцессор  Эльбрус E2k с архитектурой EPIC разрабатывает
отечественная   компания   Эльбрус  Интернэшнл  (www.elbrus.ru).
Руководит  проектом член-корреспондент РАH Б.А. Бабаян. Серийное
производство  начнется  в  2001  году,  при условии достаточного
финансирования.  Можно  предположить,  что  в начале 2000г будет
реализован   прототип   E2k.   Причем  возможно,  что  он  будет
произведен  на мини-заводе в Москве. Сейчас процессор существует
в  виде  описания  на  специализированном  языке  Verilog, такое
описание  является  финальным этапом логического проектирования,
на  следующем  этапе Verilog-описание переносят на кристалл. Уже
готов  весь  набор  системного  программного обеспечения E2k. Он
включает   в   себя  распараллеливающий  компилятор  и  двоичный
транслятор   кода   x86.   Примерно   два   года  назад  Эльбрус
демонстрировал    исполнение   MS   Windows   95   и   игры   MS
FlightSimulator на рабочей станции Sun с процессором UltraSPARC.
По  всем  показателям  Эльбрус E2k должен превзойти американские
разработки. Е2k будет иметь более высокую производительность при
меньшем энергопотреблении и меньших размерах кристалла. При этом
программной    двоичной    трансляцией   обеспечивается   полная
совместимость с кодом x86 почти без потерь производительности по
сравнению    с    собственным    кодом    E2k.   Кстати,   языки
программирования  C  и  C++  со статическими типами на E2k могут
обрести  новые  интересные  свойства  -  аппаратно  поддержанные
динамику типов и контекстную защиту.

   Российской разработкой заинтересовалась корпорация Microsoft,
для  операционных систем которой, вероятно, очень бы пригодилась
производительность  E2k.  Легенда компьютерного мира Гордон Бэлл
(Gordon Bell), который, работая в DEC, создавал компьютеры линий
PDP  и VAX, а сейчас возглавляет исследовательское подразделение
Microsoft  (Telepresence  Research Group), популяризирует проект
Эльбрус E2k на международных конференциях.

   Его     лекция    с    названием    "Следующее    десятилетие
супервычислений"  (The  Next Ten Years in Supercomputing) 26 мая
1999      г     открывала     Международный     Симпозиум     по
Высокопроизводительным  Вычислениям  (International Symposium on
High  Performance Computing) в Японии, а 10 июня - четырнадцатую
Манхеймовскую    Конференцию   по   Суперкомпьютерам   (Mannheim
Supercomputer Conference) в Германии. Оба раза доктор Бэлл часть
лекции  посвятил рассказу о E2k. В слайде под названием "Russian
Elbrus  E2K"  он  приводит  таблицу, где оценивает E2k и Merced.
Причем сравнение свидетельствует явно не в пользу детища Intel.

   Hиже приведена таблица из доклада Гордона Бэлла.

 ┌──────────────────────────┬────────────────┬───────────┐
 │  Микропроцессор          │  E2K           │  Merced   │
 ├──────────────────────────┼────────────────┼───────────┤
 │  Тактовая частота, ГГц   │  1.2           │  0.8      │
 ├──────────────────────────┼────────────────┼───────────┤
 │  Производительность,     │                │           │
 │  SPECint95 / SPECfp95    │  135 / 350     │  45 / 70  │
 ├──────────────────────────┼────────────────┼───────────┤
 │  Размер кристалла, мм2   │  126           │  300      │
 ├──────────────────────────┼────────────────┼───────────┤
 │  Энергопотребление, Ватт │  35            │  60       │
 ├──────────────────────────┼────────────────┼───────────┤
 │  Пропускная способность  │                │           │
 │  шины, Гбайт/сек         │  15            │  н/д      │
 ├──────────────────────────┼────────────────┼───────────┤
 │  Кэши (Кбайт)            │  64 / 256      │  н/д      │
 ├──────────────────────────┼────────────────┼───────────┤
 │  Пиковая                 │                │           │
 │  производительность,     │                │           │
 │  GFLOPS                  │  10.2          │  н/д      │
 ├──────────────────────────┼────────────────┼───────────┤
 │  Планируемое время       │  4-ый квартал  │  н/д      │
 │  начала поставок         │  2001г         │           │
 └──────────────────────────┴────────────────┴───────────┘

   Гордон Бэлл  (www.research.microsoft.com/users/gbell/bio.htm)
является  не только высокопоставленным сотрудником Microsoft, но
и    влиятельным    в    компьютерном   мире   консультантом   и
предпринимателем. Он создал несколько частных фирм, занимающихся
разработкой перспективных технологий.

Заключение

   Проект Эльбрус E2k уже имеет научный и технический вес - ведь
разработано   много   новых  интересных  архитектурных  решений,
созданы  совершенные  компиляторы  нового  поколения.  А еще E2k
означает,  что  в России сохранились специалисты высшего класса.
Профессор  Б.А.  Бабаян  и другие сотрудники Эльбрус преподают в
российских вузах, следовательно, специалистов еще прибавится.

   Поэтому  мне  кажется, что проект уже удался, вне зависимости
от  реализации  в  железе.  Хотя,  наверно,  Эльбрус  со мной не
согласится по части реализации - и реализует.

              Алексей Пылкин (pylkin@ssd.sscc.ru), ИВМиМГ СО РАH
                                Опубликовано -- 5 июля 1999 года
    __
 __/ /   Powered                        CoModerator of RU.AMIGA
 \_\/  by MOTOROLA                      [Russian AMIGA Masters]