Краткое описание архитектуры Эльбрус

Краткое описание архитектуры Эльбрус

Работы над архитектурой «Эльбрус» начались в 1986 г. в коллективе Института точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ) им. С.А. Лебедева, в котором до этого были созданы советские высокопроизводительные комплексы «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». Разработка вычислительного комплекса «Эльбрус-3», которая велась под руководством Б.А. Бабаяна, была завершена в 1991 г. В этом вычислительном комплексе впервые были воплощены в жизнь идеи явного управления параллелизмом операций с помощью компилятора.

Начавшиеся с 1992 г. экономические изменения в России не позволили разработчикам «Эльбруса-3» завершить наладку комплекса. В том же 1992 г. коллектив разработчиков машин семейства «Эльбрус» выделился в компанию ЗАО «МЦСТ» и начал вести работы над микропроцессорной реализацией архитектуры «Эльбрус».

Архитектура «Эльбрус» — оригинальная российская разработка. Ключевые черты архитектуры «Эльбрус» — энергоэффективность и высокая производительность, достигаемые при помощи задания явного параллелизма операций.

Ключевые особенности архитектуры Эльбрус

В традиционных архитектурах типа RISC или CISC (х86, PowerPC, SPARC, MIPS, ARM), на вход процессора поступает поток инструкций, которые рассчитаны на последовательное исполнение. Процессор может детектировать независимые операции и запускать их параллельно (суперскалярность) и даже менять их порядок (внеочередное исполнение). Однако динамический анализ зависимостей и поддержка внеочередного исполнения имеет свои ограничения: лучшие современные процессоры способны анализировать и запускать до 4-х команд за такт. Кроме того, соответствующие блоки внутри процессора потребляют заметное количество энергии.

В архитектуре «Эльбрус» основную работу по анализу зависимостей и оптимизации порядка операций берет на себя компилятор. Процессору на вход поступают т.н. «широкие команды», в каждой из которых закодированы инструкции для всех исполнительных устройств процессора, которые должны быть запущены на данном такте. От процессора не требуется анализировать зависимости между операндами или переставлять операции между широкими командами: все это делает компилятор, исходя из анализа исходного кода и планирования ресурсов процессора. В результате аппаратура процессора может быть проще и экономичнее.

Компилятор способен анализировать исходный код гораздо тщательнее, чем аппаратура RISC/CISC процессора, и находить больше независимых операций. Поэтому в архитектуре Эльбрус больше параллельно работающих исполнительных устройств, чем в традиционных архитектурах, и на многих алгоритмах она демонстрирует непревзойденную архитектурную скорость.

Возможности архитектуры Эльбрус:

• 6 каналов арифметико-логических устройств (АЛУ), работающих параллельно.
• Регистровый файл из 256 84-разрядных регистров.
• Аппаратная поддержка циклов, в том числе с конвейеризацией. Повышает эффективность использования ресурсов процессора.
• Программируемое асинхронное устройство предварительной подкачки данных с отдельными каналами считывания. Позволяет скрыть задержки от доступа к памяти и полнее использовать АЛУ.
• Поддержка спекулятивных вычислений и однобитовых предикатов. Позволяет уменьшить число переходов и параллельно исполнять несколько ветвей программы.
• Широкая команда, способная при максимальном заполнении задать в одном такте до 23 операций (более 33 операций при упаковке операндов в векторные команды).

Производительность на реальных задачах:

Ниже приведена производительность процессора Эльбрус-2С+ на задачах из пакета SPEC2000 по сравнению с процессорами Intel Pentium-M ULV (1ГГц, кэш -память 1М, 2хDDR-266) и Intel Atom D510 (1,66 ГГц, кэш-память 1М, DDR2-800).

Данные для Intel Pentium-M ULV получены с сайта spec.org, компилятор ICC 9.1. Для замера производительности процессора Intel Atom D510 использовалась собственная сборка тестов SPEC силами сотрудников МЦСТ.

Важно отметить, что правила комитета SPEC запрещают осуществлять модификацию исходных кодов тестов. Практика показала, что архитектура Эльбрус обладает значительным резервом производительности, который можно задействовать путём модификаций исходного кода в критических участках.

Эмуляция архитектуры х86

Еще на этапе проектирования МП Эльбрус у разработчиков было понимание важности поддержки программного обеспечения, написанного для архитектуры Intel х86. Для этого была реализована система динамической (т.е. в процессе исполнения программы, или «на лету») трансляции двоичных кодов х86 в коды процессора Эльбрус. Фактически, система двоичной трансляции создает виртуальную машину, в которой работает гостевая ОС для архитектуры х86. Благодаря нескольким уровням оптимизации удается достичь высокой скорости работы оттранслированного кода (см. диаграммы выше). Качество эмуляции архитектуры х86 подтверждается успешным запуском на платформе Эльбрус более 20 операционных систем (в том числе несколько версий Windows) и сотен приложений.

Защищенный режим исполнения программ

Одна из самых интересных идей, унаследованных от архитектур Эльбрус-1 и Эльбрус-2 – это так называемое защищенное исполнение программ. Его суть заключается в том, чтобы гарантировать работу программы только с инициализированными данными, проверять все обращения в память на принадлежность к допустимому диапазону адресов, обеспечивать межмодульную защиту (например, защищать вызывающую программу от ошибки в библиотеке). Все эти проверки осуществляются аппаратно. Для защищенного режима имеется полноценный компилятор С/С++ и библиотека run-time поддержки.

Даже в обычном, «незащищенном» режиме работы МП Эльбрус имеются особенности, повышающие надежность системы. Так, стек связующей информации (цепочка адресов возврата при процедурных вызовах) отделен от стека пользовательских данных и недоступен для таких вирусных атак, как подмена адреса возврата. Стоит отдельно отметить, что в настоящее время вирусов для платформы «Эльбрус» просто не существует.

Повышенная защищенность от вирусных атак

Любое упоминание зарегистрированных торговых марок производится только для целей идентификации. Вышеупомянутые зарегистрированные торговые марки являются собственностью соответствующих частных владельцев и корпораций.

Эльбрус

ОС Эльбрус (OSL) – операционная система реального времени, разработанная в АО «МЦСТ» для процессоров архитектуры «Эльбрус» на основе ядра Linux. Оригинальная архитектура вычислительных комплексов «Эльбрус» потребовала разработки особых механизмов управления процессами, виртуальной памятью, прерываниями, сигналами, синхронизацией, поддержки тегированными вычислениями. С целью оптимизации в составе ОС была создана собственная оптимизированная библиотека управления потоками вычислений и синхронизацией elpthread. При работе в реальном времени можно устанавливать различные режимы обработки внешних прерываний, планирования вычислений, обменов с дисковыми накопителями и многие другие. [Источник 1]

Содержание

Основная информация

ОC «Эльбрус» создана с использованием как общедоступных решений с открытым кодом, так и разработок МЦСТ. Кроме того, ОС содержит компилятор lcc, совместимый с gcc. Как и другие распространённые ОС, «Эльбрус» может обеспечивать многозадачный и многопользовательский режим работы. Основой библиотекой ОС является GNU C Library (Glibc)– библиотека, которая предоставляет основные функции языка C. Для поддержки программ, работающих в защищённом режиме, предоставлена компактная библиотека libmcst, обеспечивающая функции работы с памятью и поддержку ввода-вывода на уровне базовой библиотеки libc.

В ОС «Эльбрус» входит уже откомпилированное ядро Linux. При необходимости внесения изменения в исходный код ОС и введения в неё дополнительных функций, ядро ОС можно скомпилировать с добавлением нужных функций.

В составе ОПО «Эльбрус» содержатся также основные модули поддержки пользовательского интерфейса:

• Средства поддержки интерфейса командной строки, которые предоставляют пользователю возможность работы с вычислительным комплексом в текстовом режиме с помощью набора команд и возможность получения текстовых сообщений от ОС и запускаемых приложений;
• Средства архивации, предназначенные для объединения ряда файлов в единый архив или серию архивов (в т.ч. со сжатием данных), что обеспечивает удобство передачи через каналы связи или хранения;
• Совокупность средств разработки программного обеспечения: ассемблеры, трансляторы, компиляторы, компоновщики, сборщики, препроцессоры, отладчики, текстовые редакторы, библиотеки подпрограмм, средства управления версиями, средства документирования и т.д. — обеспечивают процесс разработки и поддержки программного обеспечения.
• Средства планирования заданий — указывают ОС, какие действия, в какое время и с какой периодичностью следует выполнить.

Помимо базовых модулей в интерфейс пользователя внесён ряд средств, поддерживающих создание функционального программного обеспечения. Средства поддержки графического пользовательского интерфейса включают в себя основные компоненты графической системы Xorg, а также множество различных библиотек, в т.ч. GTK+ и Qt.

Применение

ОС «Эльбрус» применяется на всех вычислительных комплексах, разработанных в АО «МЦСТ» и имеющих архитектуру SPARC и «Эльбрус».

Программное обеспечение ОС Эльбрус

Основные средства базового набора программ и утилит:

• Пакетные менеджеры (Apt, dpkg, aptitude) — реализуют функции установки, обновления и удаления программных пакетов.
• Базовые библиотеки и утилиты для работы с файловыми объектами, текстовыми файлами и системной информацией (Coreutils: cp, chgr, chown, mkdir, touch, cat, login, uname, who) — выполняют копирование файлов и каталогов, изменение прав доступа, создание и удаление файловых объектов, просмотр текстовых файлов в командном окне, вывод информации о системе, вывод списка всех вошедших пользователей в систему.
• Интерпретаторы командной строки (bash, dash) — командный процессор, работающий в интерактивном режиме командной строки или из файла.
• Обработка регулярных выражений (sed, mawk, grep) — реализуют поиск и преобразование регулярной информации в текстовых файлах.
• Текстовые редакторы (vim, nano) — редактируют тексты в командном окне.
• Архиваторы (tar, gzip, cpio) — обеспечивают представления архивов в один файл и сжатие информации.
• Сетевое управление(iproute, iputils-ping, iptables, ifupdown, hostname) — выполняют управление работой сети, сетевых экранов и маршрутизаторов.
• Управление инициализацией ЭВМ (Initscripts) — задают определенные действия при инициализации системы.

Базовые средства разработки СПО:

• Оптимизирующий компилятор с языков С/С++ — преобразует исходные тексты программных модулей в исполняемые коды для архитектур Эльбрус и Sparc;
• Обращения к системным вызовам (Библиотека Glibc) — обеспечивает для прикладных программ возможность обращения к системным вызовам ядра ОС и реализует функции выделения памяти.
• Утилиты работы с бинарными кодами (Binutils) — обеспечивают возможность профилирования работы программ, удаления символов для сокращения размера исполняемого кода, возможность линковки модулей для объединения в один код.
• Символьный отладчик (GDB) — Предоставляет возможность пошаговой отладки пользовательских приложений с привязкой к исходным текстам.
• Трассировщик событий LTT — Предоставляет возможность задания трассируемых событий в процессе исполнения и возможность последующего анализа с использованием графического представления событий.

Основные программы для работы в режиме сервера:

• Обработка гипертекстовых запросов (Apache, Nginx) — обеспечивает прием запросов на получение ресурсов в локальной сети и/или в сети интернет, обозначенных символьными интернет адресами.
• Компьютерная распределённая система для получения информации о доменах (DNS, Bind9) — получает сетевой адрес по имени ЭВМ в сети.
• Сервер сетевой файловой системы (NFS) — определяет протокол доступа к файловым системам, распределенным в сети.
• Служба удаленного доступа(ssh) — устанавливает вход на ЭВМ в сети.
• Файловый сервер(ftp) — считывает файлы через сеть.
• Сервер синхронизации времени(ntp) — обеспечивает синхронизацию времени разных сетевых машин.
• Сетевая информационная служба(nis) — выполняет работу с учетными записями пользователей.
• Служба каталогов(ldap) — протокол доступа к каталогам с возможностью аутентификации.
• Сервер отправки почты(Sendmail, Exim, Exim4) — отправляет электронные сообщения.
• Служба управления сетевыми сервисами(Xinetd) — реализует контроль сетевого доступа и управление службами по расписанию.
• Сервер приема почты(Ipopd) — принимает электронные сообщения.
• Система управления базами данных (Postgresql, Mysql,Sqlite) — обеспечивает работу с базами данных с использованием структурированного языка запросов SQL.
• Интерпретатор скриптового языка для отображения webстраниц(PHP5) — язык программирования для разработки веб-приложений.
• Репозиторий для хранения данных при совместной разработке программных проектов (GIT, SVN, CvS) — управляет программными проектами при коллективном проектировании.
• Сервер мониторинга состояния машин в сети(Nagios) — устанавливает наблюдение и контроль состояния вычислительных узлов и служб.
• Сервер резервного копирования(Amanda) — выполняет резервное копирование и восстановление файловых систем.
• Сервер удаленного рабочего стола(Xvncserver) — реализует управление удаленным доступом к рабочему столу.

Набор программ маршрутизаторов и сетевых экранов:

• Поддержка работы сетевых экранов (Iptables, Netfilter) — совершает фильтрование сетевых пакетов для организации сетевых экранов.
• Виртуальная частная сеть(OpenVPN) — предоставляет защищенный удаленный вход через интернет.
• Инструменты отслеживания и блокирования сетевых атак(Snort, ntop) — обнаруживает атаки и наблюдает за сетевой активностью.
• Туннельный протокол типа точка-точка(PPTP) — позволяет компьютеру устанавливать защищённое соединение с сервером.
• Двухточечный сетевой протокол(PPP) — устанавливает прямую связь между двумя узлами сети.
• Реализация протокола PPP поверх Ethernet(PPPoE) — устанавливает соединение точка-точка для транспортировки IP-пакетов с возможностями PPP.
• Набор протоколов динамической маршрутизации IP(Quagga) — реализует динамическую маршрутизацию.
• простой протокол сетевого управления (SNMP) — выполняет контроль подключенных к сети устройств. [Источник 2]

Система тестирования ОС Эльбрус

Система действует на всех вычислительных комплексах и модулях, работающих под управлением ОС «Эльбрус», и моделирующих их инструментальных комплексах. Основной состав тестов выполняет:

• Моделирование работы многопроцессорной системы в режиме реального времени.
• Проверку того, что работа ОС и функционального программного обеспечения основывается на приоритетном планировании всех процессов с возможностью управления приоритетами.
• Проверку режимов трассировки ОС и пользовательских программ, сброса, анализа и дампа процесса пользователя.
• Проверку выполнения требований технических заданий, включая учет режима жесткого реального времени, контроль доступа субъектов к защищаемым ресурсам по дискреционному и мандатному принципам и контроль управления по потокам информации с помощью меток конфиденциальности.
• Проверку режимов перезапуска ВК.

При этом используются средства тестирования:

• Тестирование интерфейса ядра ОС.
• Тестирование характеристик режима реального времени.
• Тестирование базовых средства разработки СПО.
• Тестирование базового набора программ и утилит.
• Тестирование средств защиты информации.
• Тестирование средств противодействия сетевым атакам.
• Тестирование работы в режиме сервер.
• Тестирование работы в режиме рабочей станции.
• Тестирование сетевых возможностей.

Особенности

Основным преимуществом ОС «Эльбрус» является встроенная в ядро операционной системы комплексная система защиты информации (КСЗИ) от несанкционированного доступа (НСД). Полное функционирование КСЗИ ОС должно обеспечивать требуемый уровень защиты информации от НСД при работе вычислительного комплекса в составе специализированных автоматизированных систем. Комплексная система защиты информации в ОС «Эльбрус» реализуется использованием системных вызовов, библиотек подпрограмм, конфигурированием системы. КСЗИ от НСД ОС «Эльбрус» предоставляет возможность применять средства вычислительной техники серии «Эльбрус» в составе автоматизированных систем. В этом случае средства вычислительной техники:

1. отвечают требованиям 2-го класса защищённости от НСД РД Гостехкомиссии при президенте РФ;
2. позволяют проводить сертификацию ОПО СВТ по 2-му уровню контроля недекларированных возможностей, в соответствии с РД Гостехкомиссии при президенте РФ. [Источник 3]

Выводы

Следует отметить, что функционал данной ОС рассчитан, скорее, на её использование военными структурами, и в общем доступе можно найти лишь её открытые версии.

Эльбрус ОС — нужна ли вам отечественная операционка?

Не утихают волны, поднятые весной отечественным ИТ-сообществом после появления отечественной ОС «Эльбрус», предназначенной не для персональных компьютеров с одноименным процессором, а для обычных ПК с архитектурой х86. И это несмотря на то, что большинство специалистов уже сделали для себя однозначный вывод (далеко не в пользу новинки) и однозначно забыли об ее существовании — до лучших времен. Но среди неспециалистов все еще появляются вопросы о том, можно ли наконец отказаться от зарубежной Windows и наконец перейти на российскую операционку?

Вам будет интересно: С чего на самом деле начинается интернет-магазин

Вообще-то российской ее можно назвать лишь с огромной натяжкой и основательно покривив душой: на самом деле это всего лишь очередной дистрибутив, построенный на основе Linux (Debian), версии 2012-2013 года. Да еще и с поддержкой исключительно 32-разрядной архитектуры. Согласитесь, назвать продукт, спроектированный, написанный, выпущенный и поддерживаемый международным сообществом, «российским» сложно — но у парней из МСЦТ на этот счет явно другое мнение.

Вам будет интересно: Data Governance: зачем вам стратегия управления данными?

Впрочем, это не тема для изучения. Утверждается, что ОС «Эльбрус» разработана для компьютеров на платформе «Эльбрус» , построенной на основе процессора «Эльбрус» , который поддерживает только систему команд «Эльбрус».Вполне может быть, но там эта операционная система позиционируется как среда для разработчиков, причем закрытая, да и вроде как продвигаемая для спецприменения в военной и смежных отраслях. А мы в данном случае говорим о том, насколько «Эльбрус» может быть интересен как обыкновенная офисная операционка.

Почему именно она? Пожалуй, на этот вопрос ответить сложно — ведь в мире полным-полно современных, актуальных, проверенных, стабильных дистрибутивов. Нет желания пользоваться Windows? Прекрасно, есть Debian, Ubuntu, Mint, Mandriva и еще с десяток популярных версий Linux. Причем совершенно бесплатных. Так что рассматривать «Эльбрус» в качестве замены Windows можно, пожалуй, только из чистого любопытства и патриотизма. А еще из параноидальных соображений: утверждается, что отечественная ОС тщательно проверена на предмет всяческих опасных закладок и бэкдоров в коде.

Итак, наша предполагаемая модель использования — офисная. А значит, должна поддерживать всё современное офисное ПО и технологии, начиная от работы с документами и интернет-ресурсами и заканчивая мультимедийными функциями (куда без них!). Но в первую очередь должна иметь простой дружелюбный интерфейс и легко и просто разворачиваться на компьютере. И вот тут-то начинается самое интересное — причем начиная с загрузки дистрибутива.

Казалось бы: чего проще? Зашел на сайт разработчика, выбрал нужную версию, запустил загрузку об­раза. Но нет! Внимательный анализ покажет, что ссылки для скачивания… попросту нет. Хотя в списке операционная система есть — но «…третья версия ОС «Эльбрус» на базе ядра 3.14 для 32- и 64-битных платформ недоступна. Четвертая версия с ядром 4.9 ожидается в ближайшее время». На этом можно было бы и закончить знакомство, если бы не возможность загрузить дистрибутив из альтернативных источников — например, с торрентов.

Имея на руках образ компакт-диска, можно было бы приступать к работе. И здесь сразу же нюанс: если есть ридер компакт-дисков, разворачивайте образ на него. Поскольку создать загрузочную флешку удается далеко не всем и не всегда. Но даже если это удалось, не факт, что с нее получится загрузиться: устаревший инсталлятор не всегда корректно работает с новым «железом». Если удалось-таки добраться до старта инсталляции — будьте внимательны дважды: во-первых, создать вручную правильную структуру разделов совершенно непросто, так что выбирать придется вариант с автоматической разбивкой. Данные, разумется, будут утеряны.

Ах да! очень важно иметь не менее 70–100 Гбайт места для копирования файлов, иначе ошибок не избежать. Указанные в документации 50 Гбайт — ошибка, этого места достаточно для работы системы, а не для ее установки. И еще один неприятный момент: по умолчанию после установки ОС запускается в текстовом режиме, так что очень важно отметить галочкой пункт «Использовать графический вход в систему», иначе — командная строка.

Словом, установка ОС «Эльбрус» — ночной кошмар любого ИТ-специалиста, не то что рядового пользователя. Так что пытаться поставить «Эльбрус» самостоятельно, не имея специальной подготовки, сложно. Очень сложно. Что, опять же, второй аргумент против. Но если уж и этот этап преодолеть удалось, тогда на очереди третий, не менее непростой — попытаться работать. И тут снова нюансы — воспользоваться каким-либо софтом, не входящим в дистрибутив, скорее всего, не выйдет из-за моральной устарелости компонентов и библиотек. Впрочем, разработчики утверждают, что в системе есть все необходимое ПО — но это далеко от истины.

Первое — ни о каком дружелюбии интерфейса речи и быть не может. Используемая графическая оболочка XFCE заставит всплакнуть опытного пользователя, еще помнящего интерфейс Windows 98, — исключительно от ностальгии. Набор системных утилит предельно скуден, и при желании (или необходимости) изменить настройки придется пользоваться старой доброй командной строкой. А что прикладное ПО? Его выбор настолько спартанский, что выбирать не из чего: для работы с документами — устаревший LibreOffice, есть просмотрщики контента и типовых документов, графический редактор GIMP, браузер Mozilla и почтовый клиент Thunderbird.

Упор на защищенность и проверенность? Да, код проверен и сертифицирован, но обеспечить себя подобными методами защиты ПО в любом современном дистрибутиве — посильная задача для любого пользователя. Вот разве что лицензия — но у нее есть оборотная сторона: никаких сторонних программ не установить, ничего не обновлять, иначе лицензирование теряет смысл. Теоретически выполнять ту же офисную работу в стиле почта-браузер-документы можно, но только в рамках открыли-поработали-закрыли, и никаких отклонений. Для военного сегмента это приемлемо, но для обычного пользователя — попросту ад и издевательство.

Собственно, уже понятно: отечественная ОС «Эльбрус» совершенно непригодна для обыкновенного пользователя. Ее применение в офисе любого размера не оправдано абсолютно ничем, кроме разве что суровой необходимости наличия лицензии безопасности. Да и то с очень большой натяжкой. В остальных случаях гораздо разумнее обратить внимание на современные дистрибутивы из свободно распространяемых версий Linux: и проще, и надежнее, и дружелюбнее. И работать можно спокойно, комфортно и с удовольствием — ожидая появления действительно толкового отечественного продукта, ориентированного на пользователя, а не на очень опытного системного администратора.

Что такое процессор “Эльбрус”?

Сегодня весь мир активно переживает процесс глобализации – всемирной экономической, политической, культурной и религиозной интеграции и унификации. Это приводит к тесной взаимосвязи в том числе и в сфере вычислительных технологий и коммуникаций.

При этом для многих компьютерных комплектующих имеется один крупный производитель, который поставляет их на весь мировой рынок.

Это имеет следующие плюсы в идеальных условиях открытой экономики и павших “железных занавесов”:

• высокая степень контроля качества и культуры производства с полностью замкнутым циклом, непосредственно контролируемые фирмой под свою ответственность;
• полное соответствие стандартам (которые, как правило, сам же производитель и разработал), что упрощает вопросы взаимозаменяемости, поддержки со стороны ПО и т.д.;
• огромные масштабы производства приводят к снижению себестоимости, а следовательно – и цен для конечных потребителей продукции.

В то же время, существуют и серьёзные недостатки:

• угроза национальной безопасности государства при лишении доступа к иностранным компонентам и технологиям, которые используются в правительственной сфере и военно-промышленном комплексе;
• возможность давления на экономическое благосостояние путём применения к крупнейшим компаниям санкций по политическим мотивам;
• в случае возникновения проблем с производством появляются всеобщие перебои с поставками и рост цен;
• утечка научно-технического потенциала и квалифицированных кадров из государства.

Эти проблемы решаются созданием и реализацией своих внутренних разработок, как это было в советское время с вычислительными комплексами “Эльбрус”.

История появления и особенности отечественной архитектуры процессоров

“Эльбрус” – это прежде всего название процессорной архитектуры и разработанных на её основе суперкомпьютеров. Изначально они создавались в качестве части систем ПРО по заказу военных.

Разработка началась в 1973 в “Институте точной механики и вычислительной техники имени Лебедева” (ИТМиВТ) под руководством академика Всеволода Сергеевича Бурцева – учёного в области систем управления и теории конструирования универсальных ЭВМ.

При создании машины ориентировались на передовые на то время технологии: суперскалярность и многопроцессорность.

Первый Многопроцессорный вычислительный комплекс (МВК) “Эльбрус-1” был сдан в эксплуатацию в 1980 году. Он мог содержать до 10 процессоров и показывал производительность в 12 млн операций в секунду. Объём оперативной памяти составлял 64 Мбайт (или 2 20 машинных слов).

Многопроцессорный вычислительный комплекс “Эльбрус-1”

Но вычислительная техника развивалась семимильными шагами, и уже в 1985 году появилась следующая модификация МВК. Она получила название “Эльбрус-2” и за счёт использования новой элементной базы производительность возросла до 125 млн оп/с при объединении 10 процессоров (2 из них при этом являлись резервными). Также до 144 МБ увеличился объём оперативной памяти. “Эльбрус-2” нашёл своё применение в таких проектах:

– стационарная радиолокационная станция кругового обзора, главный узел ПРО Москвы; ;
• Ядерный центр Арзамас-16 (ныне закрытый город Саров) – первый в СССР центр ядерных исследований, входит в структуру ГК “Росатом”;
• Ядерный центр Челябинск-70 – ныне закрытый город Снежинск в структуре предприятий ГК “Росатом”.

Параллельно выпускались и упрощённые версия МВК – “Эльбрус-1К2” и “Эльбрус-Б”, которые использовались для плавной замены устаревших вычислительных комплексов БЭСМ-6.

После успешного ввода в эксплуатацию “Эльбрус-2” активно шла разработка следующей модификации, получившей ожидаемое название “Эльбрус-3”. В нём планировалось множество архитектурных улучшений и использование 16 процессоров. Однако из-за ряда исторических событий и финансовых трудностей этот проект не был завершён.

На перепутье: сотрудничество с Sun Microsystems

После распада СССР на основе коллектива ИТМиВТ в 1992 году было создано ТОО “Московский центр SPARC-технологий (МЦСТ)” (ныне АО “МЦСТ”). Новое предприятие до 1996 года сотрудничало с американской компанией Sun Microsystems, которая продвигала свои вычислительные машины с архитектурой SPARC (что и отразилось в его названии).

Совместная работа с крупной компанией позволила МЦСТ получить доступ к передовым технологиям процессоростроения, написания компиляторов, создания операционных систем и пр. Как следствие, вплоть до 2007 года выпускались только микропроцессоры с архитектурой SPARC и вычислительные системы на их базе: МЦСТ-R100, МЦСТ-R150, МЦСТ-R500 и МЦСТ-R500S.

Процессор МЦСТ-R500 на базе архитектуры SPARC

Тем не менее, данный период позволил МЦСТ удержаться “на плаву”, сохранить и дополнить научно-техническую базу, а родная архитектура при этом не была забыта.

Возрождение: современные российские процессоры

Начиная с 2005 года, МЦСТ ведёт разработку процессоров “Эльбрус”, которые являются идеологическими наследниками одноимённых МВК, но построены по современным технологическим нормам. Новая архитектура “Эльбрус” полностью отечественной разработки по принципам похожа на суперскалярную архитектуру VLIW.

Ключевые особенности архитектуры “Эльбрус”:

• длинные наборы команд – выполнение за один такт одновременно до 23 инструкций;
• эмуляция архитектуры х86 – возможность запуска программного обеспечения, написанного под распространённую архитектуру х86, с помощью динамической трансляции двоичных кодов в коды процессора “Эльбрус” при минимальных потерях производительности;
• защищённый режим исполнения программ – аппаратная проверка работы программы с памятью и межмодульная защита;
• непересекающиеся стеки адресов – отделение стека пользовательской информации, что защищает от вирусных атак подменой адреса возврата в библиотеку;
• отсутствие аппаратного транслятора команд – в отличие от процессоров архитектуры х86, где с помощью вшитого блока декодирования инструкций длинные команды разбиваются на короткие RISC-инструкции для каждого вычислительного модуля, эта работа производится компилятором при создании программ.

В 2008 году начались поставки компьютеров “Эльбрус-3М” на базе процессора на обновлённой архитектуре, который обладал следующими характеристиками:

В эпоху процессоров семейства Intel Core с частотой в 3 ГГц характеристики на первый взгляд не поражают воображение, но следует помнить, что “Эльбрус” построен на совсем другой архитектуре. Благодаря своим преимуществам и использованию нестандартных наборов регистров и команд, процессоры не подвержены вирусным атакам и гарантированно не содержат бэкдоров, а при компиляции программ непосредственно под свою архитектуру показывают приличную производительность. В то же время, благодаря динамической трансляции, могут запускать ОС Windows и ПО Microsoft Office!

Компьютеры “Эльбрус-3М” поставлялись для военной отрасли, и в качестве операционной системы использовали российскую МСВС-Э (Мобильную система Вооруженных Сил), созданную на основе Linux.

С тех пор МЦСТ активно работал над разработкой новых процессоров по всё более современным техпроцессам и с возрастающей производительностью. По состоянию на 2020 год характеристики флагманов архитектуры “Эльбрус” выглядят следующим образом:

При этом компания производит как материнские платы на базе своих процессоров, так и готовые компьютеры и специальные вычислительные комплексы “под ключ”.

Материнская плата с процессором “Эльбрус-8С” и южным мостом МЦСТ КПИ-2

С ростом производительности ЦП расширились и возможности для их применения:

• государственные учреждения и бизнес-структуры с повышенными требованиями к информационной безопасности;
• организация многоместных рабочих мест в сфере образования, офисах и т.д.;
• задачи шифрования с использованием ГОСТ, для которых особенно оптимизирована архитектура;
• различные прикладные задачи, например, распознавание паспортов.

“Эльбрус” в царстве телекоммуникаций

Трудно представить окружающий мир без технологий видеосвязи, которые нашли множество вариантов использования:

друг другу для личного общения; (особенно актуально в условиях карантина);
• защищённые сети видеосвязи в государственных учреждениях; ; , в том числе с онлайн-трансляцией на популярные видеосервисы;
• трансляции высокого качества в медицине; при поиске новых сотрудников.

И практика показала, что процессоры “Эльбрус” могут быть успешно применены для решения задач в области видеокоммуникаций.

В июне 2020 года на базе операционной системы «Альт Сервер» и программного обеспечения TrueConf MCU был создан вычислительный комплекс для видеоконференцсвязи. Он содержит “под капотом” 4 процессора “Эльбрус-8с” и обеспечивает качественную HD-видеосвязь, позволяя проводить групповые видеоконференции численностью до 150 участников.

Схема работы терминала ВКС на базе “Эльбрус” и TrueConf MCU

TrueConf MCU – российский классический программный транскодирующий сервер для аппаратных терминалов с широкими возможностями планирования и проведения видеоконференций.

“Альт Сервер” – серверная ОС российского разработчика ООО “Базальт СПО” на базе ядра Linux с широкой функциональностью, оптимизированная для применения в корпоративных сетях большого масштаба.

Благодаря тому, что используемые программные решения собраны специально под архитектуру “Эльбрус”, они работают нативно в её двоичных кодах. Такая связка получает необходимый уровень производительности при полном отсутствии возможных “закладок” – скрытно внедрённых компонентов в аппаратную или программную составляющую вычислительной техники с целью получения несанкционированного доступа к данным.

Применение TrueConf MCU обеспечивает ряд возможностей:

• совместимость с различными H.323 и SIP-устройствами, например, Polycom и Cisco;
• подключение вещания от RTSP-камер в проходящую конференцию;
• гибкое управление раскладками участников;
• удалённое управление конференциями;
• простая интеграция с отечественной ВКС-платформой TrueConf Server;
• возможность записывать видеоконференции и транслировать их в Интернет в режиме реального времени.

Таким образом, данный терминал может использоваться для организации и комфортного проведения конференций в государственных и коммерческих организациях с высокими требованиями к информационной безопасности. Применение российских разработок в роли основных аппаратных и программных компонентов также повышает технологическую независимость государства в ключевых вопросах использования телекоммуникаций и стимулирует дальнейшее развитие отечественных технологий.