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:

• новый процессор должен показывать в 3-5 раз более высокую производительность, потреблять меньше электроэнергии и быть дешевле в производстве, чем Intel Merced;
• команда Эльбрус имеет достаточно хорошую репутацию и опыт, чтобы действительно выпустить такой процессор;
• компьютеры Эльбрус, реализующие основные современные архитектурные принципы, начали выпускаться задолго до того, как идеи на эту тему начали только обсуждаться на Западе;
• 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.;
• технологические новшества E2K столь же впечатляющи, как и архитектурные: E2K реализует лучшую схемотехнику, чем та, которая используется в рекордсмене последнего времени, процессоре Alpha 21264;
• КМОП технология E2K с низким энергопотреблением позволит в ближайшие 2-3 года иметь "суперкомпьютер в карманном электронном блокноте";
• в области компиляторов команда Эльбрус не менее квалифицирована, чем в разработке архитектуры или электронном проектировании: распараллеливающий компилятор E2K в настоящее время достигает показателя 10-ти операций за такт, что почти в три раза выше, чем лучший в отрасли компилятор Alpha;
• в режиме интерпретации E2K исполняет код микропроцессоров Intel и Sun всего на 10-30% медленнее, чем свой собственный (для сравнения, пакет FX!32, исполняющий код процессоров Intel на компьютерах Alpha, замедляет исполнение в 3 раза); при этом E2K позволяет достичь 100% двоичной совместимости для любых кодов процессоров Intel для любой операционной системы, что выгодно отличает E2K от того же FX!32;
• важным свойством E2k является "непробиваемая" защита исполняемых кодов и данных от вирусов; развитие подобного направления оборвалось на Западе вместе с провалом микропроцессора 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. На 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. Но 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:

• выдача до трех команд за такт
• 32-разрядная архитектура
• упрощенный набор команд (по сравнению с Эльбрус-2), большинство команд исполняются за один такт
• аппаратная поддержка языков программирования высокого уровня
• исполнение по предположению
• изменение порядка исполнения команд
• предсказание ветвлений
• переименование регистров
• раздельные кэши команд и данных по 32KB
• конвейеризованное устройство вещественной арифметики
• поддержка многоуровневой иерархии памяти, кэш первого и второго уровня
• поддержка мультипроцессорности (до 10 процессоров)
• поддержка отладки, мониторинг производительности
• режим "сверхнадежных вычислений" (несколько процессоров независимо 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 приложений.

В 1990г Пентковский начал работу над Эль-91С, последователем Эль-90. Но после изменения в России политической и экономической системы, финансирование разработки прекратилось. На 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_2who.htm#pentkovski), Владимир Пентковский является главным архитектором Pentium III.

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

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

Не 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 РАН 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.

Ниже приведена таблица из доклада Гордона Бэлла.

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.