E2K: от истоков до нюансов Российской архитектуры [ч. 1]

Эльбрус 2000 - микропроцессорная архитектура, разработка которой началась в России в 1998 году. Процессоры на основе архитектуры Эльбрус 2000 сейчас используются в высокопроизводительных безотказных серверах и компьютерах, например, в решениях для банков, государственных учреждений и научных центров.

Предисловие

В этой статье (или заметке?) я попробую объяснить простым и понятным языком в чем “соль” этой архитектуры. Сразу оговорюсь, базовое понимание математики, информатики и принципов работы компьютера или телефона с которого читается статья - обязательна.

Статья разбита на части, пишу в свободное от работы и личных забот время.

Историческая справка

Московский центральный научно-исследовательский институт информатики и автоматизации (МЦСТ) был создан в 1992 году в результате реорганизации Московского научно-производственного объединения “Электроника”. Основной целью создания института было развитие отечественной вычислительной техники и программного обеспечения.

С самого начала своей деятельности МЦСТ занимался разработкой компьютеров на основе собственных микропроцессоров. В 1994 году был выпущен первый компьютер на базе микропроцессора “Эльбрус-1”, который был разработан в институте. В 2000 году был выпущен компьютер “Эльбрус-2”, который стал первым в мире многопроцессорным компьютером на базе отечественных микропроцессоров. Этот компьютер имел производительность на 10 процессорах (из них 2 считались резервными) — 125 млн оп/с.

В последующие годы МЦСТ продолжал разрабатывать новые модели компьютеров на базе микропроцессоров “Эльбрус”. В 2015 году был выпущен компьютер “Эльбрус-4С”, который стал первым в мире компьютером на базе отечественных микропроцессоров, поддерживающим технологию виртуализации.

Архитектура Эльбрус 2000 была создана в России в начале 2000-х годов. Проект разработки новой архитектуры был запущен в 1999 году в рамках программы “Эльбрус” Министерства промышленности, науки и технологий Российской Федерации.

Основной целью программы было создание отечественного высокопроизводительного процессора, который мог бы конкурировать с зарубежными аналогами. В рамках программы были разработаны несколько поколений процессоров, начиная с Эльбрус-1 и заканчивая Эльбрус-4.

Однако основным достижением программы стала архитектура Эльбрус 2000, которая была представлена в 2002 году, в основе которой лежит подход VLIW. Эта архитектура была разработана с учетом современных требований к производительности и энергопотреблению, а также с учетом возможности выполнения параллельных вычислений.

Архитектура Эльбрус 2000 была успешно протестирована на различных задачах, включая математические расчеты, обработку изображений и видео, а также на задачах, связанных с обработкой больших объемов данных.

Сегодня архитектура Эльбрус 2000 продолжает развиваться и улучшаться. На ее основе создаются новые процессоры, которые успешно используются в различных областях, включая научные и промышленные вычисления, обработку данных и телекоммуникации. А МЦСТ является одним из ведущих отечественных разработчиков компьютеров и программного обеспечения. Институт занимается разработкой вычислительных систем для различных областей применения, включая научные исследования, проектирование, финансы, государственное управление и т.д. Компьютеры МЦСТ используются во многих отечественных организациях и предприятиях, а также экспортируются за рубеж.

Основные особенности

Начнем с основных особенностей архитектуры Эльбрус 2000:

1. Многопоточность - каждое ядро процессора может обрабатывать несколько потоков одновременно, что позволяет значительно увеличить производительность системы.
2. Симметричная мультипроцессорность - архитектура поддерживает одновременную работу нескольких процессоров, что также способствует арифметическому увеличению производительности.
3. Использование эффективных алгоритмов обработки данных, таких как алгоритмы сжатия данных и алгоритмы сортировки, параллельных вычислений, что позволяет ускорить выполнение задач. Например, определение ацикличных участков с дальнейшим разделением на суб-процессинг, или же использование эффективных алгоритмов предварительного чтения данных из памяти, что снижает задержку при исполнении кода.
4. Наличие защиты от ошибок и сбоев, что обеспечивает высокую надежность работы системы. А также особый режим выполнения и матрицы доступа к памяти, который аппаратно исключает вмешательство в соседние страницы памяти ПО. (Вспомним со слезами о Meltdown и Spectra на x86-архитектуре и потере в среднем 15% производительности)
5. Архитектура Эльбрус 2000 поддерживает ВСЕ операционные системы Linux и Windows, так как спокойно кушает 64-битные инструкции, а так же спокойно может переваривать ассемблер (двоичные инструкции процессора) Intel или AMD64 платформ. Lintel - более производительное решение, даже чем от Купертиновских конкурентов (Apple со своей Rosetta любого поколения.)

Архитектура Эльбрус 2000 имеет ряд преимуществ перед другими архитектурами, такими как высокая производительность и надежность, однако имеет и недостатки, такие как ограниченная поддержка со стороны производителей программного обеспечения и высокая стоимость производства, а также (на момент написания) отсутствие локализации производства на территории РФ.

Давайте начнем разбираться с описанными преимуществами и почему они таковыми являются.

Мультипоточность

Мультипоточность в процессорах Эльбрус - возможность одновременного выполнения нескольких потоков инструкций на одном процессоре. Каждый поток может выполняться независимо от других потоков, что позволяет увеличить производительность и эффективность работы процессора.

Процессоры Эльбрус поддерживают два типа мультипоточности: аппаратную и программную.

Аппаратная мультипоточность

Аппаратная мультипоточность в процессорах Эльбрус реализуется с помощью технологии Hyper-Threading. Она позволяет процессору выполнять два потока инструкций на каждом ядре, используя различные ресурсы процессора, такие как регистры и функциональные блоки.

Но тут я остановлюсь подробнее, так как с каждым годом всё больше и больше транзисторов задействуется в процессорах, но производителям постоянно приходится идти на ухищрения для роста производительности, т.к. больше параллелизма им со старым подходом не выжать. Поэтому в 2002-м году свет увидели процессоры Intel Pentium 4, которые первыми на потребительском рынке получили поддержку виртуальной многоядерности или многопоточности, которую назвали Intel Hyper-Threading. Суть этой технологии в том, что ядро физически у вас одно, но система его видит как 2 разных ядра, и ваши программы работают с одним ядром так, словно их 2.

И, если ранее программы не могли задействовать все вычислительные возможности каждого из ядер процессора, то теперь они на каждом ядре старались задействовать больше ALU (до 2 раз больше).

2 виртуальных ядра делят между собой один и тот же набор арифметико-логических устройств (АЛУ), один и тот же кэш, но разные регистры, тогда как в случае с двумя обычными ядрами у вас разделены для каждого из ядер и АЛУ, и кэш, и все регистры. За счёт того, что на АЛУ приходится больше параллельных команд (8 вместо 4 в случае с современным суперскалярным подходом CISC процессоров), у вас удаётся загрузить одно ядро процессора в большей мере, и таким образом вы добиваетесь роста производительности в расчёте на каждое из ядер. Но по итогу, да, логические ядро, как правило, медленнее, чем физическое.

Программная мультипоточность

Программная мультипоточность в процессорах Эльбрус реализуется с помощью технологии OpenMP. Она позволяет разделять задачи на несколько потоков, которые выполняются параллельно на разных ядрах процессора. Это позволяет ускорить выполнение задач, которые могут быть разделены на независимые подзадачи.

Мультипоточность в процессорах Эльбрус позволяет увеличить производительность и эффективность работы процессора. Она позволяет выполнять несколько задач одновременно, что уменьшает время выполнения задач и увеличивает общую производительность системы.

Кроме того, мультипоточность позволяет использовать ресурсы процессора более эффективно, что уменьшает нагрузку на систему и повышает ее стабильность и надежность.

В целом, мультипоточность является важной технологией для повышения производительности и эффективности работы процессоров Эльбрус. Она позволяет использовать ресурсы процессора более эффективно и выполнять несколько задач одновременно, что делает систему более быстрой и стабильной.

Симметричная мультипроцессорность

Симметричная мультипроцессорность (SMP) - архитектура компьютерной системы, в которой два или более процессоров работают параллельно и независимо друг от друга, обмениваясь данными через общую память. В этой архитектуре каждый процессор имеет доступ к общей памяти и периферийным устройствам, что позволяет им выполнять задачи более эффективно, чем в случае использования одного процессора.

Симметричная мультипроцессорностm позволяет распределять задачи между процессорами таким образом, чтобы каждый из них мог выполнять свою работу независимо друг от друга. Это позволяет увеличить производительность системы и сократить время выполнения задач, а также обеспечивает масштабируемость.

Архитектура Эльбрус 2000 представляет собой симметричную мультипроцессорную систему, которая имеет ряд преимуществ перед другими архитектурами:

1. Высокая производительность. Симметричная мультипроцессорность Эльбрус 2000 позволяет использовать несколько процессоров одновременно, что повышает производительность системы. Каждый процессор может выполнять свои задачи независимо друг от друга, что увеличивает скорость обработки данных и снижает время ожидания.
2. Гибкость системы. Архитектура Эльбрус 2000 позволяет легко добавлять или удалять процессоры в системе в зависимости от потребностей пользователя. Это позволяет гибко настраивать систему под конкретные задачи и обеспечивает масштабируемость.
3. Надежность. Симметричная мультипроцессорность Эльбрус 2000 обеспечивает высокую надежность системы. Если один из процессоров выходит из строя, остальные процессоры могут продолжать работу без проблем. Это позволяет избежать сбоев в работе системы и обеспечивает бесперебойную работу.
4. Энергоэффективность. Архитектура Эльбрус 2000 потребляет меньше энергии, чем другие архитектуры. Это достигается за счет использования более эффективных алгоритмов обработки данных и оптимизации работы процессоров.
5. Высокая безопасность. Симметричная мультипроцессорность Эльбрус 2000 обеспечивает высокую безопасность системы. Каждый процессор имеет свой собственный набор инструкций и операционную систему, что делает невозможным взлом системы через один процессор.

Таким образом, симметричная мультипроцессорность архитектуры Эльбрус 2000 обеспечивает высокую производительность, гибкость, надежность, энергоэффективность и безопасность системы.

Алгоритмы обработки данных

Prefetching и аппаратная асинхронная подгрузка данных (APB)

Архитектура Эльбрус 2000 имеет ряд особенностей, которые позволяют эффективно обрабатывать данные. Одной из главных особенностей является наличие нескольких ядер процессора, которые могут работать параллельно. Это позволяет распараллеливать задачи и ускорять обработку данных, но что бы убрать ожидание данных для дальнейшей обработки - реализовано использование эффективных алгоритмов предварительного чтения данных из памяти, что в свою очередь снижает задержку при исполнии кода.

Предварительное чтение данных из памяти (Prefetching) является одним из методов оптимизации производительности в архитектуре Эльбрус 2000. Он позволяет загрузить данные из памяти в кэш процессора заранее, до того, как они будут фактически использоваться в вычислениях. Это может существенно ускорить выполнение программы, так как время доступа к кэшу намного меньше, чем к памяти.

В Эльбрус 2000 предусмотрено несколько способов предварительного чтения данных.

Один из них - это использование инструкций PREFETCH. Эти инструкции позволяют загрузить данные из памяти в кэш процессора заранее, до того, как они будут фактически использоваться. Инструкции PREFETCH могут быть использованы как для чтения, так и для записи данных.

Еще один способ предварительного чтения данных - это использование аппаратной поддержки предварительного чтения в кэше процессора, отдельный параллельно работающий модуль для подкачки данных, APB (Asynchronous Prefetch Buffer). В Эльбрус 2000 кэш оборудован специальным механизмом, который автоматически загружает данные из памяти в кэш заранее, если он обнаруживает, что эти данные скоро будут использоваться. Это происходит благодаря анализу обращений к данным и прогнозированию будущих обращений.

Предварительное чтение данных из памяти особенно полезно в случае работы с большими объемами данных или при обработке данных в циклах. Оно позволяет уменьшить время доступа к памяти и ускорить выполнение программы. Однако, необходимо учитывать, что неправильное использование предварительного чтения может привести к ухудшению производительности, так как может привести к загрузке ненужных данных в кэш. Поэтому, необходимо выбирать правильные параметры для инструкций PREFETCH и настраивать аппаратную поддержку предварительного чтения в соответствии с характеристиками программы и алгоритма.

То есть Эльбрус чётко знает, с какими данными ему предстоит работать. Это ещё до того, как он с этими данными начал работу. Работает ли он с данными или же с указателем на данные, заранее известно из тэга, которым помечаются данные в регистрах. И эта информация также позволяет добиться более высокой защищённости. Есть ещё интересный момент с работой памяти. При работе с любым процессором у вас при выполнении цикла может процессор стопориться на большое количество тактов из-за ожидания подгрузки данных для обработки.

Single Instruction Multiple Data

Архитектура Эльбрус 2000 использует специальные инструкции SIMD (Single Instruction Multiple Data), которые позволяют выполнять одну операцию над несколькими данными одновременно. Это особенно полезно в задачах, связанных с обработкой графики, звука и видео.

SIMD-инструкции в Эльбрус 2000 реализуются через специальные регистры, называемые векторными регистрами. Каждый векторный регистр может содержать несколько элементов данных одного типа, например, 16 целых чисел или 8 чисел с плавающей точкой.

Для выполнения операций над векторными регистрами в Эльбрус 2000 используются специальные команды, которые могут выполнять операции над всеми элементами векторного регистра одновременно. Например, команда ассемблера “ADDV” складывает все элементы двух векторных регистров и сохраняет результат в третий векторный регистр. (Я прям чувствую как начали закипать мозги:D)

SIMD-инструкции в Эльбрус 2000 могут быть использованы в различных областях, например:

Обработка графики и видео: SIMD-инструкции позволяют быстро применять эффекты к видео и изображениям, например, изменять яркость и контрастность, применять фильтры и т.д.

Обработка звука: SIMD-инструкции могут быть использованы для обработки аудио сигналов, например, для уменьшения шума или изменения тональности. Математические вычисления: SIMD-инструкции позволяют быстро выполнять математические операции над большим количеством данных, например, для расчета физических моделей или статистических анализов.

Использование SIMD-инструкций позволяет значительно ускорить выполнение задач, связанных с обработкой больших объемов данных. В Эльбрус 2000 SIMD-инструкции реализованы эффективно и позволяют достичь высокой производительности при работе с векторными данными.

Также в архитектуре Эльбрус 2000 используется кэш-память, которая позволяет ускорить доступ к данным. Кэш-память хранит наиболее часто используемые данные, что позволяет уменьшить время доступа к ним. Смешно? Тогда вспомните, что огромное число процессоров до сих пор не умеют в L3-cache.

В целом, архитектура Эльбрус 2000 имеет ряд особенностей, которые позволяют эффективно обрабатывать данные. Применение различных алгоритмов и использование SIMD инструкций и кэш-памяти позволяет ускорить обработку данных и повысить производительность системы.

Текстовый процессинг

Архитектура Эльбрус 2000 предоставляет несколько алгоритмов для обработки текстовых данных, которые могут быть использованы в различных приложениях.

Один из таких алгоритмов - это алгоритм сжатия данных LZO (Lempel-Ziv-Oberhumer). Он используется для сжатия текстовых данных и может быть применен для уменьшения размера файлов или передачи данных по сети. Алгоритм LZO работает на основе словарного кодирования, когда повторяющиеся последовательности символов заменяются одним кодом. В Эльбрус 2000 реализована оптимизированная версия алгоритма LZO, которая позволяет достигать высокой скорости сжатия и декомпрессии.

Еще один алгоритм для обработки текстовых данных - это алгоритм поиска подстроки в строке. Он может использоваться для поиска слов или фраз в тексте, а также для обработки запросов в поисковых системах. В Эльбрус 2000 реализована оптимизированная версия алгоритма Бойера-Мура, который работает на основе сравнения символов справа налево.

Также в Эльбрус 2000 реализованы алгоритмы сортировки данных, которые могут быть использованы для обработки текстовых данных. Например, алгоритм быстрой сортировки (QuickSort) может быть использован для сортировки больших массивов строк. В Эльбрус 2000 реализована оптимизированная версия алгоритма QuickSort, которая работает на основе разделения массива на подмассивы и их параллельной сортировки.

В целом, архитектура Эльбрус 2000 предоставляет широкий набор алгоритмов для обработки текстовых данных, которые могут быть использованы в различных приложениях. Они отличаются высокой производительностью и оптимизацией под архитектуру процессора Эльбрус 2000.

Продолжение следует…

Источники

1. PDF: Руководство по эффективному программированию на платформе «Эльбрус»
2. PDF: Кремнивые секреты
3. Полезное: Шпаргалка по Assembler x86
4. Видео: Архитектура процессора Эльбрус 2000 / Дмитрий Завалишин (Digital Zone)
5. А так же ссылки в самом тексте.