Российские процессоры Эльбрус-16С, Эльбрус-12С и Эльбрус-2С3 получат ядра шестого поколения архитектуры E2K
На мероприятии Elbrus Tech Day компания МСЦТ рассказала о текущих достижениях и планах развития серии российских процессоров Эльбрус. Сейчас наиболее современным CPU этой линейки является Эльбрус-8СВ на базе архитектуры E2K (Эльбрус 2000) пятого поколения, но в ближайшие годы появятся сразу три SoC шестого поколения: Эльбрус-16С, Эльбрус-2С3 и Эльбрус-12С.
Эльбрус-8СВ является эволюционным развитием Эльбрус-8. Оба чипа используют 28-нм техпроцесс, но за счёт оптимизаций у 8СВ удалось поднять частоту, что вкупе с поддержкой широких векторных инструкций и более современного стандарта памяти дало двукратный рост теоретической пиковой производительности. Впрочем, для программ, не использующих SIMD, прирост пропорционален увеличению тактовой частоты + они всё равно выигрывают от увеличения скорости работы памяти.
Материнские платы с CPU Эльбрус
На базе этих и других процессоров компания МЦСТ разрабатывает референсные дизайны материнских плат различных форм-факторов, которые можно лицензировать для дальнейшей кастомизации. Часть партнёров компании разрабатывает собственные материнские платы и изделия на их основе. В скором времени на TSMC будет размещён заказ на изготовление очередной партии Эльбрус-8СВ объёмом 10 тыс. штук. В целом, вокруг уже имеющихся CPU сложилась достаточно заметная экосистема как аппаратных, так и программных продуктов и решений.
Следующее поколение процессоров будет разнообразнее. Помимо 16-ядерного Эльбрус-16С, ориентированного на высокопроизводительные серверные системы, будет и модель попроще, которая появится позже остальных — Эльбрус-12С. Этот 12-ядерный CPU рассчитан на серверы начального уровня, а также рабочие станции. А главное отличие от 16С будет в цене. Наконец, ещё один чип, двухъядерный Эльбрус-2С3, ориентирован на мобильные системы, в том числе планшетные компьютеры.
Все чипы будут изготавливаться на TSMC по 16-нм техпроцессу FinFET и будут основаны на шестом поколении архитектуры E2K. Строго говоря, это уже не процессоры, а полноценные SoC с интегрированными контроллерами для различной периферии, и для работы им не требуется внешний чип южного моста, как было ранее. В случае Эльбрус-16С площадь кристалла составляет 618 мм2 (25,3 × 24,4 мм), упакован он в корпус HFCBGA4804 с габаритами 63 × 78 мм. Кристалл содержит 12 млрд транзисторов, а его мощность не превышает 130 Вт.
Значительная часть изменений в архитектуре коснулась подсистемы памяти. В частности, были увеличены размеры кешей, суммарный объём которых достиг 51 Мбайт: общий для всех L3-кеш 32 Мбайт, увеличенный до 1 Мбайт L2-кеш, L1-кеш для инструкций на 128 Кбайт + L1-кеш данных на 64 Кбайт. Контроллер памяти стал восьмиканальным, получил поддержку модулей DDR4-3200 и 2DPC, что даёт до 4 Тбайт RAM на сокет с суммарной пропускной способностью до 200 Гбайт/с.
Первые инженерные образцы Эльбрус-16С, полученные в конце прошлого года, уже выдают в бенчмарке stream скорость порядка 70-80% от максимально возможной. Контроллеры попарно подключены к четырём агентам (HMU), «прикреплённым» к внутренней mesh-шине с пропускной способностью 2 Тбайт/с, объединяющей память и ядра. Чип можно разделить на два или четыре NUMA-домена, что полезно для ряда задач.
Одной из таких задач является виртуализация, и в Эльбрус-16С она, наконец, стала полноценной — новые процессоры поддерживают аппаратную виртуализацию практически всех важных ресурсов, в том числе и для режима x86-трансляции, который тоже никуда не делся. Для CPU прошлых поколений всё ещё можно использовать контейнеризацию, но МЦСТ занимается и подготовкой пара виртуализированного ядра и сопутствующих компонентов, включая KVM, QEMU, libvirt и virt-manager.
Для самих ядер был произведён редизайн микроархитектуры, что дало повышение скорости работы и новые возможности. В частности, появились новые SIMD-инструкции в дополнение к имеющимся, поддержка FMA по стандарту IEEE 754-2008 (требуется в современных стандартах C), динамическая оптимизация (касается планирования, что важно для VLIW), новый контроллер прерываний (необходим для виртуализации) и так далее.
Пиковая теоретическая производительность ядра составляет 96 Гфлопс для вычислений одинарной точности и 48 Гфлопс — для двойной. Для всего CPU это 1,5 Тфлопс и 768 Гфлопс соответственно. Предварительные тесты показывают прирост производительности в 2-2,5 раза в сравнении с Эльбрус-8СВ, но надо помнить, что очень много зависит от оптимизаций со стороны компилятора. Само ядро хоть и стало сложнее, но оно всё равно проще, чем ядра современных x86-64 процессоров.
Слабым местом новых чипов, на наш взгляд, является IO-блок. В состав SoC входят четыре root-комплекса PCIe 3.0, которые в сумме дают 32 линии. Из них 8 или 16 линий можно выделить на подключение внешнего южного моста, если не хватает того, что встроен в сам чип. Он предоставляет 2 порта SATA 3.0, 4 порта USB 3.0/2.0 и два мульти-порта, дающих или пару SATA, или пару Ethernet с максимальной конфигурацией 10GbE + 2.5GbE.
Ещё 8 линий PCIe можно отдать на канал для межпроцессорной связи (IPL) в дополнение к двумя каналам, которые есть всегда. В двухсокетной системе, таким образом, можно объединить CPU двумя или тремя IPL. Правда, скорость одного такого канала составляет всего 12 Гбит/с (на инженерных образцах пока достигли 10 Гбит/с), что значительно меньше, чему у UPI или Infinity Fabric. Всего в одной системе может быть объединение до четырёх процессоров.
Помимо прочего, в чипах реализованы различные RAS-функции для повышения надёжности работы. Также улучшен мониторинг процессора и управление его питанием и охлаждением. Вероятно, теперь уже все системы на базе новых CPU будут комплектоваться BMC-контроллером — ASPEED AST2500 и в перспективе AST2600 — с собственной прошивкой на базе OpenBMC и с встроенной микро-ОС, упрощающей инициализацию и работу с оборудованием. Референсный дизайн двухсокетной платы 2Э16С-SPRC появится в середине этого года, а однопроцессорной Micro-ATX — к концу.
В 2022 году появятся и другие варианты двух- и четырёхсокетных систем с Эльбрус-16С, а также одно- и двухсокетные платы для Эльбрус-12С. Партнёры МЦСТ, надо полагать, тоже не будут сидеть без дела. Напомним, что формально окончание разработки Эльбрус-16С намечено на конец этого года. Для Эльбрус-2С3 и Эльбрус-12С точные сроки озвучены не были. И если 12-ядерная модель, скорее всего, очень похожа на 16-ядерную, то младший чип серии заметно от них отличается.
Эльбрус-2С3 имеет всего два ядра шестого поколения с тактовой частотой 2 ГГц, два канала памяти DDR4-3200 и производительность до 192/96 Гфлопс FP32/FP64. У него есть 16 линий PCIe 3.0. В его состав входит 3D-ядро Imagination PowerVR GX6650 (300 Гфлопс), ряд (де)кодеров видео, а также 2D-ядро собственной разработки. Есть четыре видеовыхода (из них 2 HDMI) и поддержка 4K-вывода. Для этой SoC компанией в течение 2021 года будут подготовлены первые платы Micro-ATX и Mini-ITX.
Характеристики будущих процессоров Эльбрус-32С пока до конца не определены, но примерные очертания будущего продукта уже есть. CPU должен иметь производительность не ниже 1,5/3/6 Тфлопс для вычислений FP64/FP32/FP16 и содержать от 32 ядер с частотой более 2 ГГц. Возможно, будет и 64 ядра седьмого поколения E2K. Объём L3-кеша должен как минимум удвоиться, а контроллер памяти, возможно, получит поддержку DDR5 объёмом не менее 4 Тбайт/сокет. Предполагается возможность работы как минимум двухсокетных конфигураций.
Дальнейшее развитие могут получить виртуализация и фирменная технология безопасных вычислений с попутным добавлением новых инструкций. Уже сейчас разработчики хотят предоставить 64 линии PCIe 5.0, что открывает путь к использованию CXL 2.0. К встроенным контроллерам, помимо NVMe, без которого уже точно не обойтись, могут добавиться 100GbE и USB 3.1 или более новые. Будущие кристаллы перейдут на техпроцесс не толще 7 нм, а их площадь вырастет до 600 мм2.
