Savremeni ruski mikroprocesori

Spektakularno lansiranje krstarećih raketa sa brodova u Kaspijskom moru bio je jasan signal geopolitičkog povratka Rusije na svetsku scenu nakon nekoliko decenija nemoći i inferiornosti

Naš časopis se ne bavi političkim temama, ali se odavno zna da su vojske i ratovi jedan od najvažnijih generatora tehničko-tehnološkog napretka (a bogami i nazadovanja) čovečanstva. Sve savremene rakete, tenkovi, avioni i kamioni ne mogu se zamisliti bez mikroprocesorske tehnike, pa su Rusi iz razloga izbegavanja zavisnosti od potencijalnih protivnika krenuli putem razvoja sopstvenih rešenja. Uvođenje američkog embarga na izvoz nekih visokotehnoloških delova potrebnih za satelite (uključujući i one iz sistema GLONASS) naveo je rukovodstvo najveće svetske države da dodatno pojača napore u pravcu tehnološke nezavisnosti.

Predistorija

Zbog opšte zatvorenosti država iza gvozdene zavese, zapadnom javnom mnenju je malo poznata istorija mikroelektronike na istoku Evrope. Jedan od važnih razloga bio je i taj što su informacije o tehnološkim dostignućima smatrane za državnu tajnu od najvišeg značaja, pa ni upućeniji ljudi iz tih zemalja nisu imali uvid šta se sve proizvodi iza spuštenih rampi zatvorenih gradova u koje se nije moglo ući bez specijalnih dozvola. Pitate se, kako je SSSR decenijama mogao da parira razvijenim zemljama za vreme Hladnog rata? To je bilo moguće jedino održavanjem koraka sa svojim protivnicima, što je Sovjetima dosta dobro polazilo za rukom. Naravno, socijalistički upravljana privreda nije mogla tržišno da parira zapadnom kapitalističkom modelu, ali se na naučno-inženjerskom planu često dešavalo da istok bude ispred zapada. Dobru ilustraciju toga predstavlja činjenica da je danas neizbežna superskalarna mikroprocesorska arhitektura aktivno korišćena u SSSR-u još krajem 70-ih godina, da bi na zapadu postala aktuelna tek sa pojavom procesora Intel i960 1988. godine, a praktično zaživela sa pojavom prvog Pentiuma pet godina kasnije. Na istoku ekonomski interes nije bio na prvom mestu, nego je glavnu reč uvek vodila industrija naoružanja.

Prvi uspešan mikroprocesor namenjen masovnom tržištu na zapadu bio je Intelov i8080 i proizveden je 1974. godine. Tri godine kasnije, Sovjeti proizvode njegov klon pod nazivom KR580. Jedan on najpoznatijih predstavnika te porodice bio je KR580VM80A i sa pratećim čipovima iz svoje serije često je korišćen za konstrukciju prve generacije personalnih računara i računarskih terminala. Sledile su kopije velikog dela američke mikroprocesorske produkcije. Spisak mikroprocesora čiju je proizvodnju istočni blok uspeo da osvoji impozantno je dug. Počevši od kopija Intelovih 3001, 3002, 8748, 8031, 8035, 8039, 8051, 80(C)85, pa preko AMD procesora 2901, 2903, Ziloga Z80, Motorole 6800, 6805, MOS 6502... A onda dolaze na red Intelove perjanice 8086, 8088, 80286... sve do analoga mikroprocesora 80386 čiji je razvoj obustavljen krahom istočnog bloka. Iako je najveći deo tehnologije proizvodnje integrisanih kola stvoren u Sovjetskom Savezu, zbog politike „bratstva-jedinstva”, proizvodnja pojedinih procesora je ustupana drugim državama istočnog bloka. Koliko god je bilo dobro kopiranje zapadnih tehnologija (nedostatak razvojnih troškova, korišćenje postojeće baze softvera), ono je na kraju bilo kobno po sovjetsku elektroniku jer je uvek bila za korak iza zapada i nije iskazivala kreativnost koja bi joj omogućila prestizanje konkurencije.

Elbrus 8S

Iza razvoja ovog mikroprocesora stoji kompanija MCST (Moskovski centar SPARC Tehnologija), osnovana još 1992. godine od ljudi koji su bili uključeni u razvoj linije sovjetskih superkompjutera pod nazivom Elbrus. Kao što se može primetiti iz naziva, oni su se u svom radu najviše bavili razvojem rešenja na SPARC arhitekturi na koju računaju i u budućnosti. U međuvremenu su kreirali sopstvenu arhitekturu koja nosi naziv Elbrus. Njen razvoj je započeo još krajem prošlog milenijuma, ali veći zamajac doživljava 2011. godine sa pojavom modela Elbrus 2S+. Taj mikroprocesor izrađen je u 90-nanometarskoj tehnologiji (368 miliona tranzistora), dva jezgra koja rade na skromnih 500 megaherca, koristi DDR2 memoriju i postiže 16 GFLOPS (uz četiri integrisana DSP procesora na bazi MIPS tehnologije još dodatnih 12 GFLOPS) sa potrošnjom od 25 vati. Dve godine kasnije imamo sledeću generaciju pod nazivom Elbrus 4S sa četiri jezgra, radnim taktom od 800 megaherca, i upotrebom DDR3 memorije. Bazna brzina procesora je povećana na 60 GFLOPS, potrošnja energije na 60 vati, dok je tehnološki proces napredovao do 65 nanometara (986 miliona tranzistora). Ako bismo tražili američki ekvivalent iz tog ranga brzine, onda bi to mogao biti Intel Core i7 870 iz 2009. godine (2,93 gigaherca, 4/8 jezgara, osam megabajta keša, 45-nanometarska tehnologija sa 774 miliona tranzistora, disipacija 95 vati). I tako dolazimo do najnovije inkarnacije ove linije pod nazivom Elbrus 8S koja bi trebalo da uđe u serijsku proizvodnju u vreme izlaska ovog broja „Sveta kompjutera”.

Ako se zapitate u čemu je tajna tako dobrih performansi mikroprocesora Elbrus, odgovor možete pronaći u onome što smo prethodno pomenuli, a naziva se superskalarni dizajn. Deo stručnjaka okupljenih oko kompanije MCST učestvovao je u razvoju pomenutih superkompjutera Elbrus i vremenom je usavršavao arhitekturu na kojoj su oni počivali. Reč je o visoko paralelizovanoj VLIW (Very Long Instruction Word) arhitekturi koja omogućava istovremenu obradu velikog broja naredbi. Rezultat toga je da jedno jezgro modela 8s izvršava čak 25 instrukcija u jednom taktu. Prosta matematika nas dovodi do impozantnih 200 instrukcija po taktu procesora koji radeći na frekvenciji od 1,3 milijarde taktova u sekundi ostvaruje oko 260 milijardi 32-bitnih operacija sa brojevima u formatu plutajuće zapete (260 GFLOPS).

Međutim, to je tek početak. Unutar procesora se nalaze i hardverski moduli za akceleraciju matematički intenzivnih poslova, šifrovanja podataka i obrade digitalnih signala. Našlo se mesta i za ugradnju logike koja bi trebalo da spreči delovanje svakojakih virusa i da oteža implementaciju jedne od najčešćih hakerskih tehnika – prekoračenja steka (stack overflow). Ako je verovati konstruktorima, Elbrus taj zadatak obavlja mnogo efektnije od onoga što su nam do sada pokazali Intel i AMD. Arhitektura Elbrusa nije bazirana na Intelovoj x86/x64 arhitekturi, ali ovi procesori mogu da izvršavaju programe pisane za tu platformu. To je postignuto zahvaljujući hardverskoj implementaciji mehanizma dinamičke binarne translacije koja funkcioniše kao jedna vrsta emulatora koji prevodi Intelove instrukcije u njihove Elbrus ekvivalente. Po rečima konstruktora, ovako preveden kôd radi nekih 20% sporije od izvornog, što je opet više nego dovoljno za udoban rad sa Windowsima. Oni koji preferiraju druge operativne sisteme, već sada imaju na raspolaganju preko dvadeset distribucija koje podržavaju izvorni Elbrus instrukcijski set. Inače, bazni operativni sistem za ove mikroprocesore nosi naziv Elbrus OS i sagrađen je na bazi Linuxa.

Glavna namena ovih procesora bi trebalo da bude vezana za servere. Zahvaljujući podršci višeprocesorskog rada, moguće je u okviru jedne matične ploče smestiti do četiri mikroprocesora Elbrus 8s. Na jedan standardni serverski modul dimenzija 19” moguće je smestiti osam takvih ploča sa brzinom od 8 TFLOPS. Da bi olakšali dizajniranje rešenja na bazi Elbrus mikroprocesora, MCST nudi južni most KPI-2 sa podrškom za magistralu PCIe (20 linija), po osam SATA 3.0 i USB 2.0 portova, kao i tri mrežna gigabitna kontrolera. Njegova brzina komunikacije sa procesorom je 16 GB/s.

Za sada nije poznata količina prve serije ovih mikroprocesora, ali je sasvim izvesno da ona neće biti previše masovna i da cena po jedinici neće biti za svačiji džep. Ukoliko uspeju da zainteresuju tržište, moguće je očekivati veće serije sa povoljnijom cenom. U suprotnom će upotreba biti ograničena samo na primenu u okviru oružanih snaga RF i onih organizacija koje imaju potrebu za povećanom bezbednošću podataka (banke, poslovni subjekti itd.).

Sledeća etapa razvojnog puta Elbrusa je planirana za 2018. godinu kada bi trebalo da se pojavi mikroprocesor Elbrus 16S, koji bi imao 16 procesorskih jezgara, istovremeno obrađivao po 50 instrukcija na radnom taktu od 1,5 gigaherca i imao za 250 odsto bolje performanse od Elbrusa 8S.

Baikal-T1

Kao da u tome ima neke simbolike, Rusi su svoje nove procesore nazvali po najvišem planinskom vrhu Evrope Elbrusu i po najdubljem svetskom slatkovodnom jezeru Bajkalu. Dok Elbrus stremi da stalno podiže brzinsku lestvicu u vis, Baikal ne teži toliko za brzinom koliko za kompaktnošću i malom potrošnjom energije. Ovaj drugi ruski mikroprocesor čije pojavljivanje je planirano za prvi kvartal 2016. godine spada u grupu tzv. SoC (System on Chip) proizvoda koji unutar sebe integrišu celokupnu elektroniku potrebnu za obavljanje nekog zadatka. Tako sa ovim uređajem dobijamo dvostruki gigabitni mrežni interfejs, 10-gigabitni Ethernet port, četiri PCIe, tri SATA 3.0, dva USB 2.0, memijski kontroler, GPIO, UART, SPIO i I2C. Za razliku od Elbrusa, kod koga se u potpunosti koristi domaće znanje, u slučaju Baikala T1 je za osnovu korišćeno mikroprocesorsko jezgro MIPS Warrior P5600, vlasništvo kompanije Imagination. Ovaj mikroprocesor predstavlja prvi proizvod sa najnovijom inkarnacijom MIPS arhitekture u celom svetu.

Inače, P5600 je platforma koja mnogo obećava. Za razliku od 64-bitne verzije pod nazivom P6600, ovde se radi o 32-bitnom mikroprocesoru zasnovanom na superskalarnoj arhitekturi koja trenutno nudi najbolji odnos brzine po megahercu od svih mikroprocesora koji se izrađuju po licenci. Arhitektura podržava do šest jezgara, što u kombinaciji sa brzinom takta koja prevazilazi dva gigaherca daje odličan odnos performansi u odnosu na potrošnju energije. U slučaju tržišnog uspeha, sasvim je logično očekivati da će eventualni T2 i T3 mikroprocesori ići u tom smeru uz povećanje keš memorije koja može iznositi do osam megabajta. Procesor podržava napredni mehanizam integriteta podataka pod nazivom OmniShield, a tu je i podrška za rad sa ECC memorijama. Našlo se mesta i za punu hardversku virtuelizaciju, što i nije baš česta pojava u klasi embedded uređaja. Ovaj mikroprocesor se izrađuje u 28-nanometarskoj tehnologiji u pogonima poznatog tajvanskog proizvođača čipova TSMC, jer u samoj Rusiji trenutno postoje proizvodni kapaciteti samo za tehnologiju od 65-nanometara.

Prva serija mikroprocesora će iznositi 100.000 komada, dok je početna cena procesora po komadu 60 američkih dolara za porudžbine od 100 komada. Takva cena je u potpunosti adekvatna u odnosu na konkurenciju koja se kreće u rangu 50-70 dolara. Glavno tržište za ovakve uređaje je tradicionalno vezano za tzv. embedded sisteme, odnosno, upravljaju uređajima koji nezavisno obavljaju neku funkciju. Najčešće su to svakojaki ruteri, NAS sistemi, tanki klijenti i uređaji koji se koriste u telekomunikacijama. Međutim, nije nikakav problem napraviti smartfon, tablet ili neki multimedijalni uređaj koji bi koristio MIPS procesor umesto rivala sa nalepnicom ARM i Intel. Na kraju krajeva, zašto ga ne iskoristiti za osnovu nekog malog računara? Nije loše spomenuti da je MIPS jedna od samo tri arhitekture podržane od Android platforme (treba li govoriti ko su ostala dva igrača?). Ljudi iz Baikal Electronics se nadaju da će njihov mezimac biti zanimljiv za kupce iz velikog broja zemalja. Jedan od najvećih svetskih proizvođača računara, Lenovo, već je izrazio zainteresovanost za ovaj procesor. Zbog postojanja vrlo brzog 10-gigabitnog mrežnog interfejsa, logično je očekivati da Baikal-T1 najčešće bude ugrađivan u uređaje mrežne infrastrukture.

• • •

Iz svega viđenog se dâ zaključiti da Rusija na polju mikroprocesora krupnim koracima nadoknađuje svoj tehnološki zaostatak uzrokovan raspadom sovjetske imperije i vrlo teškom ekonomskom situacijom kroz koju su prošli devedesetih godina XX veka. I danas, kao i u sovjetsko vreme, glavnu pogonsku snagu čini odbrambeni sektor. Ali, umesto nekadašnjih dekreta iz Kremlja, sada je tržište faktor koji rešava sudbinu nekog proizvoda. Koliko god da je zabeležen znatan napredak, tehnološki jaz je i dalje evidentan i svakako je prevaga i dalje na strani Amerikanaca. Međutim, razlika je danas mnogo manja u odnosu na pre desetak godina.

Igor. S. RUŽIĆ