ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 84, № 11, с. 1010-1016
ОБОЗРЕНИЕ
Б01: 10.7868/80869587314110036
В Научно-исследовательском институте системных исследований РАН реализуется комплексный подход к импортозамещению элементов высокопроизводительных вычислительных систем, в том числе космического назначения. В публикуемой статье рассказывается о результатах этой работы.
ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
С.Г. Бобков
Предупреждения специалистов о том, что необходимо развивать собственную элементную базу вычислительных систем ответственного применения [1], оказались правильными. Причин несколько:
• современный уровень сложности микросхем (сотни миллионов и миллиарды транзисторов) даёт возможность реализовывать различного рода неспецифицированные функции, нарушающие выполнение программ;
• в силу своей сложности такие системы не могут не содержать ошибок, следовательно, нужны механизмы, позволяющие исключить их проявление в случае ответственных применений, а это зачастую невозможно, если не иметь полной информации;
• не владея предметной областью, нельзя выполнить прорывные работы, обеспечивающие решение важнейших государственных задач;
• зависимость от поставок комплектующих в случае резкого обострения международных отношений может привести к остановке работы базовых предприятий;
• коммерческие комплектующие имеют ограниченный срок жизни; как правило, они меняются каждые три года, что не позволяет поддержи-
БОБКОВ Сергей Геннадьевич — доктор технических наук, заместитель директора Научно-исследовательского института системных исследований РАН (НИИСИ РАН). bobkov@cs.niisi.ras.ru
вать выпуск и обслуживание различных промышленных изделий.
В СССР вычислительные средства создавались в основном на отечественной элементной базе. Между тем научная деятельность предполагает использование общемировых достижений, причём потенциал объединения научных ресурсов огромен. Примером успешного проекта рабочих станций в СССР с использованием западных технологий являются исследования сотрудников НИИСИ РАН. С конца 1980-х годов рабочая станция БЕСТА на базе микропроцессоров МС68020 и МС68030 обеспечивала развитие ряда областей народного хозяйства. Функционировали системы проектирования в машиностроении, системы справочных, телефонных и пожарных служб, научные системы и системы обучения, специальные системы и пр. Совместно с Научно-исследовательским институтом точной технологии (НИИТТ, г. Зеленоград) и Институтом автоматизации проектирования РАН (ИАП РАН) создавался функционально подобный комплект отечественных микросхем.
Современная Россия не располагает возможностями Советского Союза. Тем не менее в последнее время на развитие российской микроэлектронной элементной базы стали выделяться значительные средства. Однако работы Мин-промторга РФ, заявки на создание элементной базы свидетельствуют, что мы пытаемся объять необъятное и одновременно уподобляемся герою басни И.А. Крылова "Тришкин кафтан", то есть, решая одну проблему, создаём другую. Учитывая ограниченность ресурсов, следует, с моей точки зрения, выделить базовые микросхемы, унифицировать их на уровне интерфейсов и организовать создание таких микросхем и комплексов на их основе в рамках комплексных целевых программ (КЦП) силами предприятий, обладающих значительным опытом. Важно, что конечной це-
лью должны быть системы, а не абстрактные микросхемы. Для этого не нужны конкурсы в том виде, в котором они проводятся сейчас. Как может работать рыночный механизм без наличия собственной базы? Для рынка экономически целесообразно закупать или западные микросхемы, или СФ-блоки и на их основе создавать необходимые системы, тем самым удовлетворяя текущие потребности. Но покупать можно при условии, что дальше мы будем развиваться своими силами, однако без наличия опыта в данной области проектирования это невозможно.
Как же в дальнейшем перейти на рыночные механизмы? Первое: государство должно убедиться, что возникли соответствующие условия. Второе: в рамках КЦП необходимо предусмотреть участие в них не только ведущей компании, возглавившей работы, но и нескольких других компаний и вузов, осуществляющих подготовку соответствующих специалистов, что повлечёт за собой здоровую конкуренцию. Примером успешного сотрудничества с вузами является взаимодействие НИИСИ РАН с Национальным ядерным университетом МИФИ и Московского центра СПАРТАК-технологий (МЦСТ) с Физтехом. Кроме того, необходимо обеспечить возможность выхода компаний на рынок других стран с изделиями, созданными в рамках КЦП, для чего следует предусмотреть налоговые льготы, низкие кредиты и пр.
Рассмотрим работы НИИСИ РАН по импор-тозамещению и унификации элементной базы.
Институт поддерживает два основных направления: изготовление высокопроизводительных микропроцессоров и вычислительных систем на их основе и высоконадёжных микросхем и компьютеров космического применения. Микросхемы выпускаются по КМОП-технологии 65— 350 нм для первой области и по технологии КНИ 250—500 нм для систем второго направления. Микросхемы второго направления отличаются самыми высокими в России характеристиками радиационной стойкости для микросхем такой сложности с технологическими нормами 0.25—0.5 КНИ. Все микросхемы второго направления изготавливаются на собственном технологическом комплексе 1Х1, технологические процессы разработаны сотрудниками НИИСИ РАН, что объясняет достигнутые характеристики радиационной стойкости. В микросхемах первого направления тоже используется комплекс конструктивных, схемотехнических, алгоритмических и аппаратно-программных приёмов, позволяющих повысить надёжность вычислительных систем до 10 раз и осуществлять контролируемое выполнение программ.
Первый 32-разрядный RISC-процессор со встроенным сопроцессором плавающей арифметики разработан в НИИСИ РАН в 1998 г. (1890ВМ1Т),
Рис. 1. Модуль универсального процессора
первый 64-разрядный суперскалярный RISC-процессор - в 2008 г. (1890ВМ5Ф). В 2011 г. закончена разработка универсального микропроцессора 1890ВМ6Я и процессора обработки сигналов 1890ВМ7Я с технологическими нормами 180 нм. Фактически это системы на кристалле со встроенными сетевыми и коммуникационными каналами для создания супер-ЭВМ промышленного назначения. В результате работы по оптимизации микропроцессора 1890ВМ7Я достигнута производительность 8 Гфлопс на частоте функционирования 200 МГц. При выполнении реальных задач обработки сигналов получена производительность 70-90% пиковой, что является рекордным показателем. Производительность микропроцессора в 3 раза больше, чем 600 МГц специализированного процессора обработки сигналов TigerSHARC ADSP-TS201S.
С использованием данных микросхем создан комплект вычислительных модулей (рис. 1) и систем (рис. 2). На процессорном модуле (см. рис. 1)
Входные данные -I оптические линии ВСК
Прибор 3-ЦОС Количество приборов -
преобразование
оптических
линий в электрические
сигналы,
маршрутизация потоков
Суммарное количество микропроцессоров в системе:
Л
Последовательный RapidIO
Прибор 1-ЦОС Количество приборов 20 шт.
Л
Ethernet
Прибор 2-ЦОС
Количество приборов 2 шт.
первичная обработка информации
вторичная обработка информации
1890ВМ6Я -
1890ВМ7Я -
ОЗУ -
Пиковая производительность -
60 шт. 360 шт. 390 Гбайт
3.1 Тфлопс
Рис. 2. Пример вычислительной системы, созданной на базе микропроцессоров 1890ВМ6Я и 1890ВМ7Я
4
установлен мезонинный модуль PMC для расширения функциональных возможностей. Второе место PMC/RMC свободно, в него может быть установлен, например, мезонин с дополнительным микропроцессором. Микропроцессоры связываются между собой по коммуникационным каналам RapidIO с производительностью 1 Гбайт/с на канал. На разъём системной шины модуля выходят четыре канала RapidIO. Каналы используются для создания вычислительных кластеров.
32-разрядные микропроцессоры "Комдив" имеют 5- и 8-стадийный конвейер, 64-разрядные — 7-стадийный и совместимы снизу вверх. Каждый следующий микропроцессор является развитием предыдущего. Микропроцессоры отличаются прежде всего:
• количеством реализованных дополнительных функций и команд;
• поддержкой новых возможностей, добавленных в новые версии спецификаций MIPS-архи-тектур;
• дополнительными специализированными сопроцессорами;
• наличием дублированных/троированных узлов;
• использованием библиотек с повышенной стойкостью.
Для достижения максимальных частот функционирования во всех микропроцессорах используется заказное проектирование наиболее критичных по быстродействию узлов. Заказные узлы имеют единую базовую схемотехнику.
Микропроцессоры совместимы на уровне пользовательских программ, что позволяет применять для тестирования моделей микропроцессоров тестовые последовательности, созданные ранее, и тем самым снижать вероятность ошибок в последующих проектах. Кроме того, совместимость микропроцессоров на уровне пользовательских программ значительно снижает затраты на разработку программного обеспечения при переходе на более производительные модели микропроцессоров.
В качестве базовых выбраны следующие интерфейсы.
1. LP-Serial RapidIO — коммуникационные каналы для создания многопроцессорных высокопроизводительных систем вплоть до супер-ЭВМ.
2. LP-LVDS RapidIO — коммуникационные каналы ограниченного применения для поддержки ранее выпускавшихся компьютеров "Багет".
3. SpaceWire — коммуникационные каналы космических систем.
4. Интерфейс по ГОСТ Р 52070-2003 (Манчестер) — для подключения датчиков, обмена в космических системах и пр.
5. SATA — для подключения накопителей.
6. USB — для подключения медленных устройств и накопителей.
7. PCIe и PCI — для расширения функциональных возможностей модулей.
8. VME — системная шина ограниченного применения для поддержки компьютеров "Багет".
9. Ethernet — сетевые каналы для связи с различного типа компьютерами, инструментальными системами, создания системы контроля и тестирования высокопроизводительных многопроцессорных комплексов и пр.
10. RS232/485 — последовательный канал для медленных устройств.
11. SPI — подключение медленн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.