Рабочая станция с конвекционным охлаждением на базе процессора «Эльбрус-4С»

Введение

Вопрос о необходимости импортозамещения в нашей стране встал особенно остро после введения в отношении России экономических санкций в 2014 году, резкого падения курса рубля по отношению к мировым валютам, по ряду других экономических причин, и, что является самым важным для производителей промышленных компьютеров, – после ограничения трансфера технологий. Данная ситуация вынудила экономику России мобилизовать все имеющиеся внутренние возможности для минимизации потерь и снижению рисков, связанных с зависимостью от иностранных производителей высокотехнологичных продуктов, в том числе ЦПУ. Основными игроками на рынке отечественных процессоров сейчас выступают две компании – «МЦСТ» с семейством процессоров «Эльбрус» и «Байкал Электроникс» с процессором «Байкал».
На текущий момент наличие аппаратных и программных средств, обеспечивающих информационную безопасность, выходит на первый план не только в системах АСУ ТП, но и в других сферах ИТ, что делает российские процессоры всё более востребованными на рынке.

Краткое описание архитектуры «Эльбрус» и её отличия от x86

Предварительно стоит отметить, что архитектура «Эльбрус» – это полностью оригинальная российская разработка. Её ключевыми чертами являются энергоэффективность и высокая производительность, достигаемые при помощи параллелизма операций.
Начнём с небольшого экскурса в историю создания архитектуры. Работы над архитектурой «Эльбрус» ведутся, начиная с 1986 года, в Институте точной механики и вычислительной техники (ИМТ и ВТ) им. С.А. Лебедева.
В 1991 году завершилась разработка вычислительного комплекса «Эльбрус-3», которая выполнялась под руководством Б.А. Бабаяна. Именно в «Эльбрус-3» впервые были реализованы идеи явного управления параллелизмом операций с помощью компилятора, которые и служат основой отличий архитектуры «Эльбрус» от архитектуры x86 [1]. Опытный образец «Эльбрус-3» прошёл испытания, но в серийное производство так и не был запущен. Спустя 6 лет уже инженеры компании «МЦСТ» пытались воплотить в жизнь идеи «Эльбрус-3» в новом процессоре «Эльбрус-2000», который теоретически мог стать конкурентом анонсированного процессора Intel Itanium. Однако массовое производство «Эльбрус-2000» так и не было запущено из-за отсутствия финансирования. Лишь в 2005 году возобновилась работа над архитектурой «Эльбрус», основанной на микроархитектуре VLIW (Very Long Instruction Word – очень длинная машинная команда). Уже в 2007 году был представлен процессор «Эльбрус». Следующим этапом развития архитектуры стала SoC (система на кристалле) «Эльбрус-S», вышедшая в 2010 году. Дополнением к «Эльбрус-S» стал контроллер периферийных устройств, который обеспечил поддержку различных общепринятых и промышленных интерфейсов. Далее процессоры выходили с завидной регулярностью и, наконец, в апреле 2014 года компания «МЦСТ» представила «Эльбрус-4С» с 4 ядрами, один из героев этой статьи. Продолжая увеличивать производительность своих процессоров, компания «МЦСТ» запустила «Эльбрус-8C» в массовое производство в 2016 году.


В табл. 1 приведены технические характеристики процессоров.
Ключевым отличием архитектуры «Эльбрус» от привычных x86 процессоров является возможность эффективного управления ресурсами процессора на микропрограммном уровне посредством специальных инструкций, добавляемых компилятором в программный код.
Для обеспечения высокой производительности, кроме увеличения тактовой частоты, все современные процессоры используют одновременное (параллельное) выполнение инструкций, так как параллельный код присутствует во всех без исключения классах программ. Самым распространённым является суперскалярный принцип распараллеливания операций.
В архитектурах, использующих этот принцип, и, в частности, в процессорах х86, последовательный код, полученный после компиляции программ, распараллеливается на аппаратном уровне. Для этого используются специальные функциональные блоки процессора, которые прогнозируют, планируют и диспетчеризируют выполнение инструкций.
В отличие от процессоров х86 в процессоре «Эльбрус» реализованы только те функции, которые необходимы для обеспечения выполнения кода, подготовленного оптимизирующим компилятором. Это позволяет, с одной стороны, убрать с кристалла некоторые необходимые для суперскалярной архитектуры компоненты, что уменьшает тепловыделение, упрощает конструкцию процессора и технологию его изготовления, а также повысить производительность путём наращивания вычислительных компонентов. С другой стороны, код, подготовленный оптимизирующий компилятором, позволяет достичь высокой производительности и защищённого исполнения программ (рис 1).

Производительность и функциональность программного компилятора значительно превосходят показатели аппаратного планировщика. Более того, он постоянно совершенствуется. В нём могут применяться самые современные алгоритмы анализа и оптимизации. Тем самым удаётся сокращать время выполнения операций до длин критических путей в регионах с ограниченным параллелизмом и достигать предельной загрузки аппаратных ресурсов в регионах с большим параллелизмом.

Рабочая станция с конвекционным охлаждением

Компания «Адвантикс» занимается производством российских промышленных компьютеров и серверов с 2006 года и также следует общим трендам рынка на импортозамещение. В настоящее время вектор развития продуктовой линейки направлен на максимально возможное применение отечественных компонентов и корпусов. Так, во многих компьютерах AdvantiX уже используются корпуса, произведённые на территории РФ, в число таких моделей входят компактные встраиваемые системы – ER-3100, ER-4100, мультимониторные безвентиляторные рабочие станции операторов – ER-DS200 и другие (рис. 2).


Подробнее о ходе разработки промышленных компьютеров AdvantiX в целом и о ER-DS200 в частности можно узнать из статьи [2]. В результате проведённых разработок в конце 2018 года вышла в свет новая линейка производительных и компактных промышленных компьютеров на основе семейства микропроцессоров «Эльбрус». Тесное сотрудничество технических специалистов компаний «Адвантикс» и «МЦСТ» позволило провести разработку линейки и наладить серийное производство компьютеров в кратчайшие сроки.
Сигналом к началу разработки послужил резко возросший в рамках новых экономических санкций интерес самых различных клиентов к компьютерам на базе отечественных процессоров, в числе которых и «Эльбрус». Первым компьютером новой линейки стал ВКП-Б2/ЭЛ4С, основанный на материнской плате с центральным процессором «Эльбрус-4С» (1891ВМ8Я). Особенностью данной модели является то, что охлаждение системы осуществляется конвекционным методом, то есть с помощью системы тепловых трубок и радиаторов, которые отводят тепло, выделяемое процессором и другими греющимися элементами на плате. Таким образом, ВКП-Б2/ЭЛ4С является полностью безвентиляторным компьютером, что делает его уникальным решением на рынке. Такой компьютер создан специально для ответственных применений и не нуждается в обслуживании – он готов работать на объектах заказчика в режиме 24/7. Компьютер выполнен в форм-факторе 2U для установки в 19ʺ стойку и поставляется уже с установленными креплениями для стойки. При разработке корпуса и пассивной системы охлаждения использовались только отечественные компоненты. Корпус разработан и изготавливается по заказу компании «Адвантикс» у её партнёров в Москве. Термоблоки, радиаторы и теплопроводящие трубки также изготавливаются на территории РФ отечественными производителями. Максимальное использование отечественных элементов в изделии позволяет называть компьютер ВКП-Б2/ЭЛ4С максимально импортозамещённым в текущей линейке промышленных компьютеров AdvantiX (рис. 3).


  Процессор «Эльбрус-4С», несмотря на относительно невысокую тактовую частоту, для многих задач обеспечивает производительность, сопоставимую с показателями ведущих зарубежных процессоров. В нём реализована аппаратная поддержка для двоичной трансляции кодов Intel/AMD в многопоточном режиме. Этот метод позволяет при необходимости запускать машинный код х86 на микропроцессорах «Эльбрус» в режиме бинарной трансляции.
Компьютер ВКП-Б2/ЭЛ4С получил маркетинговое имя «Брусника», и в дальнейшем будет использоваться и такое его наименование как более благозвучное. Компьютер «Брусника» оснащён процессором «Эльбрус-4С» 1891ВМ8Я с 4 ядрами, работающими на тактовой частоте 800 МГц. В качестве набора системной логики выступает микросхема КПИ 1991ВГ1Я, также разработанная и произведённая компанией «МЦСТ». Компьютер может быть оснащён оперативной памятью от 4 до 96 Гбайт благодаря трём слотам, предназначенным для регистровой памяти DDR3-1600 ECC. Для хранения данных «Брусника» может включать mSATA-модуль ёмкостью от 32 до 512 Гбайт и имеет 3 SATA-порта, выведенных на плату. Видеоданные обрабатываются с помощью обеспечиваю-щей разрешение вплоть до 1920×1080 встроенной видеокарты Silicon Motion SM718 с 16 Мбайт памяти, которая работает на PCI-шине.
В качестве слотов расширения в ВКП-Б2/ЭЛ4С присутствуют 2×PCI и 1×PCIe x16, в случае использования видеокарты в этом слоте расширения потребуется доработка корпуса и дополнительно установка радиатора. Компьютер оснащён также и сетевым контроллером Ethernet 10/100/1000, обеспечивающим работу LAN-порта (RJ-45). Порты ввода-вывода представ-лены 4×USB 2.0, 1×DVI-I, который поддерживает сигнал VGA с помощью пе­реходника, и 1×COM-портом (RS-232). Помимо этого возможно получить и второй COM-порт (RS-232), если вывести его с коннектора на материнской плате. Компьютер эффективно работает при температурах +5…+50°С, что подтверждено испытаниями, проведёнными в аттестованной термокамере компании «Адвантикс» (рис. 4).


Диапазон температур хранения для «Брусники» составляет –20…+60°С.
Неотъемлемой частью многих систем управления является операционная система жёсткого реального времени, что также служит дополнительным плюсом новой разработки. Компьютер поставляется в комплекте с операционной системой «Эльбрус», созданной специалистами компании «МЦСТ», а также поддерживает защищённую операционную систему реального времени «Нейтрино-Э». Операционные системы Windows XP и Astra Linux Special Edition поддерживаются в режиме бинарной трансляции.
Отдельно стоит отметить и питание компьютера «Брусника»: по умолчанию он оснащается вводом питания 220 В переменного тока, но возможно перевести его на питание от постоянного тока. При этом разъём питания защищён от случайного отключения кабеля с помощью технологии V-lock (рис. 5), которая позволяет зафиксировать кабель питания в разъёме. После такой фиксации кабель можно вытащить, только зажав соответствующую кнопку фиксатора на самом кабеле.

Обзор линейки

Естественным продолжением линейки являются и две следующие новинки – вентиляторные компьютеры ВКП-В2/ЭЛ4С и ВКП-В2/ЭЛ8С, оснащённые процессорами «Эльбрус-4С» и «Эльбрус-8С1» соответственно. Срав-нительную характеристику и историю развития семейства процессоров «Эльбрус» мы уже приводили. Теперь более подробно рассмотрим некоторые технические особенности компьютеров, созданных на основе данных процессоров.



Для унификации новой линейки компьютеров эти модели выполнены в одинаковых корпусах разработки компании «Адвантикс» (рис. 6). Это корпус в форм-факторе 2U для 19ʺ стойки. Оба компьютера предназначены для эксплуатации в промышленных условиях в режиме 24/7, поэтому вентиляторы могут быть заменены через переднюю панель без необходимости вынимать компьютер из стойки. Для ограничения доступа к лицевой панели сотрудников или посторонних лиц, не имеющих допуска, используется замок с ключом, что позволяет не использовать специальный шкаф с внешним зам­ком, а ограничиться обычной открытой стойкой. Обе модели оснащаются по умолчанию одиночными блоками питания мощностью 400 или 700 Вт.
Опционально доступен резервированный блок питания 450 Вт, что позволяет дополнительно увеличить надёжность данного решения. Оба компьютера могут использоваться при температурах +5…+40°С, а диапазон температур хранения составляет –20…+60°С.
Рассмотрим подробнее ВКП-В2/ЭЛ4С. Как указывалось, его «мозгом» является процессор «Эльбрус-4С» 1891ВМ8Я, аналогичный процессору в «Бруснике». На нём используется тот же набор системной логики – микросхема КПИ 1991ВГ1Я. В компьютер возможна установка от 4 до 96 Гбайт регистровой оперативной памяти с функцией ECC в 3 слота DDR3-1600. Помимо встроенной видеокарты Silicon Motion SM718 в компьютер может быть установлена и 3D-видеокарта из семейства AMD Radeon на шине PCIe.
В качестве слотов расширения присутствуют 1×PCIe x16 половинной высоты, 2×PCI половинной высоты. Для хранения данных доступны слоты 1×3,5ʺ/2,5ʺ, расположенные внутри корпуса, и 2×5,25ʺ с доступом снаружи. Дополнительно возможно использование слота mSATA на материнской плате. Порты ввода-вывода аналогичны таковым у «Брусники». Отличием является только наличие дополнительных двух портов USB 2.0 на передней панели устройства.
ВКП-В2/ЭЛ8С представляет больший интерес как более новый и более производительный промышленный компьютер. Процессором в нём выступает «Эльбрус-8С1» 1891ВМ028 с 8 ядрами и тактовой частотой 1300 МГц. Набор системной логики представлен здесь микросхемой КПИ-2 1991ВГ2Я. В 4 слота DDR3-1600 возможна установка от 4 до 64 Гбайт регистровой оперативной памяти с функцией ECC. Обработку видеоданных осуществляет устанавливаемая на шину PCIe 3D-видеокарта из семейства AMD Radeon, поддерживающая от 3 до 5 видеовыходов.
Слоты расширения в ВКП-В2/ЭЛ8С представлены 2×PCIe x16 половинной высоты, один из которых уже занят видеокартой, 1×PCIe x4 половинной высоты и полноразмерным слотом PCI. Дисковую подсистему можно организовать с помощью 8 выходов SATA на материнской плате, а установить накопители можно в корзину на 3 или 4 HDD/SSD.
Компьютер оснащён 3 контроллерами Ethernet, что даёт пользователю возможность использовать 3 порта RJ-45. Опционально количество портов RJ-45 может быть увеличено до 4–8 с помощью установки дополнительных сетевых контроллеров.
Для подключения к компьютеру периферийных устройств доступны 6×USB 2.0 на задней панели, 2×USB 2.0 на передней панели и 1×COM-порт (RS-232). Видеовыходы могут быть представлены в виде DVI-I, VGA или HDMI, в зависимости от задач заказчика и выбранной соответственно им видеокарты.
Подробные технические характеристики вентиляторных решений на базе процессоров «Эльбрус» представлены в табл. 2.

Дальнейшие планы

Новая линейка компьютеров AdvantiX на базе отечественных процессоров семейства «Эльбрус», без сомнения, является доверенной отечественной вычислительной техникой: все её ключевые компоненты, как программные, так и аппаратные, разработаны силами специалистов российской компании. Новинки по достоинству оценят структуры, которым необходима аппаратная платформа, позволяющая уверенно работать с ценной информацией, подлежащей надёжному хранению и защите.
Заказчиками компьютера станут государственные корпорации, транспортные компании, организации оборонного комплекса, а также системные интеграторы, реализующие программу импортозамещения в сфере промышленной автоматизации для своих клиентов. Линейка выпускаемой продукции непрерывно совершенствуется и расширяется.
В настоящее время в разработке находится высокопроизводительная безвентиляторная рабочая станция оператора с системой конвекционного охлаждения на базе процессора «Эльбрус-8С1». Такое изделие позволит без проблем использовать ресурсоёмкие приложения, которые часто бывают востребованы на рынке промышленной автоматизации. ● 

Литература

1. Краткое описание архитектуры «Эльбрус» [Электронный ресурс] // Режим доступа : http://elbrus.ru/elbrus_arch.
2. Дронов С. Импортозамещение в промышленных компьютерах: локализация и ко-
операция на примере AdvantiX ER-DS200 // Современные технологии автоматиза-ции. – 2016. – № 4.

Авторы – сотрудники фирмы «Адвантикс»
Телефон: (495) 232-1693
E-mail: info@advatix-pc.ru