История архитектуры VLIW: как советский «Эльбрус» повлиял на Intel Itanium

Тема: История архитектуры VLIW и суперкомпьютеров «Эльбрус» · Советские разработки и их влияние на западные процессоры

Кратко

В статье рассказывается о созданной в СССР под руководством Бориса Бабаяна архитектуре VLIW и суперкомпьютерах «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». Эти машины при меньшей тактовой частоте обгоняли американские Cray в реальных задачах. После развала СССР идеи «явного параллелизма» были использованы Intel в Itanium, а в 2004 году Intel поглотила структуру Бабаяна.

Главное

  • Архитектура VLIW упаковывает несколько операций в одну сверхкоманду, а распараллеливанием занимается компилятор.
  • «Эльбрус» стал первым в мире серийным суперскалярным компьютером.
  • При меньшей частоте «Эльбрусы» обгоняли Cray в расчётах траекторий ракет и прогнозе погоды.
  • Идеи «явного параллелизма» EPIC легли в основу процессора Intel Itanium.
  • Массовому производству помешали сложность компилятора и отсутствие потребительского рынка в СССР.
  • В 2004 году Intel поглотила структуру Бабаяна, а российские чипы «Эльбрус» производятся на TSMC.

История архитектуры VLIW (Very Long Instruction Word — «очень длинная машинная команда») — это пример того, как советская математическая школа попыталась обойти западные технологии не за счет частоты процессора (которую не позволяли заводы), а за счет «интеллекта» самой архитектуры.

1. Суть изобретения: Параллелизм «в лоб»

В обычном процессоре (архитектура RISC или CISC) команды выполняются по очереди. Если процессору нужно сложить два числа и одновременно умножить два других, он тратит на это два такта.

В архитектуре VLIW, разработанной в СССР под руководством Бориса Бабаяна (институт ИТМиВТ), подход был другой:

- Множество простых операций (сложение, деление, переход) упаковываются в одну гигантскую «сверхкоманду».

Планирование на этапе компиляции:

- Главная «фишка» - процессору не нужно самому думать, как распараллелить задачи (это экономит транзисторы и энергию). За него это делает программа-компилятор еще на этапе написания кода.

2. Советский триумф: «Эльбрус»

В 1970-х и 80-х годах были созданы суперкомпьютеры «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». Они использовали принципы «явного параллелизма».

При гораздо меньшей тактовой частоте (из-за отставания советских заводов в нанометрах), «Эльбрусы» в реальных задачах (расчет траекторий ракет, прогноз погоды) обгоняли американские суперкомпьютеры Cray.

«Эльбрус» стал первым в мире серийным компьютером с суперскалярной архитектурой (способность выполнять более одной операции за такт), опередив западные аналоги на несколько лет.

3. Как технология «утекла» на Запад

В начале 1990-х годов, после развала СССР, коллектив Бабаяна остался без госзаказов. В 1992 году они создали компанию и начали сотрудничать с западными гигантами.

В середине 90-х Intel активно нанимала инженеров «Эльбруса». Борис Бабаян позже стал первым европейцем, получившим звание Intel Fellow (высший технический ранг в компании).

Идеи «явного параллелизма» (EPIC), реализованные в амбициозном (хотя и не самом удачном коммерчески) процессоре Itanium, во многом базировались на наработках «Эльбруса».

Трансмета (Transmeta): Еще один проект на Западе, который пытался внедрить VLIW в персональные компьютеры, также использовал опыт советских специалистов.

4. Почему СССР не смог сделать это массовым?

Несмотря на гениальную архитектуру, «Эльбрус» столкнулся с двумя проблемами:

Сложность компилятора: Чтобы VLIW работал быстро, нужен был невероятно сложный софт, который «разрезает» задачи на параллельные потоки. В СССР программистов такого уровня было мало, а вычислительных мощностей для самой компиляции не хватало.

Отсутствие потребительского рынка: «Эльбрусы» были уникальными машинами для военных и ученых. В СССР не было индустрии видеоигр или графического дизайна, которая бы потребовала массового производства таких мощных процессоров для обычных людей.

5. Итог: Закупки Intel

В 2004 году корпорация Intel окончательно поглотила структуру Бабаяна, выкупив патенты и наняв сотни инженеров. Россия же осталась с брендом «Эльбрус» (компания МЦСТ), который продолжает развивать VLIW-архитектуру, но производить сами чипы приходится на зарубежных фабриках (например, TSMC на Тайване), так как своих заводов нужного уровня в стране так и не появилось.

Фрагменты

VLIW (Very Long Instruction Word) — архитектура, в которой множество простых операций упаковываются в одну гигантскую «сверхкоманду», а планирование параллелизма выполняет компилятор.

В обычном процессоре команды выполняются по очереди, и на сложение и умножение уходит два такта. В VLIW несколько операций выполняются за один такт, что экономит транзисторы и энергию.

При гораздо меньшей тактовой частоте «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2» в реальных задачах — расчёте траекторий ракет, прогнозе погоды — обгоняли американские суперкомпьютеры Cray.

«Эльбрус» стал первым в мире серийным компьютером с суперскалярной архитектурой, опередив западные аналоги на несколько лет.

Массовому производству «Эльбруса» помешали сложность компилятора, требовавшего мощных вычислений для параллелизации, и отсутствие в СССР потребительского рынка, такого как видеоигры или графический дизайн.

После развала СССР коллектив Бабаяна остался без госзаказов, в 1992 году создал компанию и начал сотрудничать с западными гигантами; Intel нанимала инженеров «Эльбруса», а идеи EPIC легли в основу Itanium.

В 2004 году Intel поглотила структуру Бабаяна, выкупив патенты и наняв сотни инженеров. Российская МЦСТ продолжает развивать VLIW, но чипы производятся на зарубежных фабриках, например на TSMC.

Вопросы и ответы

Что такое VLIW?
VLIW — архитектура с «очень длинной машинной командой»: несколько простых операций упаковываются в одну сверхкоманду, а распараллеливанием занимается компилятор.
Почему «Эльбрус» обгонял Cray, если его тактовая частота была ниже?
В VLIW процессор выполняет несколько операций за такт, а планирование происходит на этапе компиляции, поэтому «Эльбрус» выигрывал в реальных задачах, несмотря на меньшее число тактов.
Как идеи «Эльбруса» попали в Intel?
В 1990-х Intel нанимала инженеров «Эльбруса», а идеи «явного параллелизма» (EPIC) легли в основу процессора Itanium.
Почему СССР не наладил массовое производство «Эльбрусов»?
Из-за сложности компилятора и отсутствия потребительского рынка, который требовал бы такие процессоры для массовых пользователей.

Комментарии

  1. «За него это делает программа-компилятор еще на этапе написания кода.» - Немного неудачно, наверное подразумевалось, что на этапе написания кода, понимая различия в компиляции (как это сделает компилятор). Тоже сходу получается невнятно. Да и "экономит транзисторы" - :)

  2. В принципе - согласен :)

  3. Вопрос про Transmeta: неужели без опыта советских специалистов VLIW-подход для PC вообще не взлетел бы - или это просто совпадение сроков?

  4. Предположу, что это обычная практика США "охоты за мозгами" - такой вариант выгоден и по средствам и по срокам. Проверить как бы шло - не можем.

  5. эльбрусы с недавних пор в РФ делают и успешно

  6. В Зеленограде работает линия на 60 нм, для С-400 и С-500 этого достаточно. А итаниум и трансмета помре.

  7. Вот только об С-400 и С-500, похоже, у Вас представления основанные на российской аналоговнетной пропаганде. К сожалению, и это показала практика войны - обмануть можно только себя. То что это туфта, мы показывали надолго до войны...

  8. У меня представления человека, имеющего отношение к проекту, а у Вас только СМИ и данные третьих лиц, к проекту отношения не имеющих. Примите к сведению. Ваша уверенность ни на чём не основана, кроме собственной убеждённости. Это обесценивает и Ваши выводы по истории. Практика войны в отношении "Эльбруса" и "Байкала" не показала ничего, что Вам могло бы стать известным, открыто никакие данные не публиковались.

  9. Стандартные, сразу ДВЕ, Ошибки Логики.

  10. К сожалению, современные военные требования на порядки выше, чем может обеспечить российская технологическая возможность. А название - уже вообще ни о чем не говорит.