12.04.2018 , Игорь Осколков

Они существуют! К нам на тест попала первая публично доступная версия оценочной платы или, как её называют сами создатели, программно-аппаратного комплекса для разработчиков BFK 3.1 с SoC отечественной разработки «Байкал-Т1» на базе архитектуры MIPS P5600 Warrior

Первым делом стоит подчеркнуть, что BFK 3.1 — это программно-аппаратный комплекс (но по привычке будем называть его просто платой) для разработчиков, а не основа для построения конечных продуктов. Никто в здравом уме не будет использовать её, грубо говоря, для сборки системы. Во-первых, получится неоправданно дорого. Во-вторых, затея эта довольно бессмысленна. Нет, плата нужна для разработки и отладки программного обеспечения, ну и для оценки производительности самого процессора и совместимости его с другим оборудованием. Сравнивать её с одноплатными микрокомпьютерами вроде Raspberry Pi или Cubieboard тоже некорректно, хотя формально она к ним близка.

Плата BFK 3.1

Аналогичные инструменты разработки предлагают и другие создатели процессоров. В зависимости от типа и оснащения они могут стоить от сотни-другой до тысяч и тысяч долларов. Важно то, что это первая плата с процессором Baikal-T1, которая доступна уже не узкому кругу лиц и организаций, как было раньше, а практически всем. Да, стоит она немало — 40 тысяч рублей . Дорого, но меньшую цену с учётом относительно небольшого объёма производства компания пока предложить не может. Кроме того, покупатели после регистрации продукта получит доступ к закрытой библиотеке инженерной документации. Также они получат схемотехнический проект платы в формате Altium Designer, что существенно ускорит и упростит процесс создания собственных программно-аппаратных решений на базе плат BFK 3.1 и процессоров «Байкал-Т1».

Плата «Байкал» BFK 3.1

Собственно плата оснащена процессором с базовой обвязкой. Почти все интерфейсы процессора выведены на плату. Не хватает разве что порта 10GbE. Сама плата имеет размеры 229 × 191 мм (FlexATX). На ней присутствуют два порта SATA-3 (контроллер версии 3.1), один разъём SO-DIMM для модуля памяти DDR3-1600, два гигабитных порта Ethernet RJ-45, один разъём USB 2.0 Type A, два USB-порта Mini-B (нужны для отладки), один разъём PCI-E 3.0 x4. Есть 40-контактная гребёнка выводов GPIO (основной контроллер 32-битный).

Для питания нужен любой блок питания ATX 2.0 мощностью от 200 ватт. Это значение явно дано с запасом, даже с учётом потребления устройств PCI-E и SATA. На плате есть отдельные кнопки для включения/отключения и сброса питания. Процесс запуска системы предельно прост : устанавливаем модуль памяти, подключаем БП, соединяем ПК с верхним портом mini-USB, запускаем любимый эмулятор терминала с поддержкой COM-портов (может понадобиться драйвер для самого моста). Ну и всё, жмём кнопку ON и выбираем в меню загрузчика нужный пункт.

На плате есть два модуля NOR-памяти объёмом 16 и 32 Мбайт. Первый из них загрузочный, в нём находится собственно прошивка. Тут всё стандартно : U-Boot + Linux-ядро + минимальный образ с BusyBox. Также возможна загрузка по сети с сервера NFS или TFTP. Для встраиваемых систем этого достаточно. В этом случае конечный продукт — это относительно компактная плата с уже напаянными RAM и ROM нужного объёма и заранее подготовленная и оптимизированная под конкретный спектр задач программное окружение. Для примера можно посмотреть на те же домашние роутеры.

Второй вариант работы с платой — запуск полноценной ОС. Именно им и воспользуемся для тестов. Разработчики предлагают слегка модифицированный вариант Debian 9 с ядром из SDK. Обратите внимание, что сами они не занимаются пересборкой всего софта. Используются готовые репозитории mipsel-ветки Debian, так что оптимизаций под конкретно этот процессор нет. Впрочем, есть ещё и сборки Special Edition для устройств «Таволга Терминал» 2BT1 , в которых установлен тот же процессор «Байкал-Т1». Но их, увы, никто в открытый доступ не выкладывает. Также ожидается поддержка Alt Linux и Buildroot и есть возможность запуска OpenWRT/LEDE.

Для запуска Debian необходимо взять образы ядра, прошивки и ramdisk из SDK. В сам SDK также входят вспомогательные инструменты для кросс-компиляции, скрипты для сборки ROM-образа и подготовленная ВМ для QEMU, где можно предварительно отладить свои программы. Работу с Debian 9 на BFK 3.1 пока что нельзя назвать идеально гладкой: после установки придётся покопаться с настройками и доустановить часть ПО, но особых проблем с этим нет. Жаль только, что полноценной документации к плате пока также не существует: кое-что придётся выяснять опытным путём или спрашивать напрямую у разработчиков.

Для тестов к плате были подключены древний по нынешним меркам накопитель Kingston SSDNow V для ОС и модуль памяти DDR3L-1600 ёмкостью 4 Гбайт производства Samsung. Однако для знакомства с возможностями процессора этого хватит. Есть ещё один нюанс — из-за особенностей контроллера видна не вся память, что есть в модуле SO-DIMM. Другой важный момент касается базовой сборки тестовых программ из исходных кодов: всё это проделывалось непосредственно на BFK 3.1. Там, где это необходимо, указаны ключи компилятора.

Процесс сборки, надо сказать, не всегда безболезненный. Где-то пришлось покопаться с параметрами оптимизации, чтобы достичь лучшего результата. Что-то успешно собиралось, но при исполнении падало или вело себя некорректно. Временами вообще возникало ощущение, что разработчики о существовании отличных от x86-платформ не подозревают. И это касается не только ПО. В частности, в PCI-E, скорее всего, не заработают современные GPU, так как, по словам создателей, почти все они требуют наличия UEFI/BIOS x86. Также могут возникнуть проблемы с устройствами, у которых внутри используется, например, мост PCI ↔ PCI-E.

Характеристики процессора «Байкал-Т1»

Для начала короткая справка о самом процессоре. «Байкал-Т1» имеет два 32-битных ядра на архитектуре P5600 Warrior (MIPS32 Release 5) с аппаратной поддержкой виртуализации. Каждое ядро получило L1-кеш данных и инструкций объёмом 64 Кбайт. На оба ядра приходится один общий L2-кеш ёмкостью 1 Мбайт. Также у каждого ядра есть свой FPU-блок c поддержкой 128-бит SIMD. Ядра, L2 и FPU работают на одной частоте: 1,2 ГГц. Процессор способен исполнять до четырёх целочисленных операций, до двух операций над числами с плавающей запятой двойной точности или четырёх одинарной точности за такт. То есть теоретическая пиковая производительность составляет 4,8 Гфлопс FP64 (2 ядра 1,2 ГГц × 2 FP64) или 9,6 Гфлопс FP32. Однако на практике для раскрытия потенциала (как любят выражаться в комментариях) необходимы и ручная оптимизация кода, и компилятор, «знающий» об особенностях FPU/SIMD.

В реальности же, к примеру, неоптимизированная версия Linpack, собранная открытым GCC, выдаёт результат на порядок меньше ожидаемого. Ситуация, вообще говоря, вполне нормальная для новых или специфичных (вроде того же «Эльбруса») архитектур. Это следует учитывать при оценке результатов, приведённых ниже. Ещё один важный момент касается нашумевших уязвимостей Meltdown и Spectre . Вычислительные блоки в MIPS32r5 суперскалярны и умеют делать внеочередное исполнение инструкций, но о глубокой спекулятивности явно не говорится. Разработчики ядра выпустили предупреждение о возможном наличии Spectre (но не Meltdown) в «чистых» ядрах P5600/P6600. По словам создателей, в случае «Байкала-Т1» официальный код проверки на наличие уязвимости не срабатывает, но со стопроцентной уверенностью говорить о её отсутствии пока рано. В планах организация отдельного хакатона для проверки безопасности процессора.

С остальными компонентами ядра общаются по шине AXI. Все высокоскоростные интерфейсы имеют поддержку DMA. Собственно одноканальный контроллер памяти поддерживает DDR3-1600 с ECC. Максимальный поддерживаемый CPU объём RAM равен 8 Гбайт. Есть ещё один нюанс — контроллер памяти имеет шину данных шириной 32 бит и 8 бит ECC и поддерживает работу с микросхемами памяти шириной от 8 до 32 бит. Для готовых изделий с уже напаянными подходящими модулями проблем нет, а вот плата у обычных SO-DIMM «увидит» только половину заявленного объёма, так как наружу они «смотрят» обычно 64-бит интерфейсом. Ну и скорость работы, очевидно, будет ниже — до 6,4 Гбайт/с.

Из интересных блоков, которые есть в CPU, можно выделить сопроцессор собственной разработки, который позволяет, например, ускорить шифрование по стандартам ГОСТ (но не только) и 10-гигабитный контроллер. Последний, как уже отмечалось выше, требует отдельный мезонин с SFP-портом. Это сделано для снижений итоговой цены BFK 3.1, да и для разработки этот порт нужен далеко не всем. Остальные блоки лицензированы у компаний MIPS, Imagination Technologies и Synopsys. На внутреннее строение чипа можно полюбоваться .

Мезонин с 10 GbE SFP для BFK первого поколения. Для BFK 3.1 такой платы сейчас нет.

Для питания процессор требует напряжение 0,95 В, а заявленная потребляемая мощность составляет не более 5 ватт. Во время тестов CPU прогревался до 60 с небольшим градусов Цельсия. Активное охлаждение для него не требуется, однако в закрытом корпусе наличие радиатора лишним не будет. Частота ядер динамически регулируется в диапазоне от 200 до 1500 МГц, но это требует поддержки со стороны ОС, так что пока в текущей сборке Debian частоту можно задать при старте системы. В любом случае во время работы при малой нагрузке одно ядро автоматически может отключаться полностью. Производится «Байкал-Т1» на фабриках TSMC по 28-нм техпроцессу. Сам по себе он стоит $65. Также важно отметить, что данная модель изначально разрабатывалась не только и не столько для госзаказчиков. Она, по задумкам и надеждам создателей, должна приглянуться и обычным коммерческим потребителям, которые создают продукты для гражданского сектора.

Тест CoreMark

Перейдём непосредственно к тестам. Первый в очереди CoreMark — специализированный бенчмарк, который используется для оценки производительности процессоров и SoC встраиваемых систем. Собственно говоря, именно с анонса нового рекорда в CoreMark Imagination Technologies и начала рассказ о преимуществах ядра MIPS P5600 Warrior. Правда, речь шла об одиночном ядре, которое к тому же на тот момент существовало только в виде симуляции на FPGA и работало на частоте 20 МГц. Тогда речь шла о рекорде в значении CoreMark на мегагерц на ядро: 5,61, но в реальности стоит рассчитывать на значение около 5. Разработчики даже указывали на бо́льшую эффективность P5600 в сравнении с десктопными CPU Intel. Формально «Байкал-Т1» является лидером в пересчёте на мегагерц и мегагерц/ядро. На практике же для достижения производительности в абсолютных величинах производители не чураются экстенсивных методов, увеличивая частоты и число ядер.

CoreMark
Модель	Архитектура	Частота, МГц	Ядра	CoreMark	CoreMark/МГц	CoreMark/ядро	CoreMark/МГц/ядро
ARM Cortex-A15	ARM Cortex-A15	1700	2	15908,00	9,36	7954,00	4,68
Samsung Exynos 4412	ARM Cortex-A9	1400	4	15399,42	11,00	3849,86	2,75
Baikal T-1 (3DNews, precomp)	MIPS P5600	1200	2	13052,51	10,88	6526,26	5,44
Baikal T-1 (3DNews, опт.)	MIPS P5600	1200	2	13039,36	10,87	6519,68	5,43
Baikal T-1 (оф. тест)	MIPS P5600	1200	2	12364,00	10,30	6182,00	5,15
Intel Core 2 Duo T5500	x86-64	1660	2	12095,88	7,29	6047,94	3,64
Baikal T-1 (3DNews, б/опт.)	MIPS P5600	1200	2	11988,45	9,99	5994,23	5,00
Nufront NuSmart 2816	ARM Cortex-A9	2000	2	11661,19	5,83	5830,60	2,92
AMD E350	x86-64	1600	2	10987,00	6,87	5493,50	3,43
TI Sitara AM57xx	ARM Cortex-A15	1500	2	10976,40	7,32	5488,20	3,66
Intel Atom E3827	x86-64	1743	2	10820,91	6,21	5410,46	3,10
VIA Nano X2 L4350	x86-64	1600	2	9104,01	5,69	4552,01	2,85
TI OMAP4460	ARM Cortex-A9	1200	2	6357,78	5,30	3178,89	2,65
NVIDIA Tegra 2	ARM Cortex-A9	1000	2	5866,39	5,87	2933,20	2,93
Allwinner A20	ARM Cortex-A7	1000	2	2086,23	2,09	1043,12	1,04

Увы, база результатов CoreMark собирается не слишком аккуратно, так что пришлось вручную подбирать тесты двухъядерных чипов, которые имели бы близкие к показателям «Байкала-Т1» частоты и явное указание на то, что в тесте используются два потока. Для сравнения был добавлен один четырёхъядерный образец, и это неслучайно. Вообще, ранжировать результаты можно сразу по нескольким критериям. Однако тут же появляется масса нюансов. Во-первых, решения и ARM, и MIPS лицензируются сторонним компаниям, так что реализация одного и того же дизайна может значительно различаться. Во-вторых, многое зависит от оптимизации и самого кода, и его сборки, и среды исполнения.

Для нашего базового теста использовался GCC 6.3 со следующими опциями: -O3 -DMULTITHREAD=2 -DUSE_PTHREAD -funroll-all-loops -fgcse-sm -fgcse-las -finline-limit=1000 -mhard-float -mtune=p5600. В тестах самих разработчиков использована в том числе и коммерческая среда Sourcery CodeBench. Здесь и далее в таблицах приняты следующие обозначения: «оф. тест» — для результатов, выложенных на сайте разработчиков; «precomp» — для запусков бинарных файлов бенчмарков, присланных создателями CPU; «б/опт.» — собственные сборки из исходных кодов с применением открытых средств и указанием ключей; «опт.» — кросс-компиляция силами SDK и коммерческих утилит по «рецептам» от разработчиков. При ручной оптимизации можно добиться лучших показателей, что очень хорошо заметно в таблице с результатами. Однако перед нами не стоит задача перебирать ключи и копаться в коде. А вот разработчикам софта для «Байкала-Т1» определённо придётся этим заниматься на регулярной основе.

Классические бенчмарки

Из того же документа можно взять и результаты классических бенчмарков «старой школы». Тест Stream для оценки пропускной способности памяти был собран для одного потока со следующими ключами: -mtune=p5600 -O2 -funroll-all-loops. Результат примерно вдвое меньше, чем теоретическая скорость работы RAM.

Stream (1 поток), Мбайт/c
	Copy	Scale	Add	Triad
Оф. тест	3119,2	3109,9	2466,9	2467,7
3DNews, precomp	3255,8	3287,9	2481,0	2503,1
3DNews, опт.	3255,6	3290,2	2480,9	2503,1
3DNews, б/опт.	3295,9	3284,4	2509,3	2485,8

Всё вышесказанное про CoreMark относится и к Dhrystone2 (целочисленные вычисления), который в базе был собран с минимумом ключей: -O3 -funroll-all-loops -mtune=p5600. Увы, как и в примерах выше, база измерений не блещет чистотой и аккуратностью. Для сравнения были взяты некоторые результаты для 32-битных вычислений с явным указанием на наличие оптимизаций. К сожалению, для них не указаны конкретные модели или хотя бы поколения CPU. Кроме того, дело осложняется наличием TurboBoost или аналогичных техник кратковременного (а тест этот как раз непродолжительный) увеличения базовой частоты процессора, что смазывает общую картину. Опять-таки в тесте повторяется ситуация с CoreMark — в пересчёте на мегагерц производительность у P5600 неплохая.

Dhrystone 2
Модель	Архитектура	Частота, МГц	DMIPS	DMIPS/МГц
Intel Core i7 3930K (32-бит, разгон)	x86-64	4730	13877,00	2,93
AMD Phenom II (32 бит)	x86-64	3000	6676,00	2,23
Baikal-T1 (3DNews, precomp)	MIPS P5600	1200	4433,17	3,69
Baikal-T1 (3DNews, опт.)	MIPS P5600	1200	4432,27	3,69
Baikal-T1 (оф. тест)	MIPS P5600	1200	4398,00	3,67
Intel Pentium 4	x86	3066	4012,00	1,31
AMD Athlon XP	x86	2080	3700,00	1,78
Baikal-T1 (3DNews, б/опт.)	MIPS P5600	1200	3650,40	3,04
Intel Atom x5-Z8300 (32-бит)	x86-64	1840	3044,00	1,65
Broadcom BCM2837 (32-бит, Rpi 3)	ARM Cortex-A53	1200	2469,00	2,06
Broadcom BCM2836 (32-бит, Rpi 2)	ARM Cortex-A7	900	1667,00	1,85

Но другие современные CPU повышают её и наращиванием частоты, и поддержкой 64-битных инструкций, и числом ядер заодно. В Whetstone всё то же самое, только разница от увеличения потоков и задействования векторных инструкций ещё разительнее. Ах да, для сборки всего этого добра пришлось слегка подкорректировать код, убрав несущественные вызовы на x86-ассемблере и проверки на наличие x86-расширений, которые нужны только лишь для идентификации CPU.

Whetstone (32-бит, FP32)
Модель	Архитектура	Потоков	Частота, МГц	MWIPS	MWIPS/МГц	MWIPS/МГц/ядро
AMD Phenom X4	x86-64	2	3000	5141,00	1,71	0,86
Baikal-T1 (3DNews, б/опт.)	MIPS P5600	2	1200	1025,00	0,85	0,43
Baikal-T1 (оф. тест)	MIPS P5600	2	1200	1213,00	1,01	0,51
Baikal-T1 (3DNews, precomp)	MIPS P5600	2	1200	1226,00	1,02	0,51
Baikal-T1 (3DNews, опт.)	MIPS P5600	2	1200	1227,00	1,02	0,51
Intel Atom	x86-64	2	1600	1182,00	0,74	0,37
Intel Core 2 Duo	x86-64	2	2400	4270,00	1,78	0,89
Intel Core i7-4820K	x86-64	2	3900	7312,00	1,87	0,94

Для быстрой проверки работы гигабитных сетевых адаптеров использовалась утилита iperf 3.1.3, которая показала, что для односторонних подключений скорость совпадает с положенными 940 Мбит/с, а вот в дуплексе, увы, скорость была на уровне 1,2 Гбит/с. Разработчики объясняют это тем, что для получения полноценной производительности необходимо сделать небольшой тюнинг на программном уровне.

Разработчики отечественных процессоров «Байкал» провели их развернутое тестирование по ряду метрик. Одна из них выгодно демонстрирует сопоставимость характеристик российского изделия с продукцией мировых лидеров рынка.

Позитивный тест для «Байкала»

Отечественные процессоры «Байкал» по ряду параметров продемонстрировали показатели производительности, сопоставимые с продукцией признанных мировых лидеров отрасли.

В августе 2017 г. компания-разработчик «Байкал электроникс» провела полноценное тестирование быстродействия своего процессора Baikal-T1, работающего с тактовой частотой 1,2 ГГц. Для оценки его свойств применялась методика, предусматривающая возможность систематизации полученных результатов вне зависимости от типа процессорной микроархитектуры и используемой программной платформы.

Измерения проводились в шести приложениях, определяющих производительность как вычислительных модулей процессора, так и пропускную способность реализованных функциональных блоков: CoreMark, Dhrystone, Whetstone, Stream, IPERF, SPEC CPU2006.

Условия тестирования (источник: «Байкал электроникс»)

«Бенчмаркинг показал, что реальные показатели быстродействия процессора Baikal-Т1 превосходят оценочные характеристики для процессорных ядер MIPS P-класса, а те, в свою очередь очень выгодно смотрятся по сравнению архитектурой х86», — прокомментировал CNewsитоги теста представитель «Байкал электроникс» Андрей Малафеев. Из его пояснений можно было заключить, что речь идет об отношении производительности к энергопотреблению и производительности к площади кристалла.

Результаты тестирования Baikal-T1 (источник: «Байкал электроникс»)

При этом Малафеев отдает себе отчет в том, что Baikal-T1 архитектурно ориентирован в первую очередь на рынки коммуникационных решений и встроенных систем. Однако с точки зрения Малафеева, хорошая производительность позволяет использовать рассматриваемый Baikal-T1 как универсальный процессор «в обширной экосистеме, которая развивается уже более четверти века и имеет значительный потенциал на существующих и только возникающих рынках».

Условное сравнение

Как можно было понять из общения с Малафеевым, наибольшее значение его компания придает тесту на бенчмарке CoreMark (о его сравнении с другими метриками читайте ниже), который в большей степени ориентирован на процессоры для встраиваемых систем, хотя применяется и для других процессоров самого разного назначения.

На сайте кураторов теста Baikal-T1 официально на данный момент не представлен — «Байкал электроникс» еще не подавала в него полученные на ее тесты результаты.

Выборочное условное сравнение известных процессоров с Baikal-T1 на тесте CoreMark

Источник: CNews Analytics

* тестировался сервер на базе двух одноядерных процессоров

В этой связи CNews Analytics для наглядности отобрал результаты тестирования нескольких актуальных процессоров известных марок и указал среди них предполагаемое место Baikal-T1 (см. таблицу).

На чем тестировался «Байкал»

По словам Малафеева, приведенные шесть бенчмарков представляют собой наборы синтетических тестов с определенной смесью инструкций, характерной для тех или иных приложений.

«Традиционные бенчмарки Dhrystone и Whetstone предназначены для оценки производительности центрального процессора на вычислениях в целочисленной арифметике и арифметике с плавающей запятой соответственно, — говорит Малафеев. - Они универсальны, и могут быть написаны на разных языках программирования (например, первые версии Dhrystone и Whetstone, вышедшие в 1960-1970 годах прошлого века, были написаны еще на языках Fortran и Algol 60). В то же время, они могут использовать разные библиотеки и, будучи собраны разными компиляторами, дают существенно различающиеся исполнительные коды, что в определенной степени обесценивает полученные с их помощью оценки быстродействия. В какой-то мере эти недостатки преодолеваются стандартизацией некоторых скомпилированных кодов (имеются ввиду версии для DOS, OS/2, Windows)».

Бенчмарк CoreMark, по заверению эксперта, ориентирован на встраиваемые системы и включает такие функции как обработка списков, манипуляции с матрицами, реализация автомата состояний и вычисление контрольного кода CRC (Check Redundancy Code). Он написан на стандартном языке «Си», и в отличие от других бенчмарков не включает никаких дополнительных библиотек и выдает одинаковый результат.

«Эти преимущества делают данный бенчмарк все более популярным, и он постепенно вытесняет конкурентов, — говорит Малафеев. - Тем не менее, Dhrystone и Whetstone по-прежнему достаточно широко используются».

Тест Stream, говорит эксперт, представляет собой простую синтетическую тестовую программу, которая измеряет устойчивую пропускную способность памяти (в МБ/с) и соответствующую скорость вычислений для простых векторных ядер.

IPERF — это инструмент с открытым исходным кодом, который можно использовать для тестирования производительности сети. SPEC CPU2006 содержит два набора тестов: CINT2006 для измерения и сравнения вычислительной интенсивности целочисленной производительности и CFP2006 для измерения и сравнения вычислительной интенсивности с плавающей запятой.

Baikal-T1, тиражи выпусков, стоимость разработки, потребители

Baikal-T1 представляет собой процессор с архитектурой MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages), созданной в соответствии с концепцией RISC, то есть для процессоров с сокращенным набором команд.

Разработка процессора была завершена в конце 2014 г., и в декабре «Байкал электроникс» передал на фабрику TSMC так называемый RTL-код изделия для его выпуска. В мае 2015 г. компания объявила о выходе инженерных образцов.

Тогда сообщалось, что разработка была реализована при поддержке Минпромторга с привлечением средств самого ведомства и федеральной целевой программы «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на 2008-2015 гг.», а также инвестиций компаний «Т-нано» и «Т-платформы» (материнская структура «Байкал электроникс»). Конкретной суммы вложений в проект в «Байкал» тогда не раскрыл.

Далее образцы были вручную протестированы, и в «Байкале» убедились в их работоспособности. После этого компания в конце лета 2015 г. подала заявку в экспертный совет Фонда развития промышленности (ФРП) при Минпромторге на получение тематического займа для продолжения проекта — запуска серийного производства.

В октябре 2015 г. льготный займ был одобрен. При уровне собственных вложений компании в 288 млн руб. объем этого займа составил 500 млн руб. На эти деньги «Байкал» в декабре 2015 г. разместили заказ на TSMC. В сентябре 2016 г. свет увидела так называемая установочная партия примерно в 10 тыс. процессоров.

В марте 2017 г. в «Байкал электроникс» объявили о скором выходе 100-тысячной промышленной партии.

Основными потребителями Baikal-T1 выступают производители телекоммуникационного оборудования (роутеры, IP-телефоны, накопители данных и т. д), вычислительной техники, оборудования для встраиваемых систем (промышленная автоматика, терминалы, автомобильные системы и т. д.). Объем потребления процессоров на этих рынках, по оценка ФРП, растет в пределах 7-15% в год.

Этот маленький процессор потребляет всего 5 Вт и может работать даже без радиатора. В процессор встроены три контроллера Ethernet (два гигабитных и один 10-гигабитный), контроллер памяти DDR3-1600, поддерживающий до 8 ГБ, контроллер PCIe Gen.3, контроллер SATA 3.0 (6 Гбит), контроллер USB 2.0.
Процессор построен на 2-ядерном MIPS 32 r5 P5600 (это первая в мире реализация процессора на этом ядре), работающем на частоте до 1,2 ГГц, встроенная кэш-память 1 Мбайт, технологический процесс 28 нм.

По производительности Baikal-T1 сопоставим с процессорами Intel Atom и процессорами современных смартфонов. Он будет применяться преимущественно в мощном телекоммуникационном оборудовании (роутерах, управляемых коммутаторах), но пригоден и для тонких клиентов.

Компания «Т-Платформа» начинает производство моноблоков Таволга Терминал TP-T22BT на процессоре Байкал Т1. Они будут использоваться для создания автоматизированных рабочих мест там, где предъявляются специальные требования безопасности.

«Таволга» работает под управлением Linux и может оснащаться любыми совместимыми с ней прикладными программами - пакетом офисных приложений LibreOffice, браузером Firefox и многими другими.

«Таволга Терминал» также работает в терминальном режиме в качестве веб-клиента, обеспечивая удаленный доступ к любым приложениям через веб-браузер или с использованием протоколов удаленного рабочего стола, таких как RDP или VNC.

«Байкал Электроникс» подписали меморандум о научно-техническом сотрудничестве с компанией Lenovo.
Lenovo уже продемонстрировали рабочий образец моноблока ThinkCentre Tiny-in-one 23, построенный на процессоре Baikal-T1.

Сегодня я впервые публикую данные о быстродействии процессора Baikal-T1, работающего на частоте 1 ГГц.

Coremark: 10342 coremarks (2 thread), Whetsnone: 1052 MWIPS (2 thread), Dhrystone: 3651 VAX MIPS (1 thread).
Результаты Coremark для большинства процессоров можно посмотреть .

К моменту завершения разработки процессора Байкал-Т1 компания существовала уже три года, в ней работало 70 российских «железячников» и программистов.

За основу было взято лицензированное ядро MIPS P5600, кроме того были лицензированы контроллеры Ethernet, SATA и USB. Российским разработчикам предстояло собрать эти компоненты вместе, заставить их корректно работать друг с другом и произвести разводку чипа по современной топологии 28 нм. Некоторые компоненты процессора разрабатывались с нуля.

Я попросил показать топологию процессора Байкал-Т1.

Так выглядит один маленький её кусочек.

Таких кусочков в процессоре миллионы.

Вы тоже видите странных грустных животных в топологии соединений Байкала? ;)

Это всего лишь один слой соединений.

Для процессора Байкал-Т1 была разработана и выпущена отладочная плата в стандартном формате MicroATX.

Это две самых первых платы.

Плата №0001. Кодовое имя «Лошадка». :)

В электронную лабораторию Байкал Электроникс не пускают никого, даже большинство своих сотрудников. Меня пустили. :)

Офис разработки программной части.

Идёт тестирование.

Процессор Baikal-T1 получился вполне конкурентоспособным и за счет большого количества различных интерфейсов на чипе обладает преимуществами перед конкурирующими изделиями иностранных разработчиков. При стоимости около $60 он позволит создавать телекоммуникационное и промышленное оборудование, блоки диспетчеризации и тонкие клиенты, системы автоматизации и управления. Российское происхождение гарантирует отсутствие «закладок» и позволит применять его в структурах с повышенными требованиями к информационной безопасности.

Сейчас Байкал Электроникс работает над разработкой новых процессоров на базе архитектуры ARM - Baikal-M для настольных ПК, встроенных систем, средств промышленной автоматики, смарт-камер и Baikal-MS для микросерверов и встроенных систем.

2016, Алексей Надёжин

Несколько недель назад в новостных сюжетах в очередной раз всплыла тема импортозамещения в самой, пожалуй, современной отрасли микроэлектроники - процессорах. Новый российский процессор Baikal-T1, построенный на ядре MIPS P5600, компания «Байкал Электроникс», дочерняя структура известного российского разработчика суперкомпьютеров «Т-Платформы». «Лента.ру» попробовала разобраться, какой процессор можно считать российским и зачем вообще нужен отечественный процессор.

Российская микроэлектронная промышленность - достаточно традиционный объект для шуток (чтобы не сказать издевок) еще с советских времен: выбранный в СССР в 1980-х годах курс на копирование западных образцов фактически привел к краху советской микроэлектроники. Анекдот про микропроцессор, отправленный в адрес заказчика тремя железнодорожными платформами, родился как раз в те годы.

Буквально за день до анонса Baikal-T1 рунет с упоением обсуждал, казалось бы, продолжение анекдота - ноутбук HT-ЭльбрусS , выпускаемый другим отечественным разработчиком процессоров, компанией МЦСТ: эта десятикилограммовая машина при цене 150 тысяч рублей способна работать на одной зарядке аккумулятора «не менее 1 часа». Правда, вскоре выяснилось и то, что модель эта - 2012 года и, главное, относится к классу защищенных ноутбуков, то есть способна выдержать падение на бетон, работу под дождем и другие неприятности. В качестве примера конкурентов HT-ЭльбрусS можно привести 15-дюймовый Getac X500, стоящий более 300 тысяч рублей и способный выдержать электромагнитный импульс ядерного взрыва, и «портативные ПК» немецкой Bit Tradition, одна из моделей которой - Bit-RPC 1522-MIL - весит около 20 килограммов и может похвастаться батареей на 30 минут работы.

Впрочем, наличие конкурентов - еще не ответ на вопрос, нужны ли вообще отечественные процессоры и компьютеры, а также можно ли считать существующие продукты отечественными.

Свои комментарии по российской составляющей устройств дали компании «Байкал Электроникс», МЦСТ и КМ211, а также один из мировых лидеров по разработке современных процессоров - британская компания Imagination Technologies, владеющая процессорной архитектурой MIPS. Все три российские компании занимаются разработкой современных процессоров, хотя и в разных направлениях: МЦСТ целится на рынок рабочих станций и серверов, КМ211 больше ориентирована на применение в системах безопасности и автоматизации, а «Байкал Электроникс» заняла промежуточное положение, представив чип для производительного сетевого оборудования.

Большой путь к маленькому процессору

Разработка современного процессора - длинный и сложный процесс. Начинается он с выбора архитектуры - набора команд, которые данный процессор сможет исполнять. От архитектуры зависит не только производительность процессора, но и его совместимость с программным обеспечением: ПО, выпущенное для одной архитектуры, на другой чаще всего работать не будет.

Последнее обстоятельство обусловило то, что распространенных процессорных архитектур в мире не так много; почти весь рынок поделен между тремя лидерами - Intel x86, ARM и MIPS. Первая уже не одно десятилетие доминирует в настольных ПК и ноутбуках, а две оставшиеся нашли свое призвание в мобильных устройствах и встраиваемых промышленных компьютерах. Интересно, что компании ARM Holdings и Imagination Technologies - разработчики архитектур ARM и MIPS - не выпускают процессоры сами, предпочитая продавать лицензии.

Говоря об архитектурах процессоров, необходимо понимать, что их нельзя напрямую сопоставлять друг с другом - каждая из них обладает своими сильными и слабыми сторонами, определяющими сферу ее применения. Например, на рынок ПК среди разрабатываемых сейчас российских процессоров претендуют только «Эльбрусы», но и они очень сильно отличаются от привычных пользователям процессоров архитектуры x86. Основное назначение «Эльбрусов» - это работа в компьютерах на промышленных и государственных объектах, то есть там, где Windows и Microsoft Office стараются не использовать в любом случае, а потому совместимость с этим ПО не является критичным моментом. Baikal-T1 и вовсе предназначен для сетевого оборудования и систем автоматизации, - сравнивать его с процессорами для ПК столь же нелепо, как грузовой КамАЗ с легковым Mercedes: аудиосистема у второго намного лучше, но в тех задачах, для которых предназначен первый, это роли не играет.

Исполняются команды на ядре процессора - схеме, обеспечивающей все необходимые вычислительные ресурсы. Хотя ядро, поддерживающее конкретную архитектуру, можно создать самостоятельно, чаще всего его тоже покупают у разработчика архитектуры. Но такое ядро - это еще не готовый чип, а всего лишь исходные коды, внешне похожие на исходные коды компьютерной программы.

На следующем этапе ядро «обвешивают» дополнительными периферийными модулями - например, контроллерами USB или Ethernet, если это требуется - добавляют ядро графического процессора, отвечающего за вывод картинки на монитор, и так далее. Часть модулей разрабатывается самостоятельно, часть может быть лицензирована у других компаний - опять в виде исходных кодов.

Предпоследний этап разработки - переход от абстрактных кодов к чертежам конкретного чипа. Для современных процессоров, работающих на частотах до единиц гигагерц, он также весьма нетривиален - в процессе необходимо учитывать огромное количество нюансов и ограничений. По словам Тони Кинг-Смита, исполнительного вице-президента Imagination Technologies, «срок от получения лицензии на ядро до воплощения его в кремнии постоянно сокращается, но все равно в среднем составляет от 9 до 18 месяцев», а сам процесс требует усилий группы высококвалифицированных разработчиков.

И лишь после прохождения всех этих этапов запускается конвейер полупроводниковой фабрики, на выходе которого мы и видим знакомые чипы.

Пятый пункт

Дискуссии о национальной принадлежности процессоров традиционно крутятся вокруг двух фактов. Во-первых, на данный момент в России нет современного полупроводникового производства, а потому выпускаются отечественные процессоры, как правило, на мощностях тайваньской TSMC - одного из крупнейших производителей чипов в мире, не занимающегося собственной разработкой микросхем, а лишь предоставляющего услуги по их выпуску. Во-вторых, многие из процессоров построены на базе архитектуры и ядер, разработанных западными компаниями - например, Baikal-T1 использует ядро MIPS P5600.

Впрочем, в случае с МЦСТ и КМ211 происхождение архитектуры уже не вызывает сомнений - обе компании используют собственные разработки, «Эльбрус» и «Кварк». В случае с МЦСТ иногда возникает небольшая путаница - ей приписывают использование в «Эльбрусах» довольно старой архитектуры SPARC v9, разработанной компанией Sun Microsystems еще в середине 90-х годов; МЦСТ действительно делает и SPARC-процессоры, но это - модели R500 и R1000, а не «Эльбрус».

В противовес подходу МЦСТ, «Байкал Электроникс» предпочитает использовать готовые процессорные ядра: у компании заключены соглашения как с Imagination, так и с ARM Holdings. Такой подход позволяет сконцентрировать ресурсы на выпуске финального продукта - и мировая практика показывает, что он весьма эффективен: ни один из крупных производителей процессоров не пренебрегает лицензированием чужих разработок, и многие из них используют ядра ARM или MIPS.

Однако лицензия на готовое ядро, как уже отмечалось выше, не избавляет компанию от серьезных трудозатрат. В обоих случаях для реализации проекта нужен интеллектуальный ресурс - группа разработчиков с глубоким пониманием архитектуры современных процессоров и принципов проектирования интегральных схем. И в случае с отечественными компаниями этот ресурс создается и поддерживается в России.

При этом необходимо признать, что производство самих чипов в России хоть и присутствует, но по своим возможностям радикально отстает от зарубежных мощностей. Однако в современном мире «бесфабричные компании», занимающиеся только проектированием и продажей микросхем, уже давно составляют подавляющее большинство - так, среди основных производителей процессоров только Intel и Samsung производят свою продукцию сами. Среди их конкурентов одни никогда своими фабриками не обладали, а другие - например, AMD - сознательно перешли к бесфабричной модели, выделив производство в отдельную компанию в рамках оптимизации своей структуры.

Разделение разработки и производства чипов - общемировая тенденция, и ставить их в жесткую зависимость друг от друга неправильно. Хотя хочется надеяться на появление и отечественного современного полупроводникового производства, заслуги разработчиков чипов его отсутствие никак не умаляет.

Вопросы безопасности

Востребованность отечественной замены импортного аналога можно рассматривать с двух точек зрения - с чисто коммерческой и с точки зрения обеспечения безопасности. Если коммерческая составляющая понятна и неспециалисту, то второй аспект является менее очевидным.

С одной стороны, тот факт, что цифровые войны в мире уже идут, оспорить трудно: после откровений Сноудена и информации об успешной атаке на иранскую ядерную инфраструктуру с помощью червя Stuxnet (и - на КНДР). С другой стороны, до сих пор в основном обсуждается роль в этих атаках программного, но не аппаратного обеспечения.

Для хакеров, в том числе работающих на государство, уязвимости ПО остаются наиболее привлекательными - они обеспечивают максимум возможностей и по проникновению в нужную систему, и по действиям в ней. Тем не менее, современные процессоры настолько сложны и многофункциональны, что в них тоже может найтись место для «закладок», облегчающих работу спецслужб.

Скажем, многие процессоры оснащены генератором псевдослучайных чисел (ГПСЧ), который часто используется различными системами шифрования - и надежность этого кодирования зависит от степени случайности выдаваемой генератором последовательности. Технически возможно внести в чип процессора изменения, делающие последовательность на выходе ГПСЧ предсказуемой, а значит, зашифрованные с его помощью данные - сравнительно легко декодируемыми третьей стороной, знающей про эту особенность конкретного ГПСЧ.

При этом изменения в работу ГПСЧ могут быть внесены как на этапе производства конкретной партии процессоров, так и программно - с помощью недокументированных команд, которые могут быть выполнены, например, невинно выглядящим штатным обновлением какой-либо программы.

Обнаружить подобную закладку в готовом изделии практически невозможно - современный процессор содержит в себе миллиарды транзисторов, и даже просвечивая чип рентгеном, точно определить функции каждого из блоков нереально. Более того, первый тип закладки в некоторых случаях может быть внедрен таким образом, что обнаружить его не удастся даже при рентгеновском анализе блока ГПСЧ.

Это - лишь один пример, но и из него очевидно, что игнорировать возможность аппаратных закладок в тех или иных изделиях электроники было бы наивно. Причем касаться этот вопрос может и государств, и крупных коммерческих компаний - так, недавно выяснилось , что Агентство национальной безопасности США несколько лет следило за Siemens и другими европейскими компаниями.

Конечно, зарубежное производство чипов также представляет определенный фактор риска - однако настолько малый, что им можно пренебречь. Во-первых, как подчеркнули в «Байкал Электроникс», соответствие заказа и финального изделия строго контролируется, а потому внесение изменений на этом этапе невозможно. Во-вторых, внедрение «закладки» осложняется тем, что фабрика не обладает полной документацией на процессор - так что даже поиск в нем нужного блока может оказаться нетривиальной задачей. В-третьих, как отмечают в Imagination Technologies, для контрактного производителя чипов допуск посторонних лиц к данным клиентов - колоссальный репутационный риск.

Планы на будущее

Безопасность на государственном уровне - вопрос, конечно, важный, но в конечном успехе на судьбу разработчика намного сильнее влияет успех его продукции на открытом рынке. На данный момент российские компании представлены на нем крайне слабо - основными потребителями их продукции являются государственные структуры. Впрочем, многие из них надеются, что в ближайшие годы ситуация может поменяться.

Константин Трушкин, представитель компании МЦСТ, видит препятствие в малой серийности изделий и ограниченной поддержке со стороны ПО, однако считает, что компании удастся его преодолеть: «при выходе на объем порядка десяти тысяч изделий можно будет снизить стоимость решений до уровня, доступного не только для организаций, но и для частных лиц». При этом, по его словам, МЦСТ в значительной степени надеется на федеральные целевые программы, которые позволят отечественным разработчикам успешнее конкурировать с иностранными.

Дмитрий Пустов, сотрудник компании КМ211, во многом соглашается с Трушкиным, также считая, что основное препятствие для российских разработчиков - ориентация на мелкосерийное производство вместо массового рынка, в том числе и зарубежного. При этом у КМ211 уже на данный момент основные клиенты - это коммерческие компании, занимающиеся разработкой решений в области промышленной автоматизации и обеспечения безопасности.

Андрей Малафеев, работающий в «Байкал Электроникс», также поддерживает точку зрения о необходимости выхода на мировой рынок - по его словам, производство современной микроэлектроники просто невозможно замкнуть в одной стране. Для Baikal-T1 в качестве приоритетных рассматриваются более полудесятка стран - от ОАЭ до Германии; в дальнейшем для расширения своего присутствия на рынке компания планирует представить процессоры для ПК и мобильных устройств.

В Imagination Technologies дополняют, что для успеха российских разработчиков ключевым является не только факт выхода на мировой рынок, но и подготовка квалифицированных кадров в России. По словам Тони Кинг-Смита, пока в России всего несколько университетов преподают полноценные курсы по разработке интегральных схем, в то время как эти знания должны быть доступны во всех вузах, готовящих специалистов по информатике. Чтобы помочь наладить учебный процесс, недавно Imagination Technologies перевела на русский язык и обеспечила бесплатный доступ к учебнику «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера» Дэвида Харриса и Сары Харрис, фактически покрывающему значительную часть университетского курса.

Очевидно, что до безоблачного существования разработчикам российских процессоров пока далеко, - фактически большинство из них лишь в начале пути, выпускают продукцию небольшими партиями для госсектора или под узкоспециализированные коммерческие проекты. Тем не менее рост числа компаний, работающих в этой отрасли, равно как и их стремление выйти на массовый рынок, в том числе международный, позволяет надеяться, что уже через несколько лет об отечественных процессорах будут говорить с куда меньшим скепсисом.

«Байкал электроникс» протестировала процессоры Baikal-T1 для определения показателей быстродействия. Cnews сравнила показатели российского чипа с процессорами Intel и AMD. Оказалось, что характеристики Baikal-T1 находятся на уровне зарубежных чипов, выпущенных 5-10 лет назад.

Baikal-T1 частотой 1,2 ГГц построен на основе MIPS-архитектуры по 28-нм техпроцессу. Он включает контроллер памяти DDR3-1600 и кэш второго уровня объемом 1 Мб, поддерживает один порт 10Gb Ethernet, по два порта 1Gb Ethernet и SATA 3.0, контроллер PCIe Gen.3 х4 и USB 2.0.

Тестирование Baikal-T1 проводили в популярных бенчмарках: CoreMark, Dhrystone, Whetstone, Stream, IPERF, SPEC CPU2006. Тестирование выполнялось в таких условиях:

Представитель «Байкал электроникс» Андрей Малафеев отметил, что реальные показатели быстродействия «превосходят оценочные характеристики для процессорных ядер MIPS P-класса, а те, в свою очередь очень выгодно смотрятся по сравнению архитектурой х86». Речь, в первую очередь, идёт об отношении производительности к энергопотреблению и площади кристалла.

Специалисты Cnews протестировали Baikal-T1 в бенчмарке CoreMark и сравнили результаты с процессорами Intel и AMD. Результаты оказались выше, чем ожидалось, но, конечно, рекордов Baikal-T1 не ставит:

Напомним, Baikal-T1 разрабатывали до 2014 года. В декабре 2014 года RTL-код изделия передали на фабрику TSMC, а в мае 2015 года получили первые инженерные образцы. После этого «Байкал электроникс» протестировал чипы и получил заем от Минпромторга на 500 млн рублей. Добавив к ним 288 собственных средств, компания разместила заказ на TSMC и в сентябре 2016 года получила установочную партию из 10 тыс. процессоров. Ожидается, что вскоре выйдет 100-тысячная промышленная партия чипов.