Встраиваемые решения: эволюция продолжается

В рамках сложившейся традиции игроки рынка аппаратных решений для встраиваемых систем практически одновременно с официальной премьерой третьего поколения Intel Core анонсировали ряд продуктов на основе этих процессоров. Но для успеха на рынке требуется еще некоторая критическая масса разработчиков, для которых представленная платформа становится инструментом для создания систем с качественно новым уровнем возможностей. А тем, в свою очередь, необходимо разобраться с преимуществами новых процессоров по сравнению с предшественниками.

Второе поколение Intel Core, известное как Sandy Bridge, произвело настоящий фурор на рынке встраиваемых систем — многих впечатлил стремительный штурм позиций конкурентов в традиционно консервативном сегменте высокопроизводительных систем оборонного и аэрокосмического назначения, где прежде господствовали решения иных производителей.

Закон Мура работает

С тех пор как были выпущены первые продукты на основе микроархитектуры Sandy Bridge, прошло менее двух лет, тем не менее приход третьего поколения Intel Core был неизбежен. И за третьим поколением неминуемо последует четвертое, если, конечно, эти процессоры не назовут как-то иначе — во всяком случае, некоторые черты этого поколения (микроархитектура под кодовым названием Haswell) после недавнего форума IDF в Сан-Франциско уже достаточно четко различимы.

Корпорация Intel стремится неукоснительно соблюдать закон Мура, превратившийся в мощнейший инструмент маркетинга и планирования исследований и разработок. Существуют различные его трактовки, но большинство из них так или иначе подразумевают значительное улучшение характеристик процессоров в период от 18 до 24 месяцев. Несмотря на многочисленные попытки скептиков, среди которых отметился и сам Мур, предсказать окончание действия закона, он продолжает работать и по сей день. При этом дата его отмены столь же регулярно отодвигается на более поздний срок, обычно составляющий около десяти лет. Вот и в ходе уже упоминавшегося форума IDF от имени Intel опять было заявлено, что серьезных угроз закону Мура сейчас нет и «не предвидится, по крайней мере, в ближайшее десятилетие».

В соответствии с принципом чередования производственных и архитектурных новаций, принятым на вооружение корпорацией в 2007 году, третье поколение Intel Core знаменует собой начало масштабного внедрения на предприятиях Intel процесса с нормой производства 22 нм и трехмерных транзисторов (рис. 1). Собственно, в этом и состоит главное, но не единственное отличие Ivy Bridge от процессоров Sandy Bridge, выполненных по технологии 32 нм с применением обычных планарных транзисторов. Усовершенствование производственного техпроцесса позволило уменьшить площадь кристалла до 160 кв. мм против 216 кв. мм соответственно у сопоставимых четырехъядерных вариантов Ivy Bridge и Sandy Bridge. Одновременно были увеличены плотность размещения и общее количество транзисторов на кристалле — 1,4 млрд против 1,16 млрд. Следствием перехода на более прогрессивную технологию производства стали также существенное снижение энергопотребления процессоров Ivy Bridge и увеличение их производительности по сравнению с Sandy Bridge. В целом, по оценкам независимых экспертов, технологические новации обеспечили третьему поколению Intel Core общий прирост вычислительной мощности примерно до 20%, производительности в расчете на один ватт потребляемой электроэнергии — до 40%.

Рис. 1. Эволюция полупроводниковых технологий, используемых в процессорах Intel (2003–2012 гг.)

При этом в архитектурном отношении третье поколение Intel Core от второго отличается незначительно — микроархитектура Ivy Bridge представляет собой производную от Sandy Bridge. Некоторые отличия, конечно, присутствуют, но о радикальных новшествах, подобных появлению технологии AVX (Advanced Vector Extensions) в Sandy Bridge, речи не идет. По мнению специалистов, именно поддержка технологии AVX, дополнившей набор команд x86-совместимых процессоров векторными расширениями для работы с данными в формате с плавающей точкой, в свое время обеспечила второму поколению Intel Core прорыв на рынок встраиваемых решений.

От третьего поколения Intel Core, в отличие от второго, революционных изменений на рынке встраиваемых технологий никто особо не ждал, тем не менее разработчики встраиваемых решений в целом встретили выход процессоров Ivy Bridge очень позитивно. Почему?

Реалии рынка

Многие специалисты отмечают, что сегодня на рынок встраиваемых систем все глубже проникают технологии массового применения для потребительского и корпоративного рынка, обеспечивающие передовые показатели производительности и энергоэффективности вкупе с сокращением циклов разработки и снижением стоимости решений. Эти технологии аккумулируют наибольшие объемы инвестиций в свое развитие и получают воплощение в стандартных продуктах категории COTS (Commercial Off-The-Shelf), благодаря чему все дальше оттесняют на второй план узкоспециализированные нишевые решения. Исходя из этого, платформа Ivy Bridge представляется логичным выбором для широкого спектра приложений, ориентированных на различные вертикальные рынки, в том числе и те, где архитектура от Intel ранее не применялась. Совмещая архитектурные достоинства Sandy Bridge с преимуществами перехода на более тонкий техпроцесс, что выражается в дальнейшем росте производительности и энергоэффективности, процессоры третьего поколения Intel Core еще выше поднимают планку возможностей встраиваемых систем.

Существует внушительный пласт встраиваемых приложений, которым всегда требуется наивысшая доступная на рынке производительность вычислений, обработки сигналов и графических операций, в сочетании с максимально возможной пропускной способностью каналов связи. К таким приложениям относятся в первую очередь высокопроизводительные интеллектуальные системы, проектируемые для нужд оборонной и аэрокосмической отраслей, а также системы цифровой обработки сигналов для сферы телекоммуникаций и решения для работы с графическими данными, применяемые в промышленности и медицине. Для всех этих задач платформа Ivy Bridge на сегодняшний день очевидно представляется логичным выбором.

Не следует забывать и о том, что на кристалле Ivy Bridge располагается более мощное графическое ядро, которое может включать до 16 исполнительных устройств (у Sandy Bridge — 12) и поддерживает графические интерфейсы DirectX 11, OpenGL 3.1, OpenCL 1.1. И при этом площадь кристалла, как уже было отмечено, уменьшилась. Среди приложений, которым усовершенствованные функции третьего поколения Intel Core необходимы в первую очередь, специалисты отмечают, в частности, системы обнаружения (радары, сонары), системы связи, устройства видеообработки, а также медицинские системы компьютерной диагностики. Вместе с тем, исходя из аналогичных соображений, высоким потенциалом для применения платформы Ivy Bridge обладают и другие вертикальные рынки — информационно-развлекательные, транспортные системы, решения для ретейла, игровые автоматы, системы оповещения и рекламы и т. д.

Коммуникационные возможности платформы Ivy Bridge (рис. 2) также существенно улучшены по сравнению с Sandy Bridge — на уровне процессора реализована поддержка до 16 линий PCI Express 3.0 (эта технология обеспечивает вдвое большую пропускную способность по сравнению с PCIe 2.0, позволяя, к примеру, использовать в составе решений современные видеоплаты старшего класса и задействовать высокоскоростные интерфейсы для внешних коммуникаций 10-Gigabit Ethernet и 40-Gigabit Ethernet). Наличие одного из чипсетов Intel 7-й серии (кодовое название Panther Point) расширяет функциональность систем на основе процессоров Ivy Bridge, добавляя возможность подключения до трех независимых цифровых дисплеев с интерфейсами HDMI, DVI, DisplayPort и т. д., а также поддержку еще одной высокоскоростной внешней шины — USB 3.0.

Рис. 2. Общая структура платформы встраиваемых компьютерных систем на базе Intel Core

Встроенный контроллер памяти третьего поколения Intel Core стандартно поддерживает спецификацию DDR3-1600 (для Sandy Bridge в большинстве случаев верхняя планка находится на уровне DDR3-1333 или ниже). Он также может работать с устройствами DDR3L с пониженным напряжением питания (1,35 В против 1,5 В у обычных устройств DDR3), что может оказаться полезным — наряду с конфигурируемым термопакетом (TDP) и прочими энергосберегающими функциями процессоров Ivy Bridge — при создании систем для мобильных приложений (контрольно-измерительные и управляющие системы для различного рода машин и иных подвижных объектов, используемых в промышленности и оборонной сфере, вплоть до беспилотных летательных аппаратов).

Таким образом, в целом обнаруживается достаточно высокая степень востребованности решений на основе процессоров Ivy Bridge для рынка встраиваемых систем, и поэтому понятен энтузиазм, с которым такие производители, как Advantech, GE Intelligent Platforms, Kontron и др., приступили к пополнению своих продуктовых линеек — от малогабаритных реализаций «компьютеров на модуле» (Computer-On-Module, COM) и разнообразных бюджетных материнских плат до высокопроизводительных систем класса CompactPCI, VPX и xTCA — продуктами на основе Ivy Bridge.

Среди этих продуктов в первую очередь следует выделить решения стандарта VPX. На сегодняшний день системная архитектура VPX представляет собой одну из лучших платформ для создания защищенных мультипроцессорных комплексов на базе x86-совместимых процессоров, в том числе ориентированных на ответственные приложения. Сомневавшихся в этом, похоже, окончательно убедили успехи VPX-решений с процессорами Sandy Bridge на рынках систем для оборонных и аэрокосмических приложений. Перед поколением Ivy Bridge, соответственно, стоит задача закрепить успехи, достигнутые предшественниками, и по возможности развить их. Важная роль в решении этой задачи принадлежит производителям аппаратных средств для встраиваемых систем, в частности, компании Kontron, которая для VPX-систем, выполненных в форм-факторе 3U, предлагает модули VX3042, предназначенные главным образом для консолей и защищенных серверов, ориентированных на жесткие эксплуатационные условия, и VX3044, предполагающие использование в составе высокопроизводительных вычислительных кластеров. Оба продукта соответствуют стандартам OpenVPX (VITA 65) и VPX REDI (VITA 48) и доступны заказчикам в трех вариантах исполнения в зависимости от температурных условий эксплуатации и использующейся системы охлаждения. Платы поддерживают внутрисистемные коммуникации с применением шин PCIe 3.0 и Ethernet 10 Гбит, а также технологию Kontron VXFabric, обеспечивающую передачу данных по протоколу IP по каналам PCIe.

Типичным представителем VPX-устройств форм-фактора 6U можно считать плату SBC625 компании GE Intelligent Platforms (подразделение General Electric). Данный продукт отвечает требованиям стандарта OpenVPX, позволяет задействовать для внутрисистемных коммуникаций высокоскоростные интерфейсы PCIe 3.0, 10GbE и InfiniBand (рис. 3) и предлагается производителем в пяти вариантах исполнения для различных температурных диапазонов — три из них предназначены для систем с воздушным охлаждением, два поддерживают кондуктивное охлаждение.

Рис. 3. Функциональная схема VPX-платы GE SBC625

Примечательно, что некоторые производители для систем на основе близких магистрально-модульных стандартов (VPX, CompactPCI, VME) предлагают процессорные платы на основе Ivy Bridge, схожие по своим характеристикам, базовым конфигурациям и вариантам исполнения. В этом есть опеределенная логика — заказчики из оборонной и аэрокосмической отраслей известны своим консерватизмом, что находит отражение, в частности, и в выборе используемых магистрально-модульных архитектур. Производитель, со своей стороны, не пытается оказывать влияние на этот выбор, а предоставляет заказчику возможность в любом случае получить решение, выполненное с использованием самых передовых технологий.

Следует также отметить продукты стандарта COM Express (PICMG COM.0), традиционно воплощающие в себе самые передовые технологические достижения в области малогабаритных встраиваемых систем. Многие специалисты по праву считают их одной из главных движущих сил роста индустрии COM-решений. Как и ожидалось, ведущие производители этих продуктов встретили третье поколение Intel Core во всеоружии и подготовили к запуску на рынок соответствующие изделия. К примеру, компания Kontron представила две новые серии модулей COM Express форм-фактора basic на основе процессоров Ivy Bridge — COMe bIP2 (с расположением выводов Type 2) и COMe bIP6 (Type 6). В моделях этих серий используются двух- и четырехъядерные процессоры Intel Core i3, i5 и i7 в модификации для встраиваемых мобильных приложений и с тактовой частотой от 1,6 до 2,7 ГГц и теплопакетом от 17 до 45 Вт, а также чипсетом Mobile Intel QM77. Все эти модули обеспечивают возможность одновременного вывода трех независимых видеопотоков, поддерживают SATA-устройства с пропускной способностью шины 6 Гбит/с, интерфейсы PCIe, USB и Gigabit Ethernet (рис. 4). В качестве основных вариантов применения продуктов стандарта COM Express на базе процессоров Ivy Bridge фигурируют медицинские решения, цифровые системы оповещения и рекламы, автоматизация розничной торговли, а также приложения класса M2M (Machine-To-Machine) в оборонной и аэрокосмической сферах.

Рис. 4. Функциональная схема модуля COM Express серии Kontron COMe-BIP6

Оптимизация программных решений

В последние десятилетия архитектура Intel в силу своей «стандартности» является первой платформой, для которой создатели операционных систем разрабатывают свои продукты, однако разработчикам прикладного ПО для встраиваемых систем не всегда удается осуществить оперативный перевод приложений на новые процессоры. Проанализировав спецификации аппаратных продуктов на базе процессоров третьего поколения Intel Core, нетрудно убедиться в том, что практически для всех них силами производителей реализована программная поддержка популярных вариантов ОС Windows и Linux, а для некоторых — и разнообразных ОС реального времени. Как правило, речь идет, естественно, о поддержке на уровне драйверов и BIOS, иногда — служебных утилит.

Применительно к прикладному ПО вопрос об оптимизации для платформы Ivy Bridge, очевидно, стоит менее остро, чем это было в случае с предыдущим поколением — Sandy Bridge. Причина в том, что на уровне микроархитектуры эти процессоры не отличаются, и, по сути, для многих приложений оптимизация для новых процессоров необязательна. Да, в третьем поколении Intel Core добавились несколько инструкций AVX, но, по сравнению с первоначальной реализацией данной технологии в микроархитектуре Sandy Bridge, это не столь значительно. Революционным изменением, возможно, станет технология AVX2, поддержка которой должна появиться в процессорах на основе микроархитектуры следующего поколения Haswell.

В процессорах Ivy Bridge появились новые функции обеспечения безопасности — Intel Secure Key (включает цифровой генератор случайных чисел, используемый для усиления криптографических алгоритмов) и Intel OS Guard (механизм блокировки программных атак со стороны приложений пользовательского режима при работе системы на максимальном уровне привилегий). И не случайно среди разработчиков ПО для встраиваемых решений, отреагировавших на премьеру Ivy Bridge, одним из наиболее заметных ньюсмейкеров вновь, как и при запуске Sandy Bridge, стала компания LynuxWorks, объявившая о выходе оптимизированного для представленной платформы варианта пакета безопасной виртуализации LynxSecure.

Отметим, что и для второго поколения Intel Core, невзирая на все его архитектурные новшества, в среде специалистов многие не считали программную поддержку вопросом первостепенной важности, и подобная точка зрения была не лишена оснований — в смысле программной поддержки нынешнее положение Ivy Bridge как минимум ничуть не хуже того, что было в свое время у Sandy Bridge.

***

Рынок встраиваемых компьютерных технологий в его сегодняшнем виде не только не препятствует, но пока благоволит тому, чтобы потенциал применения систем на основе процессоров третьего поколения Intel Core раскрылся в полной мере, тем более что предыдущим поколением был создан достаточно неплохой задел. На данный момент именно продуктовая линейка Ivy Bridge олицетворяет собой венец процессорных технологий Intel для разработчиков встраиваемых решений. И такая ситуация сохранится до той поры, когда неумолимая логика закона Мура приведет корпорацию Intel к выпуску процессоров следующего поколения на основе микроархитектуры Haswell.

Анатолий Сысоев (pr@rtsoft.ru) — директор направления компании «РТСофт» (Москва).