Перемены под флагом Bay Trail

«Компоненты и технологии»

№6/2014
Александр Ковалёв, ЗАО «РТСофт» Сергей Руденко, ЗАО «РТСофт»


Встраиваемые платформы бюджетного класса с малыми габаритами и низким энергопотреблением стали еще одним полем, на котором корпорация Intel сделала очень серьезный шаг вперед. Главная роль в этом принадлежит новым микропроцессорам – «системам на кристалле» Intel Atom серии E3800. Многим по-прежнему привычнее называть их Bay Trail (читается «бэй трэйл», по кодовому наименованию проекта, в рамках которого они создавались).

Ежегодная февральская выставка Embedded World'2014 в Нюрнберге показала, что за процессоры Bay Trail обеими руками проголосовали практически все ведущие игроки рынка встраиваемых компьютерных технологий (ВКТ). Анонсы большого количества серийных платформ на Bay Trail стали своего рода «фишкой» выставки этого года. Откуда такое единодушие? Ответ прост: «системы на кристалле» Intel Atom 3800 обладают уникальными конкурентными преимуществами и инженерными свойствами, позволяющими разработчикам готовой продукции существенно улучшить характеристики собственного оборудования.

Достоинства процессоров Intel Atom 3800 – не просто набор тех или иных технологических решений. Еще до официальной премьеры платформы Bay Trail эксперты в англоязычных источниках стали называть ее «game changer», т. е. фактор перемен, переопределяющий правила игры на рынке!

Серия Atom E3800 – наиболее яркий представитель поколения встраиваемых процессоров Bay Trail. В ее влиянии на рынок ВКТ мы и попробуем разобраться в рамках журнальной статьи, начав, как полагается, с небольшого исторического экскурса.

Что было до Bay Trail

В недолгой истории процессоров Atom до начала осени 2013 года (официальное объявление доступности серий Bay Trail) по большому счету был всего один момент из числа тех, что с легкой руки легендарного сооснователя Intel Энди Гроува называют стратегически переломными. Это было, собственно, их появление на свет, ознаменовавшее собой важнейшую веху в истории ИТ-отрасли. Архитектуры x86 и ARM вступили в фазу открытого противоборства практически по всему фронту решений, отличительными особенностями которых являются «топливная экономичность», малые габариты и невысокая стоимость.

В последние годы как-то стало уже забываться, что компания Intel еще не так давно выпускала процессоры на основе архитектуры ARM. Выйти из этого бизнеса, да еще и бросить вызов продуктам на базе ARM на их поле – шаг, мягко говоря, смелый.

Контуры будущего противостояния экосистем Intel и ARM проступили весной 2008 года, когда были представлены первые продукты в семействе Atom. Через пару лет в нем появились модификации, специально разработанные для рынков класса «embedded», т. е. для встраиваемых систем. Эти процессоры оказались весьма успешными в целом ряде рыночных сегментов. Фундаментальные свойства архитектуры Atom и систем на ее основе, обусловившие этот успех, хорошо известны:

  • высокая энергоэффективность;
  • компактность;
  • совместимость со всем спектром ПО для х86;
  • длительный цикл коммерческой доступности процессоров (7 и более лет);
  • возможность работы в расширенных термодиапазонах;
  • низкая стоимость.

Наиболее мощная рыночная альтернатива микропроцессорам Atom – постоянно совершенствуемая полупроводниковая продукция различных компаний, основанная на архитектуре ARM. Именно на усиление актуальных конкурентных преимуществ в секторе бюджетных встраиваемых энергоэффективных x86-решений ориентированы продукты семейства Bay Trail. И важно то, что делают они это чрезвычайно успешно, если судить по скорости появления все новых и новых продуктов на этой платформе на мировом рынке.

Архитектурное совершенство

Рамки данной статьи не позволяют углубиться в детали архитектурной реализации платформы Bay Trail. Это можно сделать самостоятельно на сайте компании Intel или на просторах Интернета. Но и обойти ее некоторые ключевые моменты представляется неразумным. Ведь это именно то, что во многом определяет ключевые конкурентные преимущества встраиваемых систем на базе процессоров Intel Atom E3800 в их нелегкой борьбе за место под солнцем на рынке.

Микроархитектуру Silvermont, составляющую основу процессоров Bay Trail, никак не назовешь очередной эволюционной ступенью в развитии семейства Atom. Это – самая настоящая революция! По масштабу и значимости ее можно сравнить, например, с микроархитектурой Intel Core, из которой выросли уже четыре поколения процессоров Intel для высокопроизводительных мобильных и настольных систем. Подчеркнем главное: Silvermont наконец-то реализует полноценный механизм внеочередного исполнения команд OOE (Out-of-Order Execution). Тем самым раз и навсегда обрывается нить, связывавшая семейство Atom с доисторическими, по меркам электронной отрасли, временами процессоров Pentium (в оригинальном варианте на ядре P5) и Pentium MMX. Еще одним большим шагом вперед является использование графической подсистемы Intel седьмого поколения – аналогичной той, что реализована в процессорах Intel Core третьего поколения (Ivy Bridge). Прямое следствие этих революционных преобразований – внушительный прирост производительности. К нему мы еще вернемся чуть ниже.

Интегрированная графика – вообще одно из самых сильных мест Bay Trail, особенно на фоне предыдущего поколения встраиваемых платформ на базе Atom. Вышеупомянутая графическая подсистема Intel седьмого поколения позволяет выводить на экран изображение с разрешением вплоть до 2560x1600 (при кадровой частоте 60 Гц), допускает одновременный вывод двух независимых видеопотоков и включает аппаратную поддержку графических интерфейсов DirectX 11 и OpenGL 4.0, а также ряда популярных видеокодеков. Но на самом деле, конечно, лучше самому увидеть, как теперь реально может работать встраиваемая система визуализации на базе Atom. Потому что когда это видишь, вывод напрашивается сам собой. Это то, что нужно разработчикам для широчайшего спектра встраиваемых приложений – от промышленных АСУ, систем видеонаблюдения (см., например, рис. 1) и медицинского оборудования до цифровых табло, торговых автоматов, интерактивных информационных киосков, кассовых терминалов и прочих устройств, применяющихся в рекламном бизнесе и розничной торговле.

kit_2014-06-Pic_1_-_Bay_Trail-based_surveillance_system_.jpg

Рис. 1. Цифровые системы видеонаблюдения на основе процессоров Intel Atom серии E3800 способны одновременно обрабатывать и отображать видеосигнал с множества IP-камер, параллельно отслеживая передвижения объектов с помощью соответствующего ПО

Таблица 1. Технические характеристики процессоров Intel Atom серии E3800

Тип и объем поддерживаемой памяти

до 4 Гбайт DDR3L-1067 (1 канал)

до 8 Гбайт DDR3L-1067 (2 канала)

до 8 Гбайт DDR3L-1333 (2 канала)

Поддержка ECC

да

Базовая частота графического ядра, МГц

400

533

533

542

542

Пиковая частота графического ядра в режиме Burst Mode, МГц

400

533

667

792

792

Поддержка PCI Express

4 линии PCI Express 2.0

Поддержка USB

USB 2.0, 3.0

Поддержка SATA

2 порта SATA II

Технология Intel VT-x

да

Технология Intel 64

да

Контроллер Intel HD Audio

да

Инструкции AES-NI

да

Диапазон допустимых температур (для кристалла процессора)

–40°C... +110°C

Требования по теплоотводу (TDP), Вт

5

6

7

8

10

Габаритные размеры

25x27 мм

Рекомендованная цена(1), долл.

31

34

37

41

52

Примечание: 
(1)Рекомендованная цена единицы продукции при поставках в партиях по 1000 штук. Источник: Intel (май 2014 г.)

Немаловажным фактором для многих разработчиков является и то, что продукты серии Atom E3800 представляют собой однокристальные микросхемы SoC (System on Chip, «система на чипе») – с соответствующим набором интегрированных функций, реализация которых в ином случае требовала бы наличия дополнительных активных компонентов (чипсета и/или дискретных контроллеров) и, как следствие, большего размера печатных плат. Скептики здесь могут заметить, что в семействе Atom уже были SoC-продукты (Stellarton), которые отнюдь не пользовались бешеным успехом на рынке. Но, во-первых, это все же были микросхемы, состоящие не из одного кристалла, а из двух, совмещенных в одном корпусе. А во-вторых, их применение, несомненно, сдерживалось тем фактом, что от разработчиков требовались основательные знания технологии FPGA.

Теперь обратимся к Bay Trail. Перед нами простая и удобная в использовании современная малогабаритная встраиваемая платформа (см. рис. 2) с отличным набором поддерживаемых аппаратных и программных интерфейсов. Более того, в случае с Bay Trail мы получаем масштабируемое решение в тех же самых границах энергопотребления и тепловыделения, которые зафиксированы для предыдущих поколений Intel Atom. Следовательно, при проектировании систем с качественно новым уровнем функциональности и производительности разработчики могут опираться на свой прежний опыт проектирования устройств охлаждения для платформы Intel Atom (если таковой имеется), а то и вовсе обходиться без них. Это весомый плюс прежде всего для разработчиков всевозможных компактных, мобильных, переносных, бортовых и т. п. решений, применяемых сейчас повсеместно – от промышленности, транспорта и медицины до телекоммуникаций и специальных приложений. В частности, можно отметить, что процессоры Bay Trail идеально подходят для создания устройств, выполняющих функции человеко-машинного интерфейса – HMI (Human Machine Interface). В качестве примера приведем бортовой компьютер «РТКон» компании «РТСофт», предназначенный для широкого спектра ответственных задач в таких сферах, как промышленность, энергетика, транспорт, спецприменения и т. д.  Это защищенная референсная HMI-платформа, которая может быстро и бюджетно адаптироваться для условий тех или иных конкретных приложений.

kit_2014-06-Pic_2_-_Bay_Trail_platform_block_diagram_.jpg

Рис. 2. Общая структура платформы встраиваемых систем на основе процессоров Intel Atom серии E3800 (Bay Trail)

Самый быстрый Atom на свете

Сравнивать процессоры по производительности и ранжировать их по результатам тестов – любимая народная забава. Этим в буквальном смысле занимаются все, кому не лень – от ИТ-производителей до широких масс рядовых обывателей. Платформу Bay Trail, как и следовало ожидать, сия участь тоже не миновала.

По имеющимся у нас на руках протоколам тестов встраиваемых процессоров серии Atom E3800 складывается однозначная картина. Bay Trail убедительно превосходит своих предшественников (серия Atom E600), а в графических тестах, пользуясь спортивной фразеологией, выносит их в одну калитку (см. рис. 3–5).

kit_2014-06-Pic_3_-_SiSoftware_Sandra_benchmarks_.jpg

Рис. 3. Сравнение производительности защищенных встраиваемых платформ Kontron на базе модулей COM Express mini с процессорами Intel Atom серий E3800 (Bay Trail) и E600 (Tunnel Creek) по результатам тестов SiSoftware Sandra 2011

kit_2014-06-Pic_4_-_Cinebench_benchmarks_.jpg

Рис. 4. Сравнение производительности защищенных встраиваемых платформ Kontron на базе модулей COM Express mini с процессорами Intel Atom серий E3800 (Bay Trail) и E600 (Tunnel Creek) по результатам тестов Cinebench R10

kit_2014-06-Pic_5_-_3DMark_benchmarks_.jpg

Рис. 5. Сравнение производительности защищенных встраиваемых платформ Kontron на базе модулей COM Express mini с процессорами Intel Atom серий E3800 (Bay Trail) и E600 (Tunnel Creek) по результатам тестов 3DMark

Сравнивать Bay Trail с процессорами на ядре ARM – дело куда менее благодарное. Во-первых, архитектурные различия затрудняют выработку и унификацию тестовых методик, дающих объективные результаты. Во-вторых, волей-неволей приходится учитывать возможный резонанс от подобных сравнений. Ведь своими корнями нынешние прения вокруг процессоров Atom и ARM уходят в извечные споры «CISC против RISC», где яростные обличения с обеих сторон и взаимные обиды наслаивались друг на друга десятилетиями. Тем не менее с выходом Bay Trail смельчаков, ставящих Intel Atom по производительности выше ARM, пусть с теми или иными оговорками, стало прибавляться. И хотя о безоговорочной победе речи, разумеется, пока нет, уже сам факт изменившегося дискурса является немалым достижением Intel.

Кому-то эти разборки, возможно, покажутся странными. Ведь мы говорим о процессорах, обладающих далеко не рекордной производительностью. Более того, как раз с точки зрения производительности их разработчикам приходится многим жертвовать – чтобы вписаться в заданные лимиты энергопотребления. Но давайте посмотрим на ситуацию с другой стороны. Взгляните на смартфоны, которыми сегодняшние десятилетние дети играют на улице. По производительности любой из них может оказаться сравним с многопроцессорным компьютером, который лет двадцать назад обслуживал АСУ крупного предприятия!

По сути, само понятие «высокая производительность» в некотором смысле начинает превращаться в фарс. Потому что когда мы видим промышленную систему на основе Intel Atom серии E3800, обрабатывающую и воспроизводящую HD-видеопотоки в реальном масштабе времени, язык не повернется назвать ее «низкопроизводительной». В таком контексте ранжирование процессоров по их производительности – не более чем формальность. Все упирается в максимальную сложность задач, решение которых требуется заказчику. И в очень многих случаях платформа Bay Trail оказывается вполне адекватной этой сложности за очень скромные деньги.

Открытая дверь – больше чем Windows

Когда на повестку дня выносится весьма революционное обновление встраиваемой платформы, вопрос его программной поддержки становится ключевым. С этих позиций, надо признать, запуск Bay Trail был подготовлен очень грамотно.

Исторически сложилось так (и эксперты не устают это повторять), что архитектура x86 всегда может дать фору любой альтернативной аппаратной платформе по части совместимости с системным и прикладным ПО, а также средствами разработки. Но одно дело – теоретизировать на тему возможных трудностей с адаптацией тех или иных программных сред под альтернативные аппаратные рельсы, совсем другое – вывести на рынок революционный продукт, обеспечив ему максимально возможную программную поддержку.

В случае с Bay Trail потребовалось выполнить поистине огромный объем работ. Прежде всего мы говорим о системном ПО. Работы по написанию и отладке драйверов, библиотек и прочего необходимого инструментария для различных ОС были начаты задолго до официальной премьеры серии Intel Atom E3800. Имея возможность следить за ходом этого процесса, мы видели, как постепенно, месяц за месяцем меняется программный интерьер готовящейся к запуску платформы – от альфа-версий для внутреннего тестирования через публичные бета-версии к стабильным итоговым релизам.

В итоге сегодня мы видим на рынке платформу, для которой гарантирована поддержка самых значимых ОС с точки зрения рынка встраиваемых решений. Это классическая «открытая дверь» для тех разработчиков, которые хотели бы располагать наибольшей свободой выбора в области системного ПО. Потому что, во-первых, как и следовало ожидать, обеспечена полная боеготовность к разработке встраиваемых решений под управлением современных ОС семейства Windows. Во-вторых, само собой гарантирована поддержка наиболее известных клонов ОС Linux. Ну и, конечно, список был бы неполным без ОС реального времени – таких как QNX, VxWorks.

Вещи из будущего

С модной аббревиатурой IoT, что расшифровывается как Internet of Things и переводится на русский язык как «Интернет вещей», процессоры Atom E3800 волей стратегов из Intel неразрывно связаны с самого дня своей официальной премьеры*. Для нынешнего поколения разработчиков ВКТ это удивительное, манящее Эльдорадо – то ли сказка, то ли частично уже быль, про которую аналитики хором говорят как о рынке с колоссальными перспективами. Они, правда, порой прилично расходятся в количественных оценках, но в любом случае речь идет о годовых объемах поставок в десятки (а то и сотни) миллиардов устройств и оборотах на неприлично большие количества долларов.

*То же самое касается иных, созданных маркетологами брендов-близнецов типа «Интернет всего», М2М и т. п.

Чтобы урвать свой кусок этого огромного пирога, требуется прежде всего решимость. Да, по-прежнему не выработано четкого единого определения, что такое этот самый «Интернет вещей». Не беда – каждый может сравнить трактовки, выбрать ту, что ему ближе, или придумать собственную. И вовсе не обязательно вдаваться в философские, культурологические и прочие дебри, что за последние годы выросли и расплодились вокруг этого понятия. Растущий рынок ждет реальных дел. Именно такой, сугубо материалистический подход, по сути, и адресует разработчикам встраиваемых решений корпорация Intel и ее многочисленные партнеры и последователи.

Вещи – вот, что нужно «Интернету вещей» – много новых умных вещей. Их кардинальное отличие от привычных вещей, окружавших нас раньше, состоит именно в интеллекте, который в них встроен. Хотите, чтобы ваши продукты стали частью этой формирующейся Вселенной? Вот вам входной билет в нее – платформа Bay Trail. Это платформа для тех, кто хочет делать вещи умными, способными генерировать данные, анализировать их, обмениваться ими с другими вещами. Или, если хотите, это архитектурный фундамент для принципиально нового поколения компактных встраиваемых решений – не просто подключаемых к сетевым средам, а реализующих концепцию M2M (Machine-To-Machine), т. е. межмашинного взаимодействия. А еще – удобный и надежный способ перенести на эти решения программный интеллект, ранее требовавший производительности уровня настольных систем и выше. Вас ждет прорыв в будущее индустрии ВКТ, а рефлексии на тему глубинной сути происходящих глобальных изменений оставьте философам и публицистам.

Без ненужного риска

Архитектурные достоинства и впечатляющие графические возможности Bay Trail вкупе с широкой поддержкой системного ПО и входным билетом в «Интернет вещей», бесспорно, согреют душу многим разработчикам. Но ведь это еще не все. Не забудем, что все пять моделей серии Intel Atom E3800 «первого созыва» штатно выпускаются с расчетом на эксплуатацию в диапазоне рабочих температур от –40 до +110°C. А заявленные для них базовые сроки доступности, по уже сложившейся традиции, составляют семь лет.

Эти шаги – ключ к дальнейшему расширению сферы применения систем на основе Bay Trail, и без того, кстати, немалой. И пусть вас не смущает, что на первых порах ведущие производители аппаратных средств для встраиваемых решений сделали основной упор на сравнительно небольшой номенклатуре продуктов – процессорных платах для систем CompactPCI формфактора 3U (например, Kontron CP3010-SA, см. рис. 6), малогабаритных материнских платах бюджетного класса (типа Kontron mITX-E38 и pITX-E38, см. рис. 7), одноплатных решениях в различных стандартах семейства PC/104 и ряде вариаций на тему COM (Computer on Module), или компьютеров на модуле. Как говорится, надо было с чего-то начинать. Разумно, что начали на тех направлениях, где предыдущие поколения процессоров Atom застолбили неплохие позиции.

kit_2014-06-Pic_6_-_Kontron_CP3010-SA_.jpg

Рис. 6. Kontron CP3010-SA – одна из первых процессорных плат CompactPCI формфактора 3U, выполненных на базе процессоров Intel Atom серии E3800

kit_2014-06-Pic_7_-_Kontron_motherboards_.jpg

Рис. 7. Примеры первых аппаратных реализаций платформы Bay Trail – встраиваемые материнские платы Kontron mITX-E38 (формфактор Mini-ITX) и pITX-E38 (формфактор Pico-ITX)

Гораздо интереснее вопрос: что ожидать дальше? Попробуем на него ответить. Свойства и возможности процессоров Intel Atom и систем на их основе отныне таковы, что можно с большой долей уверенности прогнозировать тотальный характер их экспансии на рынке ВКТ – не в этом поколении, так в следующем. В первую очередь это относится к решениям класса Box PC и различных типов промышленных ПК. Нет сомнений и в том, что волна, поднятая Bay Trail, накрывает практически все стандарты и формфакторы COM-продуктов. Это касается в том числе и стандарта SMARC, изначально разрабатывавшегося в первую очередь с расчетом на архитектуру ARM.

Логично будет, если на этой волне вновь вырастет интерес к Intel Atom со стороны разработчиков процессорных модулей AdvancedMC для систем MicroTCA, основной сферой применения которых по-прежнему остаются телекоммуникационные приложения. В прошлом мы уже видели попытки вывода на рынок таких продуктов. Так почему не сделать то же самое сейчас – с уже действительно высокопроизводительным процессором, который вдобавок еще и штатно выпускается с расчетом на жесткие условия эксплуатации? Шансы-то на успех явно повысились.

Схожая история и с системами VPX, где мы тоже уже видели эксперименты с созданием процессорных плат на основе Intel Atom. И по производительности те процессоры тоже были не чета нынешним. Да, это сверхконсервативный рынок. Это приложения высочайшей ответственности. Это заказчики, которые ценят прежде всего надежность и защищенность оборудования, опыт и репутацию его поставщика. Но мы знаем и то, что даже многократно проверенные временем решения, используемые спецприменений, атомной энергетике и аэрокосмической отрасли, периодически нуждаются в модернизации.

Наконец феномен под названием Bay Trail просто не может обойти стороной огромный мир частнофирменных решений, не подчиняющихся никаким стандартам.

Промышленность, транспорт, телекоммуникации, энергетика, сфера спецприменения и авионика – не секрет, что в России это самые платежеспособные рынки ВКТ. На всех этих рынках уже есть немалый интерес к решениям на основе Bay Trail, и в перспективе мы ожидаем, что он будет расти.

Фактор стоимости здесь тоже играет, кстати, не последнюю роль. Мы готовы утверждать, что, скажем, одноплатная боевая платформа жесткого исполнения (с расчетом на эксплуатацию при температурах от –40 до +85°C) на базе процессора Intel Atom серии E3800 при прочих равных будет стоить как минимум вдвое дешевле по сравнению со средней ценой аналогичных систем на основе процессоров Intel Core i7 третьего или четвертого поколения. Да, по производительности она им уступит, но при этом будет на 100% адекватна требованиям многих разработчиков в части минимизации энергопотребления и упрощения схем охлаждения. Это очень рациональный выбор!

Никак не следует недооценивать и фактор длительных сроков доступности продуктов. Семь лет базовой доступности на рынке – великолепный показатель. К тому же это ведь не только про процессоры Intel Atom серии E3800. Мы берем так называемый «роадмэп», т. е. планы по выпуску продуктов ведущего производителя аппаратных средств – допустим, это будет Kontron. И что мы видим? Поставки, к примеру, недавно дебютировавших на рынке модулей COM Express серий Kontron COMe-cBTi6 (в формфакторе COM Express compact) и COMe-mBTi10 (COM Express mini), а также SMARC-модулей Kontron SMARC-sXBTi (рис. 8) и вышеупомянутых материнских плат Kontron mITX-E38 и pITX-E38 гарантированы до конца 2020 года. И это далеко не предел!

kit_2014-06-Pic_8_-_Kontron_SMARC-sXBTi_.jpg

Рис. 8. Модули SMARC серии Kontron SMARC-sXBTi на процессорной платформе Bay Trail предназначены для создания низкопрофильных сверхкомпактных систем с высокой графической производительностью

Мы не будем здесь говорить о способах, позволяющих удлинить сроки доступности продуктов ВКТ в 2-3 и более раз по отношению к базовым, как того требуют консервативные рынки (т. е. до 15, 20, 30 лет). Важно, что такие способы существуют – легальные, сравнительно недорогие и обеспечивающие надлежащее качество поставок. Сам факт их наличия лишний раз укрепляет нас в том, что ставка разработчиков на Bay Trail – надежный вариант, не несущий в себе дополнительных рисков.

Заключение

В случае с процессорами Bay Trail мы видим явственно обозначенный новый уровень амбиций и претензий Intel на рынке компактных встраиваемых решений с малым энергопотреблением. При этом нужно отметить, что предыдущие поколения встраиваемых процессоров Intel Atom (Tunnel Creek и Stellarton) к концу прошлого года в сущности исчерпали весь свой потенциал, стремительно устаревая как в техническом плане, так и в моральном. Как следствие, контраст с идущим им на смену семейством SoC-продуктов Bay Trail получился на редкость ярким.

На рынке ВКТ снова дует ветер позитивных перемен, вселяя энтузиазм в разработчиков. Самое время оседлать поднятую им волну и двигаться вперед – к открывающимся горизонтам недоступных ранее возможностей встраиваемых систем. Нужно только не забывать контролировать курс и крепко держать штурвал.