ПРЕСС-ЦЕНТР

Встраиваемые компьютерные технологии нового поколения

МКА:ВКС, 5/2013

Евгений Андреев

11 октября 2013г. в Москве состоялась традиционная осенняя пресс-конференция компании «РТСофт», на которую были приглашены журналисты отраслевых СМИ. Докладчиками на мероприятии со стороны «РТСофт» выступили Юрий Якшин – директор по маркетингу ВКТ, Александр Ковалёв – директор по развитию бизнеса и Алексей Исаев – директор направления встраиваемого системного ПО. В конференции также принял участие Игорь Рудым – менеджер по продажам встраиваемых решений корпорации Intel. Собравшимся журналистам было рассказано о новых технологиях и продуктах компаний Kontron и «РТСофт» на базе новейших процессоров Intel Core 4-го поколения, а также Intel Atom.

Встраиваемые компьютерные технологии нового поколения

В своём докладе Юрий Якшин (рис. 1) рассказал о выводе на российский рынок компаниями Kontron и «РТСофт» широкого спектра систем, плат и модулей с длительными сроками доступности для промышленных, оборонных, транспортных и телекоммуникационных приложений на основе процессоров Intel Core 4-го поколения.

Юрий Якшин, директор по маркетингу направления ВКТ

Рис. 1. Юрий Якшин, директор по маркетингу направления ВКТ

На сегодняшний день уже доступны четыре серийных интеллектуальных платформы с повышенной вычислительной и графической производительностью и эффективным энергопотреблением (рис. 2). Используя их, клиенты «РТСофт» и Kontron смогут незамедлительно приступить к разработке собственных решений и значительно сократить время выхода на рынок.

Новые серийные платформы Kontron на Intel Core 4-го поколения

Рис. 2. Новые серийные платформы Kontron на Intel Core 4-го поколения

Первыми серийно-выпускаемыми интеллектуальными изделиями Kontron на процессорах Intel Core 4-го поколения стали COM Express-модуль COMe-bHL6, Mini-ITX-материнские платы KTQ87/mITX и KTH81/mITX, 6U CompactPCI-плата CP6005-SA, а также сервер для облачных вычислений SYMKLOUD Media. Основанные на новой микроархитектуре Intel, известной ранее под кодовым наименованием Haswell, платформы обладают новыми функциями, в числе которых набор инструкций Intel AVX2 для ускорения интенсивных вычислений с плавающей запятой, а также усовершенствованный набор команд AES-NI Intel, форсирующий кодирование и декодирование данных. Приложения, где нужна наивысшая скорость обработки графики, выиграют от повышенной производительности новых продуктов, которая по сравнению с решениями на процессорах предыдущего поколения выросла в 2 раза. При этом тепловыделение осталось на прежнем уровне.

Юрий Якшин отметил, что новые платформы предназначены в том числе для построения целевых приложений для систем обработки цифровых сигналов и изображений промышленного, военного, авиакосмического, медицинского и правительственного назначения, а также для организации облачных вычислений поставщиками видеоконтента и других применений. OEM-производители, создающие эффективные графические интерфейсы для интеллектуальных систем с выводом на экран видео, графики и интерактивного контента, смогут воспользоваться такими преимуществами, как повышенная производительность создания трёхмерной среды и отображения медиаинформации, а также поддержкой технологий DirectX 11.1 и OpenGL 4.x. Ещё одна полезная функция новых платформ – поддержка дисплеев с разрешением 4K (4096 пикселей по горизонтали), подключаемых через интерфейсы DVI или HDMI.

В рамках второй части доклада Юрий Якшин объявил о поддержке холдингом Kontron и компанией «РТСофт» новой 22-нм архитектуры микропроцессоров Intel Silvermont (Atom E38xx, Bay Trail) на своих встраиваемых продуктах, а также о расширенном перечне сервисов для новых x86 System-on-Chips (SoCs).

Разработчики интеллектуальных систем смогут воспользоваться всеми преимуществами улучшенной графики, обеспечиваемой интегрированной в процессор графикой нового поколения Intel Gen 7. Теперь разработчики смогут использовать не только одноядерные и двухъядерные, но также и четырёхъядерные процессоры, которые спроектированы для работы в расширенном температурном диапазоне.

Изначально холдинг Kontron планирует поддержку новой микроархитектуры на «компьютерах-на-модуле» стандартов SMARC, COM Express Mini и compact, на материнских платах формата Pico-ITX и Mini-ITX, а также на процессорных модулях 3U CompactPCI.

Юрий Якшин обратил внимание на то, что в дополнение к своему продуктовому портфолио холдинг Kontron и «РТСофт» предлагают широкий спектр сервисов по индивидуальному проектированию на уровне систем и плат, призванных адаптировать конечные решения к конкретным прикладным требованиям. Сюда входят и многочисленные сервисы, связанные с программным обеспечением, например по операционным системам, реализации гипервизоров, а также поддержка миграции, в том числе валидации и верификации. Благодаря такой всесторонней поддержке, клиенты компаний смогут воспользоваться готовыми к применению платформами и полностью сконцентрироваться на своей ключевой компетенции, сократив при этом время и затраты на разработку и производство собственных приложений.

Представитель корпорации Intel Игорь Рудым (рис. 3) рассказал на пресс-конференции о новейших продуктах Intel, на базе которых компании Kontron и «РТСофт» анонсировали свои модули и устройства. Игорь напомнил о модели производства под названием «тик-так», согласно которой каждые два года меняется микроархитектура и техпроцесс, по которому выпускаются продукция компании (рис. 4). Под изменениями микроархитектуры подразумевается добавление нового функционала, новых блоков, новых команд, и т. д. А под изменением техпроцесса – уменьшение размеров транзисторов. Последнее приводит к уменьшению токов утечки, в результате чего процессор меньше греется и потребляет меньше энергии. При этом можно увеличить его частоту, сохранив исходный термальный пакет. Таким образом, при тех же конструктивных параметрах процессоры становятся быстрее, а производителю аппаратуры ничего не нужно менять ни в системе охлаждении, ни в дизайне компьютеров. Согласно концепции «тик-так», в 2013 году на заводе с технологией 22 нм производится микроархитектура под кодовым названием Haswell или процессоры Intel Core 4-го поколения. В 2014 году микроархитектура Haswell будет производиться по новому техпроцессу 14 нм, а в 2015 году будет разработана очередная новая микроархитектура.

Игорь Рудым, менеджер по продажам встраиваемых решений корпорации Intel

Рис. 3. Игорь Рудым, менеджер по продажам встраиваемых решений корпорации Intel

Циклы производства "тик-так"

Рис. 4. Циклы производства «тик-так»

Уже сегодня в Intel ведутся разработки техпроцесса 8 нм, а значит по крайней мере на 6 лет Intel будет обеспечена производством. Что будет дальше, пока неизвестно, поскольку при таких малых размерах полупроводниковых структур начинают проявляться законы квантовой физики. Пока Intel борется с нежелательными эффектами, применяя различные новые материалы, например гафний.

Сегодня компания Intel поставляет свои продукты во все сегменты встраиваемых решений – от высокопроизводительных вычислительных компьютеров до систем малого формфактора с низким энергопотреблением. Игорь Рудым особо отметил, что для Intel продукты для встраиваемых и общих применений не сильно отличаются друг от друга. Различия состоят в том, что процессоры для встраиваемых применений выпускаются 5–7 лет, а процессоры для обычных применений имеют гораздо меньший жизненный цикл производства.

Также, согласно требованию индустрии Embedded, процессоры для встраиваемого применения чаще выпускаются в корпусах, предназначенных для пайки, а не для установки в сокет. Как правило, такой процессор имеет контроллер чётности памяти, который не нужен в обычных компьютерах. Но это одна и та же микроархитектура, по сути один и тот же процессор, что сильно облегчает труд разработчика. Например, программа, предназначенная для работы на радиолокационной станции, может быть оттестирована на обычном компьютере, проверена, а затем перенесена на рабочую машину.

На рис. 5 показано, как выглядит процессор 4-го поколения. На едином кристалле присутствуют четыре или более ядер, графическая система и контроллер памяти. Размер кристалла 177 мм2, а количество транзисторов в нём уже примерно 1,4 млрд штук. Здесь применяются трёхмерные FinFET-транзисторы новой формы, когда на затвор в форме акульего плавника «надеваются» исток и стоки. Это также помогает бороться с токами утечек и физическими ограничениями.

Структура процессора Intel Core 4-го поколения

Рис. 5. Структура процессора Intel Core 4-го поколения

В процессоры 4-го поколения добавлены новые инструкции, которые помогают решать многие дополнительные задачи (рис. 6). Например, добавлены инструкции, позволяющие использовать процессоры не только для запуска операционной системы и работы традиционных приложений, но также для цифровой обработки сигналов. Набор инструкций AVX 2.0 позволяет работать с 256-битными данными за одну инструкцию. Ещё одна дополнительная очень интересная инструкция называется Fused Multiply Add. С её помощью можно умножить два регистра и прибавить это значение к третьему регистру. Это часто используется в преобразованиях Фурье, что опять-таки увеличивает скорость обработки цифровых сигналов.

Новые инструкции процессоров Intel Core 4-го поколения

Рис. 6. Новые инструкции процессоров Intel Core 4-го поколения

Следующая интересная технология называется Transactional Synchronization Extension (TSX). Она позволяет двум независимым потокам обращаться к одной и той же ячейке памяти. Теперь можно не только из одной ячейки памяти одновременно читать потоковые данные, но и записывать их, чего раньше сделать было невозможно.

За счёт уменьшения размера кристалла улучшилось его энергопотребление, что отразилось на времени работы от батареи, которое увеличилось примерно в 2 раза, а время работы в режиме ожидания увеличилось примерно в 10 раз.

Игорь Рудым обратил внимание на рост производительности встроенной графики процессоров Intel. Из рис. 7 видно, что производительность графических подсистем выросла в 75 раз по сравнению с 2006 годом, когда встроенная графика впервые была анонсирована.

Рост производительности встроенной графики процессоров Intel

Рис. 7. Рост производительности встроенной графики процессоров Intel

Технологические новинки графической подсистемы процессоров 4-го поколения представлены на рис. 8. Графическая подсистема процессоров 4-го поколения поддерживает аппаратное декодирование видеопотоков, не загружая при этом процессор.

Технологические новинки графической подсистемы процессоров Intel Core 4-го поколения

Рис. 8. Технологические новинки графической подсистемы процессоров Intel Core 4-го поколения

Энергопотребление процессоров также улучшено. Уже сейчас доступны процессоры серии Y, которые потребляют меньше 7 Вт, что позволяет создавать действительно уникальные и энергоэффективные решения на довольно производительных процессорах. Для революционного увеличения времени работы от батарей в режиме Standby был добавлен режим Si03 – так называемый анабиоз. В этом состоянии процессор полностью выключен; работает только маленький блок, который отслеживает сигнал, пробуждающий систему.

Особое место в своей презентации Игорь Рудым отвёл новому процессору с кодовым названием Bay Trail. Для рынка он будет называться Atom E38xx, где 38 – серия процессора, а хх – код, говорящий о частоте, количестве ядер, объёме кэш-памяти и т. д.

Этот процессор представляет собой «систему-на-кристалле» и позволяет создавать уникальные очень малогабаритные решения (рис. 9).

Платформа Atom E38xx (Bay Trail)

Рис. 9. Платформа Atom E38xx (Bay Trail)

В единый кристалл интегрированы ядра, контроллер памяти, графика, контроллер периферии, обеспечивающий работу всех основных портов ввода-вывода. Это означает, что разработчикам нет нужды больше использовать южный мост. Если нужны какие-то специфические порты, то можно использовать шины PCI Express, которых у процессора 4, и подключать через них дополнительные контроллеры ввода-вывода.

Управление питанием также переведено на кристалл. Энергопотребление процессора составляет менее 7 Вт. В процессоре используется графика 7-го поколения – такая же, как в процессорах Intel Core 3-го поколения.

В завершение своей презентации Игорь Рудым рассказал о новом, очень интересном продукте компании – процессоре Intel Quark, анонсированном совсем недавно. В этом решении Intel привнесла архитектуру х86 в те приложения, где раньше её не было и никто о ней даже не думал. По сути, это процессор Pentium, который работает на частоте 400 МГц и изготавливается по техпроцессу 22 нм. Энергопотребление нового процессора максимум 2 Вт, в случае, когда все транзисторы переведены в открытое состояние. Его характеристики представлены на рис. 10. Этот процессор также представляет собой полностью «систему-на-кристалле» со всей необходимой периферией. Процессор предназначен для работы в расширенном температурном диапазоне от –40 до + 85 °С.

Процессор Intel Quark

Рис. 10. Процессор Intel Quark

Kontron будет одной из первых компаний, которая выведет на рынок промышленные решения на этом процессоре. После анонса продукта он будет поддерживать почти все операционные системы за исключением Windows XP и старше.

Следующий доклад, сделанный Александром Ковалёвым (рис. 11) был посвящён двум продуктам, первый из которых – сверхкомпактная многофункциональная оценочная платформа «Кена», разработанная компанией «РТСофт» для создания перспективных встраиваемых систем на модулях COM Express с поддержкой Intel Core i7/i5/i3 4-го поколения (рис. 12).

Александр Ковалёв, директор по развитию бизнеса компании "РТСофт"

Рис. 11. Александр Ковалёв, директор по развитию бизнеса компании «РТСофт»

Универсальная плата-носитель "Кена"

Рис. 12. Универсальная плата-носитель «Кена»

В докладе было отмечено, что в условиях быстрой смены компьютерных технологий, сокращения бюджетов, сокращения циклов и стоимости разработок, единственный способ быть конкурентоспособными – это быстро выводить на рынок свои изделия. «РТСофт», Kontron и Intel стараются делать всё для того, чтобы наши отечественные производители встраиваемых систем как можно быстрее выводили свои решения на рынок. Для этого необходимо обладать и уметь пользоваться определённым набором эффективных инструментов.

Одним из таких инструментов много лет является сверхпопулярная среди разработчиков во всём мире модульная COTS-технология COM Express, имеющая статус международного отраслевого стандарта PICMG. «Компьютеры-на-модуле» в этом стандарте появляются на рынке одновременно с анонсированием новейшей процессорной архитектуры и позволяют ОЕМ-производителям не разрабатывать сложное вычислительное ядро с нуля, экономя время и деньги. Например, флагманские модели COM-модулей холдинга Kontron серии COMe-bHL построены на новейших процессорах Intel Core i7/i5/i3 4-го поколения (кодовое наименование Haswell): от бюджетного варианта с низким энергопотреблением до мощной версии с четырёхъядерным процессором Intel Core i7 с частотой до 4x 2,4 ГГц.

Модули COMe-bHL6 на этих процессорах обладают наивысшей вычислительной мощностью и в два раза более высокой графической производительностью по сравнению с предшественниками на Ivy Bridge. Они поддерживают работу до трёх независимых дисплеев с разрешением до 4K (UltraHD), что позволяет создавать приложения с ранее недостижимым уровнем визуализации. Поддержка технологий DirectX 11.1 и OpenGL 4.x обеспечивает особые визуальные эффекты при выводе на дисплей видео-, графического и интерактивного контента. Благодаря интеграции технологий Intel AVX2 и OpenCL 1.2, модуль COMe-bHL6 обеспечивает двукратное повышение производительности вычислений с плавающей запятой.

Ещё одним эффективным инструментом, позволяющим снизить риски при проектировании в высоком темпе, является использование верифицированных плат-носителей для модулей COM Express, где в отличие от модулей реализуется основной функционал прикладной задачи. Использование готовых носителей с тщательно выверенными функциональными интерфейсами (PCI Express, USB 3.0, Gigabit Ethernet, DP/HDMI, LVDS и др.), подсистемой электропитания резко сокращает сроки и стоимость разработки серийного изделия, поскольку основная часть работы уже сделана.

Примером такого инструмента является универсальный носитель «Кена», производства «РТСофт», который поддерживает все новейшие компьютерные технологии в рамках стандартов COM Express basic и compact, позволяя масштабировать вычислительную мощность до Intel Core i7/i5/i3 4-го поколения. Дизайн-центр ВКТ «РТСофт» передаёт российским разработчикам и OEM-производителям встраиваемых систем вместе с носителем «Кена» сопроводительную инженерную документацию (схемы, чертежи и т. д.), чтобы в кратчайшие сроки адаптировать функционал, габариты, систему охлаждения под требования конкретного приложения. Носитель «Кена» ориентирован на ускоренную разработку на базе Intel Core i7/i5/i3 4-го поколения компактных и функциональных компьютерных систем самого широкого назначения. Это цифровая реклама, информационная индустрия, ритейл, промышленные приложения, телеком, транспорт, приборостроение и оборона.

Отличительными свойствами носителя «Кена» являются сверхкомпактные размеры 150 мм × 125 мм × 48 мм, прочная механическая конструкция, возможность исполнения конечной системы с вентиляторным или кондуктивным охлаждением, дополнительный функционал, резко облегчающий использование носителя в дисковых и сетевых, в том числе беспроводных, коммуникациях.

Чтобы сделать такую плату под конкретную задачу, необходимо инвестировать примерно 100 000 евро и минимум полгода инженерного труда. «РТСофт» же предлагает уже готовое универсальное решение стоимостью всего 200 евро при партии от 200 шт.

«Доступные и эффективные инструменты разработки встраиваемых систем наряду с потрясающими возможностями новейших процессоров Intel Core 4-го поколения позволяют отечественным OEM-производителям создавать высококонкурентную продукцию мирового класса, – подчеркнул Александр Ковалёв. – Для упрощения и удешевления этой работы наши партнёры могут безвозмездно получить серийные носители «Кена» во временное пользование и уже сейчас приступить к созданию перспективных продуктов на Intel Core 4-го поколения».

Дополнительные сервисы «РТСофт» включают в себя разработку ПО, портацию ОСРВ, серийное производство и техническую поддержку на протяжении всего жизненного цикла изделия.

Александр Ковалёв напомнил журналистам и о другой оценочной платформе, разработанной в компании «РТСофт». Это защищённое устройство отображения информации для оборонных, транспортных и иных применений «РТКон», анонсированное полгода назад. Архитектура COM Express, которая здесь используется, позволяет осуществлять значительные модификации изделия. Так, практически одновременно с выходом на рынок платформы Bay Trail появилась возможность создавать решения с беспрецедентно высокой графикой на базе данной платформы для использования при минусовых температурах.

Завершил пресс-конференцию директор направления встраиваемого системного ПО Алексей Исаев (рис. 13). В своем докладе он объявил о том, что компания LynuxWorks, мировой лидер на рынке встраиваемого ПО, добавила поддержку нового семейства процессоров Intel Core i7 и i5 4-го поколения во все свои основные продукты – LynxOS, LynxOS-178 и LynxSecure. Это произошло одновременно с началом производства этих процессоров.

Алексей Исаев, директор направления встраиваемого системного ПО

Рис. 13. Алексей Исаев, директор направления встраиваемого системного ПО

LynxOS – детерминированная встраиваемая операционная система жёсткого реального времени (ОСРВ) с программным интерфейсом POSIX. Поддержка 4-го поколения процессоров здесь совпала со значительным обновлением – увидела свет версия LynxOS 7.0. Помимо поддержки последних процессорных архитектур компании Intel в новой версии сделан серьёзный упор на безопасность данных. В настоящее время, когда всемирная сеть действительно стала «Интернетом вещей», так как количество подключённых устройств давно превысило численность населения Земли, стала актуальной как никогда проблема безопасности данных и коммуникаций, реализуемая на самом устройстве, а не только общая безопасность среды обмена информацией. Защищённость самого устройства крайне важна в таких технологиях, как, например, М2М (machine-to-machine), где безопасность используемой ОС имеет решающее значение. И здесь LynxOS 7.0 готова предложить разработчикам великолепный набор современнейших технологий обеспечения безопасности, выдвигая на первый план проблему защиты как данных внутри системы, так и данных, передаваемых через проводные и беспроводные каналы связи, такие как WiFi 802.11, сотовые сети, Bluetooth или ZigBee.

Поддержку последнего поколения процессоров Intel получили и другие продукты компании LynuxWorks: ОСРВ LynxOS-178 – версия LynxOS с разделением процессорного времени и адресного пространства, разработанная специально для высоконадёжных ответственных приложений, в числе которых сертифицируемые авиационные приложения; LynxSecure – ядро разделения и встроенный гипервизор типа 0, предоставляющий среду, в которой одновременно могут работать несколько гостевых операционных систем со своими приложениями в собственных виртуальных разделах без ущерба для безопасности, надёжности и целостности данных.

В комбинации с любой из операционных систем LynuxWorks новые процессоры становятся уникальной платформой для разработки встраиваемых систем следующего поколения.

LynxSecure – одно из самых гибких решений безопасной виртуализации для использования во встраиваемых и вычислительных системах на архитектуре Intel. Разработанное с самого начала для обеспечения максимального уровня безопасности в вычислительных системах военного назначения, LynxSecure теперь предлагает наилучшее в отрасли сочетание безопасности и функциональности, предоставляя разработчикам и интеграторам самые последние технологии программного и аппаратного обеспечения для создания сложных систем на основе различных ОС. Ядро разделения LynxSecure позволяет запускать полностью виртуализированные гостевые ОС, такие как Windows, Solaris, Linux, Android и Chromium OS, не требуя для этого никаких изменений этих ОС. Другая важная особенность, которую предлагает LynxSecure, – возможность запуска гостевых ОС, поддерживающих симметричную мультипроцессную обработку. Четырёхъядерный процессор Intel Core i7 делает эту функцию реальной, позволяя одной из гостевых ОС работать с несколькими ядрами, обеспечивая производительность, которая ранее была недоступна в виртуализированной встроенной системе.

В заключение Алексей Исаев обратил внимание собравшихся журналистов на то, что процессор Bay Trail – это не просто очередная веха эволюционного развития аппаратных платформ от Intel, а настоящее революционное явление в мире компактных встраиваемых систем. И в этом свете ПО от LynuxWorks шагает в ногу с новейшими аппаратными технологиями.