Встраиваемые компьютерные технологии: подрывные инновации или как достичь успеха

Выделены ключевые технологии в области встраиваемых компьютерных систем, появившиеся в последнее 10-летие: изменение ТП производства микросхем, многоядерные процессоры, виртуализация вычислений, 64-разрядные процессоры и устройства с повышенными требованиями к безопасности. Перечислены технические и неформальные характеристики современных встраиваемых ОС, которые разработчики учитывают при выборе ОС.

В 2000 г. в области встраиваемых компьютерных систем впервые появился термин "технологии-киллеры" (Killer Technologies). Так назвали важнейшие технологии, определяющие развитие этой отрасли, эффективное использование которых способно "убить" конкурента. К технологиям-киллерам были отнесены: язык Java, ОС Linux, применение реконфигурируемых процессоров, системы высокой готовности (high availability — HA), коммутируемые связные структуры (switched fabric), используемые в качестве межсоединений системного уровня, сетевые процессоры. Далее технологии развития встраиваемых систем приняли более "миролюбивый" характер, «киллеры» более не упоминались. Это понятие вновь всплывало позднее в области программных приложений (Killer applications).

Область встраиваемых компьютерных систем продолжала свое развитие. Открывались новые методы повышения конкурентоспособности, прокладывались пути, позволяющие соответствовать современным требованиям рынка.

В 2010 г. в публикациях, анализирующих состояние рынка встраиваемых систем, выделялись так называемые подрывные инновации (инновации, предполагающие не развитие существующих технологий, а их полную замену), благодаря которым производители устройств промышленного назначения получают значительные возможности по улучшению как самих устройств, так и бизнеса в целом. В частности, среди технологий, предоставляющих широкие возможности для достижения конкурентных преимуществ, выделялись [1]:

Многоядерные процессоры

В течение многих лет электронной промышленности удавалось снижать размеры элементов и размещать все больше транзисторов на той же площади микросхемы. Это стало основой закона Мура, представляющего собой результат эмпирического наблюдения о том, что число транзисторов на микросхеме удваивается каждые 18...24 мес. Однако в конце XX века этот прогресс вошел в противоречие с законами физики. Проблема заключается в том, что уменьшение размеров элементов происходит во всех трех измерениях. В результате различные слои микросхемы становятся слишком тонкими, что приводит к повышению энергоемкости процессоров и их перегреву. Если бы данная тенденция продолжилась, то, как говорят некоторые прогнозы, электронные микросхемы стали бы излучать столько же энергии (если брать на единицу площади), как поверхность Солнца. Другими препятствиями к продолжению развития в данном направлении стали разность в скорости работы между микросхемами процессоров и памяти, а также сложности в реализации все большего параллелизма обработки данных на одном процессорном ядре [2].

Таким образом, путь простого увеличения плотности размещения транзисторов на кристалле и повышения тактовой частоты практически исчерпал свои возможности. Решением, принятым на вооружение компанией Intel и другими производителями микросхем, стало размещение двух исполнительных ядер на каждой микросхеме. Каждое ядро является в значительной степени независимым процессором, хотя и с разделением некоторых ресурсов с соседями.

Новейшие многоядерные процессоры демонстрируют значительное увеличение обшей производительности и производительности на 1 Вт, по сравнению с одноядерными. Микроархитектура нового поколения характеризуется оптимизированным энергопотреблением, миниатюризацией (начали выпускаться микросхемы, изготавливаемые по 22-нанометровой технологии).

Одновременно с миниатюризацией развивается уровень интеграции. Интерфейсные технологии продолжают интегрироваться в процессорные микросхемы, улучшая их характеристики и расширяя функциональность. Для пользователя высокая интеграция эквивалентна низкой стоимости и увеличению надежности конечных систем. Системы на базе многоядерных процессоров также обеспечивают большую масштабируемость, позволяя наращивать вычислительную мощность увеличением числа ядер без вмешательства в ПО [1].

Таким образом, применение многоядерных процессоров стало наиболее подрывной и вместе с тем наиболее многообещающей инновацией на рынке встраиваемых систем за последние 10 лет.

Виртуализация вычислений

Другая важная технологическая тенденция класса «подрывных» — это виртуализация вычислений. Она предоставляет возможность нескольким виртуальным машинам работать на одной физической плате, представляя нижележащие ядра процессора, память и периферийные устройства как уровень абстракции. Вир-туализация позволяет использовать в одном и том же устройстве одновременно несколько ОС.

Технология виртуализации, предложенная компанией Intel - Intel Virtualization Technology, является компонентой двухъядерной технологии, обеспечивает более простое администрирование аппаратными средствами, позволяет работать множеству ОС и приложений как "виртуальным машинам" в независимых разделах на одной платформе. Это делает всю систему более устойчивой, так как разделяет процессы, которые конкурировали между собой за процессорное время в рамках системы с одним ядром. Разделы могут присваиваться по мере необходимости даже в условиях уже работающих систем. Благодаря более высокому уровню абстракции приложения могут "перемещаться" с одного сервера на другой. Виртуализация предлагает опцию для интеграции старых изолированных систем таких, как управление, сетевые экраны и серверы данных, которые раньше полностью изолировались от других частей системы. Все вместе это способствует значительному уменьшению стоимости решения [3].

Прирост производительности, обеспечиваемый комбинацией многоядерного процессора и технологии виртуализации, позволяет объединить в одном устройстве функции, ранее выполняемые несколькими отдельными устройствами. Такая интеграция уменьшает общий объем оборудования и снижает энергопотребление, что позволяет сократить число необходимых компонентов и получить выигрыш в эксплуатационных расходах.

64-разрядные процессоры

Корпорация Intel, признанный лидер микропроцессорной отрасли, приступила к разработке 64-разрядных архитектур в 1991 г., а первые системы на базе 64-разрядного процессора Itanium появились на рынке в 2001 г. Однако основное ПО на тот момент разрабатывалось с учетом 32-разрядной архитектуры. Но 32-разрядные приложения на мощных современных платформах Intel могли выполняться только в режиме эмуляции, что затормозило распространение инновации. Прорыв наступил в 2003 г., когда компания Advanced Micro Devices представила платформу AMD64, а также семейство 64-разрядных серверных процессоров Opteron. В отличие от Itanium на Opteron 32-разрядные приложения выполнялись с максимальной эффективностью. AMD положила начало переходу к более эффективным (с точки зрения соотношения цена/производительность) серверам. При этом пользователям не нужно было ждать появления 64-разрядных приложений. В 2004 г. компания Intel представила процессоры Pentium 4 с поддержкой 64-разрядных расширений, предназначенные для настольных ПК, а в 2005 г. - 64-разрядные версии процессоров Xeon для рабочих станций и серверов (http://stfw.ru). Так началась эра 64-разрядных процессоров.

Современные компьютеры оперируют данными, представленными в двоичном формате, 64-разрядные процессоры способны обрабатывать в определенный момент времени максимальный размер двоичных чисел. 64-разрядная платформа дает возможность приложениям, работающим с большими объемами данных, загружать их в память, создавая по-настоящему крупные структуры. Реализация технологий параллелизма и многопоточности на 64-разрядном процессоре значительно увеличивают удельную производительность встраиваемого дискретного устройства на 1 Вт потребляемой энергии. Этот параметр в прикладном плане видится важным критерием оценки функциональной дееспособности интегрируемого компьютера.

В настоящее время 64-разрядные процессоры применяются и во встраиваемых системах. Компания VIA пополнила семейство процессоров Nano для встраиваемых систем 64-разрядной версией Nano E. Новые процессоры поддерживают принцип виртуализации, позволяющий выполнять приложения в виртуальных средах, не оказывая влияния на быстродействие системы в целом. Компания отмечает значительный прирост производительности за счет перехода на 64-разрядную архитектуру благодаря двукратному увеличению объема данных, которые процессор способен обработать за один такт (www.ixbt.com/news/hard/index.shtml?13/20/34).

В конце 2012 г. компания Intel представила семейство процессоров Intel® Atom S1200 - первые в мире маломощные 64-разрядные серверные однокристальные системы, предназначенные для микросерверов с высокой плотностью размещения вычислительных ресурсов и нового класса энергоэффективных сетевых систем и систем хранения данных. Однокристальная система имеет два физических ядра и поддерживает четыре вычислительных потока благодаря технологии Intel® Hyper-Threading. Она также имеет контроллер памяти с поддержкой до 8 Гб памяти DDR3, восемь каналов PCI Express 2.0, поддерживает 64-разрядные вычисления, технологию Intel® Virtualization (Intel® VT), код коррекции ошибок (ECC) и другие интерфейсы ввода/вывода, реализованные в наборах микросхем. Новое семейство процессоров будет включать три модели процессоров с тактовой частотой 1,6…2,0 ГГц (www.intel.ru).

Изменение ТП производства микросхем

Традиционные МОП-транзисторы для микропроцессоров имели фиксированную архитектуру, и перспективы внедрения новых производственных технологий были очевидны: уменьшаем размеры по вертикали и горизонтали, понижаем напряжение и получаем более компактные, менее «прожорливые» в отношении энергии, более быстрые транзисторы. Конечно, периодически приходилось внедрять что-то новое: ионную имплантацию, самосовмещенные затворы, нитридные подзатворные элементы. Но сама архитектура оставалась неизменной в течение многих лет. Компоненты, выполненные по 130-нанометровой технологии, были, по всей видимости, последней «настоящей» технологией, реализованной в привычной архитектуре.

Начало 90-х годов XX века было отмечено кардинальными изменениями в отрасли. Тогда Intel создала полупроводники с одноосевой деформацией, выполненные по 90-нанометровому ТП. Эта разработка, отмеченная использованием кремний-германиевых элементов в р–канальных структурах металлоксид-полупроводник (МОП), открыла эпоху трансформации материалов, которая сопровождалась значительными изменениями как физических размеров, так и электрических показателей.

В 2003 г. на рынке появились микросхемы с революционной на тот момент 90-нанометровой проектной нормой. Новый ТП, по которому корпорация Intel планировала производить большую часть своей продукции, в том числе процессоры, наборы микросхем и коммуникационное оборудование, был разработан на опытном заводе корпорации Intel по обработке 300-миллиметровых пластин в г. Хиллсборо (шт. Орегон) [4].

Развитие продолжалось. И вот уже появились 65-нанометровые структуры, которые последними использовали подзатворный диэлектрик на основе диоксида кремния. Начиная с 45-нанометрового ТП, компания Intel перешла на новаторский на тот момент времени диэлектрик high-k на основе диоксида гафния. Выпуск 22-нанометровых структур ознаменовал конец 50-летней эпохи плоскостных МОП-транзисторов и переход к трехмерным 3D Tri-Gate.

Таким образом, сегодня, спустя 10 лет в результате бурного развития отрасли производства полупроводников, стало возможным изготовление микросхем по 22-нм техпроцессу. Компания Intel в 2013 г. начнет серийное производство мобильных процессоров ("систем-на-кристалле") нового поколения. Процессоры будут выпускаться по 22-нанометровому технологическому процессу. Они будут превосходить чипы нынешнего поколения по быстродействию (на 22…65 %) и по энергопотреблению. В настоящий момент современные процессоры Intel, предназначенные для смартфонов и планшетов, выпускаются по 32-нанометровому техпроцессу. Компания Qualcomm в производстве своих чипов использует 28-нанометровый техпроцесс, а компания Nvidia - 40-нанометровый. Intel уже освоила 22-нанометровый техпроцесс, но выпускает по нему только процессоры для компьютеров. В процессорах используются транзисторы 3-D Tri-Gate с тремя затворами. За счет особенностей конструкции утечки тока в Tri-Gate меньше, чем в традиционном транзисторе.

Компания Intel также работает над созданием нового поколения процессоров Atom под кодовым названием Avoton, обеспечивающих исключительную энергоэффективность. Новая разработка, представление которой ожидается в 2013 г., дополнительно расширит функциональные возможности однокристальных систем Intel. Использование 22-нанометровых транзисторов 3-D Tri-Gate позволит добиться выдающихся показателей энергоэффективности и производительности (www.intel.com).

Но развитие ТП производства микросхем не останавливается на достигнутом. Уже предложены перспективные решения: туннельные транзисторы, BISFET, графеновые структуры и спиновые полевые транзисторы. Они активно изучаются ведущими производителями полупроводников и отраслевыми организациями.

Повышенные требования к безопасности

Архитектуры с повышенными требованиями к безопасности усложняются по мере появления новых функциональных требований, новых требований нормативного соответствия и новых внешних угроз. Один из факторов, влияющих на рост сложности, — это необходимость интерфейса между промышленными устройствами и большим числом внешних систем и сетей, таких как Internet, Ethernet, производственное оборудование, точки оказания услуг, корпоративные сети, мобильные пользователи и т.д. В результате устройствам приходится поддерживать широкий спектр прикладного и связующего ПО разной степени критичности [1].

Ответом на требования современного рынка являются технологии, например, Intel® Identity Protection и Intel® Anti-Theft, призванные запретить вход в систему неавторизованным пользователям и приложениям и обеспечить безопасность данных, хранящихся как on-line, так и непосредственно на самих устройствах.

Совместная разработка компаний Intel и McAfee - технология McAfee DeepSAFE использует аппаратные функции, реализованные в процессорах Intel Core i3, i5 и i7. Новый программный уровень защиты, работающий ниже уровня ОС, позволяет осуществлять мониторинг активности системы памяти и процессора. Решения для защиты данных с поддержкой аппаратных функций, созданные на этой платформе, могут использовать новые методики для определения случаев заражения вирусами и для предотвращения возникновения вредоносных процессов (www.intel.ru).

Встраиваемые ОС

Итак, за последние 10 лет аппаратные возможности встраиваемых систем значительно расширились. Устройства с многоядерными 64-разрядными процессорами и трехмерной анимированной графикой уже не явля-ются экзотикой. Разнообразие представленных на рынке решений, многообразие интерфейсов и форм-факторов встраиваемых систем требуют серьезного подхода к выбору программно-аппаратной платформы, которая технически позволяет реализовать его конкурентные преимущества с минимальными затратами проектных ресурсов. Встраиваемая ОС определяет множество статей расходов, связанных с созданием устройства. Поэтому кратко остановимся на выборе ОС производителями встраиваемых решений под современную аппаратную базу и с учетом требований рынка.

При выборе встраиваемой ОС в первую очередь необходимо учитывать ее технические характеристики. Со стороны ОС в число заявляемых производителями характеристик обычно входят:

Кроме того, разработчики встраиваемых решений учитывают при выборе ОС следующие неформальные факторы.

Таким образом, задача выбора встраиваемой ОС - многокритериальная. Производители встраиваемых решений не разглашают методов, которыми они руководствуются при решении многокритериальных задач выбора на практике. Как правило, для обоснованного оптимального выбора требуется участие опытного эксперта в области встраиваемых решений, знающего особенности аппаратно-программных архитектур, законы рынка, ценообразования и лицензирования. В различных отраслях промышленности для принятия нестандартных многокритериальных решений применяются средства поддержки принятия решений, основанные на математических методах.

Метод поддержки принятия решений по выбору ОС

В работе [8] предложено использовать известный метод Т. Саати поддержки принятия решений в условиях многокритериального выбора — метода анализа иерархий или аналитического иерархического процесса (Analytic Hierarchy Process — АНР) для определения момента целесообразности перехода на другую ОС с целью улучшения конкурентных преимуществ выпускаемой продукции. Приведенные рассуждения вполне применимы и при первичном выборе ОС.

Для решения поставленной задачи требуется разработать систему критериев. Причем для каждого производства эти критерии будут разными в зависимости от характера производимых устройств, текущей стадии жизненного цикла продукта, бизнес-целей и т.п. Как именно каждый производитель выбирает и ранжирует критерии, зависит от конкретного случая. АНР как используемый механизм принятия решения должен позволять корректно учитывать все выбранные факторы.

Процесс принятия решения строится на вычислении предпочтений между несколькими факторами, попарно сравниваемыми в контексте некоего выбранного критерия. На принятие решения обычно влияет множество факторов. Можно упростить процедуру анализа, сгруппировав их в более высокоуровневые категории: аппаратные, программные, бизнес-факторы, факторы внешних контрагентов и т.д. Метод АНР позволяет системно подойти к расстановке приоритетов в списке заданных критериев того, что настало время начинать процесс миграции, или критериев отдать предпочтение конкретной ОС.

Теоретически использование метода Т. Саати подходит для решения поставленной задачи выбора ОС, и его применение способно помочь реализовать взвешенный и объективный подход. Но для его практического использования требуется проведение экспериментов, подтверждающих сходимость метода, то есть близость получаемого результата решения задачи к тому решению, которое можно принять за истинное.

Заключение

Аристова Наталья Игоревна
канд. техн. наук, главный редактор журнала "Автоматизация в промышленности".
Контактный телефон (495) 334-91-30.

Список литературы

• виртуализация вычислений;
• устройства с повышенными требованиями к безопасности.
• Добавим к этому списку 64-разрядные процессоры и изменение ТП производства микросхем.
• архитектурные принципы (тип ядра и планировщика, модель многозадачности и т.п.);
• временные характеристики (время реакции на прерывание, время переключения контекста, время перепланирования и т.п.);
• поддержка РВ (жесткое, мягкое или отсутствует);
• показатели надежности (например, среднее время восстановления после отказа);
• метрики производительности (например, пропускная способность файловой системы на заданном но-сителе) [6].
• Популярность у разработчиков: чем больше программистов отдают предпочтение данной ОС, тем проще собрать квалифицированную команду для реализации проекта на ее основе.
• Адаптация к работе с оборудованием от разных производителей. Решение проблем программно-аппаратной совместимости — трудоёмкая задача, требующая высококвалифицированных специалистов, поэтому сведение этих проблем к минимуму способно существенно сократить проектные расходы.
• Интеграция с инфраструктурными технологиями прикладного уровня, в том числе созданными для других ОС. Усложнение ПО встраиваемых устройств стимулирует стандартизацию их графических и коммуникационных сред, подсистем управления устройствами, средств повышения безопасности, управления конфигурациями и др. Возможность обеспечить требуемую инфраструктуру при помощи готовых решений существенно ускоряет и удешевляет разработку устройства.
• Простота освоения, использования и обслуживания. Встраиваемые ОС поставляются с инструментами разработки целевых устройств. Если цикл разработки встраиваемого ПО с помощью этих инструментов состоит из несложных и эффективных процедур, то специалисты экономят время на их изучение и освоение [7].
• Масштабируемость - возможность подобрать нужную конфигурацию ОС для выбранной аппаратной платформы и с учетом развития проекта.
• Приемлемые лицензионные отчисления и гибкое ценообразование. Необходимо учитывать, что в рыночных условиях цена продукта представляет собой лишь долю средств, которые покупатель продукта платит за его ис-пользование, особенно в случае продукта с длинным жизненным циклом. Любая техника требует обслуживания, ремонта, модернизации и т.п., а это всегда выливается в дополнительные расходы. Поэтому при выборе ОС корректнее говорить не о цене продукта, а об интегральном критерии так называемой суммарной стоимости обладания (Total Cost of Ownership - TCO). Соответственно, вместо привычного соотношения "цена — качество" на передний план выходит соотношение "TCO — качество" [6].

В заключение отметим еще раз, что область встраиваемых компьютерных технологий — это динамично развивающаяся и конкурентная среда. В этой среде активно применяются современные научные наработки и проверенные временем подходы с целью улучшения характеристик выпускаемых решений, сокращения времени между идеей и выходом на рынок готового изделия, оперативного реагирования на новые требования рынка. Отдельные инновации этой среды в результате их научно-технической значимости и актуальности приобретают статус подрывных, но не разрушают область, а способствуют ее дальнейшему развитию, и приводят своих разработчиков и пользователей к бизнес-успеху.

• 1. Виганд Й., Чамберс М. Применение многоядерных процессоров и виртуализации в приложениях повышенной безопасности // Современные технологии автоматизации. 2010. №3.
• 2. Панфилов П.Б., Пономарев Д.В. Мультиядерные процессоры в промышленной автоматизации мультиядерность и виртуализация // Автоматизация в промышленности. 2011. №3.
• 3. Золотарев С.В., Рыбаков А.Н. Большой взрыв в мирных целях или многоядерные компьютерные системы // Автоматизация в промышленности. 2006. №2.
• 4. Пахомов С. 90-нанометровая технология производства процессоров // Компьютер Пресс. 2003. №1
• 6. Горбунов Н.Б. Встраиваемая ОС как основа успеха // Автоматизация в промышленности. 2004. №3.
• 7. Кузнецов А.А. Windows Embedded - технологии для современного мира // Автоматизация в промышленности. 2012. №3.
• 8. Фейи Т. Определение ключевого фактора для смены программной платформы // Современные технологии автоматизации. 2011.№4.