Высокопроизводительные безвентиляторные системы: выжать максимум возможного из 15 Вт

Опубликовано в номере:
У разработчиков надежных IoT- и встраиваемых систем нет возможности применять в своих изделиях наиболее мощные модели новейших процессоров. Зачастую пределом для безвентиляторных систем служат магические 15 Вт расчетной тепловой мощности (TDP). Что может предложить 6-е поколение процессоров Intel Core в этом классе производительности и как решать нелегкие задачи теплового расчета?

Для проектирования высокопроизводительных IoT- и встраиваемых систем промышленного назначения пригодно лишь ограниченное подмножество новых процессоров. По сути, для повседневной эксплуатации в жестких условиях годятся только те из них, которые рассчитаны на работу без вентилятора. Это повышает надежность систем, испытывающих интенсивное воздействие внешних факторов, в том числе вибрационные и ударные нагрузки, и избавляет от необходимости в обслуживании даже после многолетней непрерывной работы.

 

Преимущества безвентиляторных систем

Благодаря отсутствию потребности регулярно менять воздушные фильтры и вентиляторы снижаются эксплуатационные издержки покупателей, а также сокращаются плановые и внеплановые простои изделий.

Еще один плюс безвентиляторных систем — возможность их герметизации. Герметичность обеспечивает высочайшую пылевлагозащищенность, которая чрезвычайно важна практически во всех изделиях промышленного назначения. Наконец, что тоже немаловажно, отсутствие вентилятора означает бесшумность работы, а это весьма желательное качество для устройств, работающих в непосредственной близости к людям, например в палате интенсивной терапии, профессиональной звукозаписывающей студии или контрольно измерительной лаборатории.

 

Особенности применения

Безвентиляторные системы относительно легко создавать на базе процессоров, потребляющих менее 10 Вт. Сейчас предел возможностей проектирования систем этого типа лежит в окрестности 15 Вт расчетной тепловой мощности. Многие разработчики IoT- и встраиваемых систем стремятся обойти этот предел, чтобы выжать максимум возможного из своих высокопроизводительных безвентиляторных конструкций и завоевать новые конкурентные преимущества. Вот некоторые примеры таких систем:

  • виртуализованные промышленные ПК, сочетающие средства управления и HMI в одной системе;
  • системы обработки фото- и видео­изображений в сфере автоматизации и безопасности;
  • промышленные многодисплейные аппаратные с подключением к шинным линиям связи;
  • профессиональная аудио- и видео­аппаратура;
  • высококлассные цифровые рекламно-информационные панели, цифровая реклама в общественных местах (DOOH);
  • аппаратура медицинской визуализации (КТ, МРИ, рентген и т. п.), эндоскопические рабочие станции;
  • измерительные системы, в которых вместо цифровых сигнальных процессоров (DSP) внедряются графические процессоры общего назначения (GPGPU);
  • автономные системы вождения автомобиля и компьютеризированного анализа обстановки;
  • профессиональные много­дисплейные игровые автоматы;
  • системы, интенсивно работающие с графикой, в которых требуется высокочастотная визуализация с разрешением 4K;
  • изделия, в которых требуется избавиться от вентиляторов для удешевления или повышения надежности.

Вдобавок во многих из этих систем требуется обеспечить взаимодействие с «Интернетом вещей» (IoT) и технологиями Industry 4.0. Для того и другого необходимы дополнительные возможности обработки данных и связи, в том числе шифрование и антивирусная защита. В связи с этим могут повыситься требования к вычислительной мощности. При проектировании изделий на пределе возможностей безвентиляторных систем приветствуется любое повышение производительности в рамках заданных тепловых ограничений.

 

Новое поколение процессоров Core

Новейшая процессорная платформа — 6-е поколение процессоров Intel Core i7/i5/i3. Предлагается широкий ассортимент этих процессоров в диапазоне мощностей от нескольких ватт до 91 Вт. Посмотрим, какие перспективы сулят процессоры класса «система на кристалле» (SoC) мощностью 15 Вт, на основе которых только и возможна разработка полноценных промышленных высокопроизводительных безвентиляторных систем.

Результаты сравнительного тестирования процессоров в данном классе производительности пока отсутствуют. Но есть все основания предполагать, что технический прогресс в сегменте SoC этого поколения процессоров сравним с тем, который достигнут в настольных модификациях, рассчитанных на работу с вентиляторами. По заявлению корпорации Intel, в сравнении с платформами пятилетней давности новые процессоры Core обеспечивают 2,5-кратный прирост вычислительной мощности, 30-кратный прирост производительности обработки трехмерной графики и троекратное увеличение длительности работы от батарей (все значения — максимальные). В сравнении с 5-м поколением (кодовое название Broadwell) прирост общей и графической производительности оценивается приблизительно в 10%, а увеличение энергоэффективности — в 11%.

Причины такого повышения производительности — уменьшенная до 14 нм проектная норма и полностью пересмотренная микроархитектура Skylake. Сюда входит оптимизированная коммутирующая матрица, которая соединяет процессорные ядра, графическую подсистему и кэш верхнего уровня (ранее кэш L3) в рамках архитектуры кольцевых шин. В модификациях SoC со сверхнизким напряжением питания (ULV), которые актуальны для 15-Вт конструкций, имеется также системный агент, интегрирующий контроллеры отображения, памяти и ввода/вывода. Новая технология Intel Speed Shift ускоряет переключение между различными состояниями энергопотребления, обеспечивая прирост производительности в 20–45% процентов по сравнению с процессорами Intel Core 5-го поколения. Одновременно снижается и потребляемая мощность.

С целью дальнейшего повышения энергоэффективности корпорация Intel уменьшила напряжения питания SoC и внесла уточнения в логику включения и выключения питания отдельных функциональных блоков. За счет этого снижается рассеиваемая мощность, а функциональные блоки могут эффективнее обеспечивать выполнение индивидуальных требований к производительности. Кроме того, это позволяет шире использовать технологию Turbo Boost, повышающую качество работы приложений в условиях пиковых нагрузок.

 

Графическая подсистема Intel в SoC 9-го поколения

Графическая подсистема, оптимизированная для Windows 10 и встроенная под названием Intel graphics 500 в новое, 9-е поколение 15-Вт SoC, также отличается повышенной производительностью. Она обеспечивает работу до трех независимых дисплеев разрешением 4K с частотой обновления 60 Гц посредством интерфейса DisplayPort 1.2. Поддерживается также интерфейс HDMI 1.4, а технология DirectX 12 обеспечивает еще более высокую производительность трехмерной графики в ОС Windows 10. Имеется также дополнительная интегрированная видеоподсистема с возможностью кодирования и декодирования видео в форматах HEVC, VP8, VP9 и VDENC при минимальной нагрузке на центральный процессор и низком энергопотреблении. Впервые стала возможной потоковая передача видео высокой четкости (HD) в обоих направлениях, т. е. как на компьютер, так и с него. Благодаря наличию 24 операционных блоков и поддержке стандарта OpenCL 2.0 графическая подсистема GT2 520 ULV-процессоров способна освободить центральный процессор от выполнения параллельных задач с большим объемом вычислений.

 

ОЗУ повышенного быстродействия

Еще одно новшество — поддержка ОЗУ DDR4. Это влечет целый ряд преимуществ: во-первых, существенное повышение полосы пропускания и быстродействия, а во-вторых — большая энергоэффективность по сравнению с ОЗУ предшествующего поколения (DDR3) за счет сниженного напряжения питания (1,2 В против 1,35). Вдобавок благодаря вдвое большей плотности памяти теперь в два гнезда для ОЗУ помещается 32 Гбайт рабочей памяти. Это громадный плюс для множества высокопроизводительных встраиваемых систем и основная причина того, что многие проектировщики стремятся как можно скорее перейти на использование процессоров нового поколения.

Учитывая высокие требования многих IoT- и встраиваемых систем к вводу/выводу, в 6-м поколении процессоров Intel Core обеспечена более высокая скорость ввода/вывода. В модификациях SoC, оснащенных шиной PCI Express 3.0, скорость передачи данных увеличена почти вдвое. Новое поколение процессоров также отличается вдвое большим, чем у предыдущего поколения, количеством интерфейсов USB 3.0: теперь их четыре. Благодаря наличию интерфейса камеры CSI MIPI-2, который впервые оснащен встроенным сигнальным процессором изображений (ISP), стала возможной обработка изображения с матриц в реальном времени с высокой энерго­эффективностью без вмешательства центрального процессора.

Первые три 15-Вт встраиваемых SoC на платформе Intel Core 6-го поколения — это двухъядерные процессоры Intel Core i7-6600U, Intel Core i5-6300U и Intel Core i3-6100U с поддержкой технологии Hyper-Threading (см. таблицу).

Таблица. 15-Вт встраиваемые SoC на платформе Intel Core 6-го поколения
Процессор Intel Core Число ядер/потоков Интелл. кэш, Мбайт Тактовая частота, ГГц Turbo Boost, ГГц TDP/cTDP, Вт Графика (GT2 520), МГц AMT
i7-6600U 2/4 4 2,6 3,4 15/7,5 300–1050 11.0
i5-6300U 3 2,4 3,0 300–1000
i3-6100U 2,3

Форм-фактор COM Express Compact

COM Express conga-TC170

Рис. 1. Компьютерный модуль COM Express conga-TC170

Расчетная тепловая мощность 15 Вт оптимально подходит для IoT- и встраиваемых систем компактного форм-фактора (SFF). Если нужен индивидуализированный набор интерфейсов, как это бывает во многих компактных системах, лучшим выбором становятся так называемые компьютеры на модуле (COM). Стандарт PICMG COM Express специально предназначен для сегмента высокопроизводительных систем. В конструкциях, где объем пространства ограничен, чаще всего применяется форм-фактор COM Express Compact. При размерах посадочного места 95×95 мм он предусматривает наличие двух двухрядных 440-контактных SMD-соединителей для подключения большого количества высокоскоростных интерфейсов. Кроме того, форм-фактор COM Express оптимизирован для высокопроизводительных интерфейсов стандартных ПК и отвечает самым высоким требованиям к механической прочности благодаря устойчивому соединению с платой-носителем, специфичной для конкретной конструкции. Во многих случаях форм-фактор COM Express Compact берется за основу именно в высокопроизводительных безвентиляторных конструкциях, особенно когда стандартные функциональные возможности материнских плат Mini-ITX не отвечают конструктивным требованиям или объем пространства в конструкции ограничен.

 

conga-TC170

Рис. 2. Модуль conga-TC170 с пассивным охлаждением и платой–носителем

Совместимы ли конструктивно система и процессор?

При индивидуальном проектировании встраиваемых систем перед проектировщиками встают нелегкие вопросы: совместима ли система конструктивно с выбранным процессором? Возможна ли будет долго­временная эксплуатация системы без перегрева, не будет ли отказов при пиковых нагрузках на изделие? Чрезвычайно важно сконструировать систему так, чтобы предотвратить перегрев процессора, поскольку в противном случае сократится срок его службы или последуют скорые отказы. К счастью, есть не один, а целых два фактора, облегчающих нахождение компромисса между предъявляемыми требованиями со стороны аппаратной части, процессора и изделия в целом, а также разработку приложений, которые по-настоящему выжимают максимум возможного из 15 Вт расчетной тепловой мощности.

Первый фактор — настраиваемая расчетная тепловая мощность (cTDP) процессора, второй — наличие на рынке безвентиляторных решений для охлаждения, хорошо сочетающихся с данным компьютерным модулем и процессором. Эти два фактора обеспечивают возможность пошаговой оптимизации конструкции согласно предъявляемым требованиям со стороны аппаратного обеспечения и изделия в целом. Расчетная тепловая мощность новых 15-Вт SoC-процессоров настраивается в диапазоне 7,5–15 Вт (рис. 1). Если велика вероятность перегрева системы изделия в определенных сценариях, можно свести к минимуму нагрев в некоторых точках, ограничив максимальное тепловыделение, чтобы система всегда оставалась в пределах допустимых тепловых режимов. Другой путь — испробовать различные варианты теплоотводов, если предлагаются разные принципы охлаждения в одном и том же форм-факторе (рис. 2).

Рис. 3. Теплораспределитель congatec представляет собой тепловой интерфейс, конструктивно определяющий высоту решений для охлаждения с идентичным форм-фактором

Поскольку стандарт PICMG COM Express разрешает проектировщикам ограничивать высоту теплораспределителя, можно разработать различные варианты теплоотводящих решений с одинаковым форм-фактором — от простых встроенных ребристых радиаторов и радиаторов, соединяемых с корпусом, до мощных пассивных охладителей со встроенными тепловыми трубками и теплораспределителями (рис. 3). Для полностью закрытых конструкций, в которых требуется по максимуму использовать имеющиеся 15 Вт, рекомендуется обеспечить внутреннюю конвекцию. Еще один вариант — соединить теплоотвод с наружным корпусом.

Благодаря настраиваемой расчетной тепловой мощности и наличию стартовых комплектов с гибкими вариантами теплоотвода проектировщики могут быстрее добиваться успеха в проектировании системы и корпуса, чем в обычном случае, когда приходится полагаться на метод проб и ошибок. Новое поколение процессоров Intel Core в перспективе значительно облегчит тепловой расчет. Однако перед производителями комплектного оборудования по-прежнему будут вставать сложные вопросы, требующие прямых консультаций с поставщиками модулей. Реальное преимущество возникает в том случае, если производитель предусмотрел прозрачный процесс, который гарантирует персональную поддержку и избавляет от необходимости каждый раз разъяснять все вопросы с нуля.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *