Новые технологии: Чип из новых кирпичей

С точки зрения используемых процессоров, встраиваемые системы всегда отставали от обычных компьютеров. Но Intel, AMD и другие производители микросхем утверждают, что теперь системы автоматизации и управления производством будут использовать новые технологические решения по мере появления на рынке аналогов для ПК.

Мэт Ченг — разработчик оборудования в компании-производителе оборудования и программного обеспечения для автоматизированных систем Opto 22 (г. Temecula, Калифорния). По своему роду деятельности он связан с разработкой новых процессоров и иногда интересуется микросхемами для встроенных приложений. Ранее в микросхемы встраивали компоненты, которые ни ему, ни какому либо другому разработчику никогда не понадобились. Впустую тратился объем кристалла, увеличивалась стоимость и потребление энергии.

„В большинстве новых продуктов — полупроводниковой промышленности этой проблемы больше не существует," — говорит Ченг.

Благодаря последним открытиям, плотность транзисторов стала настолько высокой, что дополнительные функции занимают очень мало места. Более того, то, что раньше считалось излишеством, например, Ethernet или беспроводной интерфейс, сейчас входит в необходимый минимум. Благодаря этому, Opto 22, которая обычно пользуется готовыми компонентами, удалось значительно понизить стоимость микросхем и повысить плотность интеграции.

Положение компании Opto 22 не уникально. Достаточно взглянуть на нескольких производителей микросхем и изменения в отрасли встраиваемых систем станут очевидными.

В Intel

Каждый мало-мальски знакомый с современным положением дел знает, что Intel Corp. (г. Santa Clara, Калифорния) производит микропроцессоры. Менее известно, что эта корпорация, перед тем как заняла первое место на рынке для персональных компьютеров, была крупнейшим производителем встроенных систем (данные Фила Амеса, менеджера Intel по маркетингу в отделении встроенных и коммуникационных систем).

Для встроенных приложений Intel предлагает решения со сроком -7лет, например, этот процессор Core 2 Duo и чипсет В прошлом чипы подобного уровня выходили на рынок встроенных приложений гораздо позже персональных аналогов. Теперь разрыв почти исчез (Источник: Intel Corp.)

В январе Intel объявила о прорыве в исследованиях 45-ти нанометровых транзисторов и возможности запустить линию с соответствующим процессом во второй половине этого года. Эти приборы настолько малы, что на кончике иглы их уместится около 30 миллионов. Чуть больше половины декады назад для встроенных приложений это заявление прошло бы незамеченным, потому что разрыв между технологиями встроенных и процессоров для настольных ПК составляет около двух лет. По словам Амеса, „такая ситуация в прошлом, сейчас разрыв равен нулю”.

Он обращает внимание на два случая в 2006 году, когда встроенный процессор появился через несколько недель после выпуска своего многоядерного аналога для настольных ПК. При таком положении дел задачи автоматизации оказываются только в выигрыше.

Например, при использовании нескольких независимых процессоров, одно ядро может отвечать за управление роботом в режиме реального времени, а другое — за пользовательские приложения. Таким образом, необходимые процессы не испытывают недостатка в процессорном времени или памяти. Амес отметил еще одно преимущество: при распределении задач по большему объему кристалла потребление энергии падает. Как показали опыты, по сравнению с одноядерным процессором двуядерный может решать в два раза больше задач, потребляя 40% мощности — для встроенных приложений это очень важное преимущество.

Не у каждого из чипов Intel будет аналог для встроенных приложений. Компания проверяет как чип, так и линии для его производства, чтобы гарантировать от 5 до 7 лет поддержки и выпуска. Это необходимо делать, потому что срок службы промышленных продуктов гораздо выше, чем у потребительских. Перед вложением многих миллиардов в производственную линию нужно убедиться в долговечности продукта. „После окончания проверки мы уверены в долгом сроке службы процессоров, и они начинают встроенный жизненный цикл, который несколько отличается от жизни настольных ПК,"- говорит Амес.

Тем временем в другом лагере

Компания Advanced Micro Devices Inc., или AMD является одним из конкурентов Intel. Джефф Чу (Jeff Chu), менеджер по маркетингу AMD в отделе встроенных решений отмечает, что компания также производит необходимые микросхемы. В настоящее время разрыв между выпуском процессоров для встроенных и настольных приложений сократился до 6 месяцев, в прошлом он был гораздо больше.

Чу утверждает, что при выпуске нового продукта AMD внедряет новейшие технологии, чтобы удовлетворить нужды встраиваемых приложений. Особое внимание уделяется увеличению срока службы и снижению потребления энергии. Чу упомянул топовый двуядерный процессор Athlon с номинальной мощностью всего 35 Вт. В некоторых режимах процессор может потреблять всего 12 Вт: вы можете снизить скорость и потребление энергии.

Такие процессоры подходят для одноплатных промышленных компьютеров. Также AMD предлагает линейку Geode, отличающуюся компактностью и низким потреблением энергии. При частоте 433 МГц эти процессоры потребляют всего 1,3 Вт. На них прекрасно работают все приложения под Windows и Linux, также обеспечена поддержка самого популярного и доступного ПО для 32-битных приложений Х86. Последняя модель линейки Geode работает на частоте 600 МГц и потребляет 2,6 Вт.

Не каждый из чипов AMD будет иметь аналог для встроенных приложений. Одна из причин — то, что продукты предназначены для работы не менее 5 лет, что требует значительных усилий для вывода каждого продукта или процесса. Кроме требований долговечности со стороны покупателя, необходимо решить вопросы сертификации, например, в Federal Aviation Administration. В некоторых случаях после одобрения конкретной системы все ее компоненты должны оставаться неизменными. Таким образом, AMD не может подписать соглашения и приступить к производству компонентов, не ответив на все вопросы.

Другие варианты

Кроме таких известных имен, как Intel и AMD, на рынке встроенных приложений есть и другие игроки. Один из них — частная компания Freescale Inc (г. Остин, Техас), отделившаяся от Motorola в 2004 году. Ее вложения не достигают уровня гигантов, но более миллиарда долларов в год на исследовательские и производственные проекты компания тратит.

Джефф Бок, менеджер по маркетингу мобильных приборов в Freescale отмечает, что компания снизила потребление энергии и цену своих продуктов. Для снижения мощности представлена архитектура, позволяющая пользователям отключать периферийные компоненты схемы. Изначально эта архитектура использовалась для мобильных приложений, но сейчас она завоевывает популярность и среди встроенных задач.

В области встроенных процессоров Бок отмечает тенденцию перехода от 8-ми и 16-ти битных на 32-х битные решения. Одна из причин этого, по его мнению, — использование шины CAN, а также появление беспроводных протоколов, например, ZigBee — экономичное по мощности решение небольшого радиуса действия. Желание воспользоваться этими технологиями часто побуждает пользователей обновить используемые процессоры. „Связь — вот что побуждает пользователей перейти на 32-х битные и более продвинутые решения," — утверждает Бок.

Материнские платы для встроенных приложений проходят проверку, которая в частности включает тестирование компаниями, не участвовавшими в производстве платы. Это гарантирует работу в подобных приложениях. Материнские платы выпускаются в различных форм-факторах и поддерживают разные комбинации процессоров, интерфейсов и ПО. (Источник: AMD Corp.)

Также существуют компании, предлагающие конкретное решение, а не процессоры общего назначения. Например, Rockwell Automation (г. Миллуоки, Висконсин) известна своими программируемыми контроллерами Logix. Компания не претендует на широкий рынок, но свои микросхемы она разрабатывает.

Скот Тнорио (Scott Tenorio), менеджер по стратегии контроллеров в Rockwell Automation видит несколько преимуществ в такой позиции компании. Благодаря кремниевым фабрикам сделать свой процессор не так уж и сложно. Более того, благодаря этому методу чипы компании могут работать на уровне битов, что позволяет оптимизировать одновременно и объем и потребление мощности.

Из выше сказанного не следует, что Rockwell пользуется только собственными разработками. Все зависит от конкретного приложения и от того, каким именно оно будет — лучшее решение.

А в будущем?

Будь это специально разработанный чип или общего назначения, все они не выходят за пределы соответствующей полупроводниковой технологии и пользуются ее преимуществами. В течение долгого времени развитие подчинялось закону Мура, который более 40 лет назад сформулировал, что количество транзисторов в чипе удваивается каждые несколько лет.

Мы уже знаем, что размеры процессоров снижаются в 0,7 раза каждые 3 года, — утверждает Боб Дуринг (Bob Doering), главный исследователь Texas Instruments (TI) (г. Даллас). Благодаря этой тенденции TI и другие компании могут предлагать контроллеры по более низкой цене, но с все большими возможностями.

Начиная с 1990-х годов развитие ускорилось, и время сократилось до 2,5 лет, в последние несколько лет наклон уменьшился и приблизился к своему историческому уровню. Однако, что случится в будущем пока неизвестно. Дуринг считает, что, по крайней мере до конца десятилетия или после внедрения 32-х нанометрового процесса развитие замедляться не будет.

После 2010 года перспективы неопределенны. Перефразируя известное выражение, технология может, но экономика не хочет. Затраты и риск могут оказаться слишком большими, особенно если потребуются новые технологии в фотолитографии или другой технологии производства.

Тем не менее, Дуринг считает, что не стоит недооценивать профессионализм исследователей. Возможный спаситель — иммерсионная фотолитография — это воплощение в области полупроводников идеи, над которой веками бились в микроскопии. Решение существует и закон Мура продолжит свое действие. По словам Дуринга „наши инженеры всегда готовы что-нибудь придумать”.

Материнские платы для встроенных приложений совместимы с различными микропроцессорами, включая двухядерные и поддерживают такие технологии, как PCIExpress, PCI, USB и Ethernet. Такие платы обеспечивают доступ встроенным приложениям к новейшим технологиям. (Источник: AMD Corp.)

Более подробная информация находится на сайтах:

www.amd.com
www.freescale.com
www.intel.com
www.opto22.com
www.rockwellautomation.com
www.ti.com