Основные тенденции развития цифровых технологий в 2012 г.

В статье представлен обзор новейших технологий, которые получат свое развитие в таких секторах рынка как микроконтроллеры, FPGA, коммуникационные интерфейсы, датчики, системы хранения данных и сенсорные дисплеи.

Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.

Коротко тенденции развития можно сформулировать так: больше ядер на кристалле, меньше энергопотребление и быстрее память. Статья представляет собой перевод [1].

В текущем году основными тенденциями развития цифровых технологий останутся большое количество процессорных ядер различного назначения на одном кристалле, увеличение объема флэш-памяти и снижение энергопотребления. Не стоит забывать и о MEMS-устройствах, цены на которые падают, а функциональность возрастает, а также о внедрении новых сетевых технологий и создании перспективных транзисторных структур. Для разработчиков, несомненно, это будет увлекательный год.
Среди технологий транзисторов следует отметить ряд прорывных разработок. Например, технологию 3-затворного 3D-транзистора (см. рис. 1) компания Intel планирует в текущем году использовать при производстве процессоров Ivy Bridge. В этой технологии реализованы транзисторы с проводящими каналами на трех сторонах вертикальной структуры и обеспечивается их работа в режиме полного обеднения.

 

Рис. 1. 3-затворные 3D-транзисторы компании Intel

Транзисторная структура с глубоко обедненным каналом (Deeply Depleted Channel — DDC) от компании SuVolta (см. рис. 2) позволяет улучшить характеристики и снизить энергопотребление обычного планарного КМОП-транзистора на объемном кремнии. Транзисторы от SuVolta предназначены для использования в системах-на-кристалле (СнК) для рынка встраиваемых приложений.

 

Рис. 2. Транзисторы с глубоко обедненным каналом от SuVolta имеют нелегированную область (1), область установки смещения VT (2) и защитную область (3)

Задачами внедрения этих новых технологий являются уменьшение геометрических размеров кристаллов, увеличение быстродействия процессоров и снижение мощности потребления. В 2012 г. будут также проводиться работы по усовершенствованию существующих транзисторных технологий, используемых для создания кристаллов различного назначения — от небольших микроконтроллеров (МК) до графических процессоров.

Большие и маленькие микропроцессоры

Спектр процессорных технологий весьма широк — от крошечных чипов, которые можно вместить в корпус размером 2?2 мм, до процессоров, содержащих сотни ядер на одном кристалле. Минимальное энергопотребление остается неизменным требованием независимо от размера. Для простых устройств нижнего ценового уровня это означает максимальное увеличение срока службы батарей, а для сложных высокопроизводительных устройств — поддержание теплового режима системы в заданных пределах.
Общей тенденцией является постепенное внедрение аппаратного ускорения в весьма компактных процессорных структурах, таких как конфигурируемые логические элементы (Configurable Logic Cell — CLC) от компании Microchip, которые применяются в серии МК PIC10F32X. Они обеспечивают логические функции, подобные тем, что используются в программируемых логических устройствах типа CPLD, тем самым, устраняя необходимость применения внешних чипов, а также уменьшая непроизводительные издержки процессора и потребляемую мощность. Между тем, программируемые СнК (PSoC) от Cypress Semiconductor обеспечивают конфигурируемую периферию на базе платформы, которая уступает FPGA в части создания заказной конфигурации.
Ассиметричные многоядерные архитектуры широко распространены в СнК, но в этом году они станут заметным трендом и в обычных чипах. Так, например, 4-ядерный процессор Tegra 3 на базе Cortex-A9 от компании NVidia имеет еще одно — пятое ядро с низким энергопотреблением и использует по необходимости либо четыре ядра, либо это пятое ядро.
В МК LPC4000 от NXP используются ядра Cortex-M0 и Cortex-M4, а Freescale планирует объединить на кристалле ядра Cortex-A5 и Cortex-M4. В обоих случаях Cortex-M4 занимается обработкой DSP-функций, а другие ядра выполняют коммуникационные задачи. Конечно, ядро Cortex-A5 является более мощным и на нем можно запускать такие операционные системы (ОС) как Linux. Кроме того, следует учитывать и предложения ARM в сфере 64-разрядных процессоров, которые в этом году могут быть реализованы в кристалле. Архитектура ARMv8 перей­дет из приложений с низкой мощностью потребления в серверные приложения, в которых доминируют чипы с архитектурой x86_64.
Многоядерные кристаллы с симметричной обработкой (SMP) будут еще доминировать в широком спектре устройств — от смартфонов до серверов. Они слишком хорошо подходят к доступному программному обеспечению. Эти платформы также обычно поддерживают виртуализацию. Виртуализация — основа «облачных» вычислений — весьма важна для встраиваемых систем, в которых использование нескольких ОС позволяет сочетать защищенных и незащищенных, а также устаревших клиентов. Еще больший интерес вызывают кристаллы, содержащие сотню ядер, такие как Tile Gx от Tilera. Разработчики смогут оценить и платформу MIC (Many Integrated Core) от Intel.
Программисты уже начали испытывать архитектуру распределенной разделяемой памяти (NUMA). Но такие многоядерные платформы наряду с преимуществами имеют и проблемы, связанные, в частности, с масштабируемостью множества чипов и организацией ввода/вывода.
Графические процессоры содержат сотни ядер, и их применение как вычислительного элемента продолжает расти. Один из важных вопросов будет связан с их применением в одночиповых решениях, например, в смартфонах и планшетных компьютерах. Ранее графические процессоры представляли собой платформы с ограниченными возможностями. Сейчас эта ситуация меняется, поскольку требования к вычислительной мощности таких решений возрастают. Равно как и требования к поддержке дисплеев, поскольку продолжает увеличиваться разрешение и частота кадров, а также вводится поддержка 3D.
Аппаратные средства обеспечения безопасности становятся все более широко распространенными, но разработчики должны будут дифференцировать функции и поддержку целевого приложения. Большое значение имеет аппаратное шифрование и генераторы случайных чисел, хотя по отдельности они слабо помогают предупредить незаконные операции.
Технологии обеспечения защиты становятся все более доступными, а не используются только в платежных и других приложениях, требующих высокого уровня безопасности. Встроенное в кристалл хранение ключей шифрования также открывает широкие возможности, в том числе для управления ключами и безопасной загрузки.
Платформы ПК могут теперь использовать унифицированный расширяемый интерфейс прошивки (Unified Extensible Firmware Interface — UEFI), который заменяет BIOS. Безопасная загрузка возможна при добавлении модуля доверительной платформы (Trusted Platform Module — TPM). Интерфейс UEFI не зависит от платформы, поэтому решения на базе ARM-процессоров могут появиться в текущем году.

FPGA становятся микроконтроллерами

FPGA вначале представляли собой набор таблиц преобразования (LUT), триггеров и матрицу межсоединений, которые нужно было конфигурировать. Аппаратная логика использовалась только для ввода/вывода, а DSP-блоки долгое время были общими. Процессоры с аппаратным ядром находили ограниченное применение только в высококачественных системах, но скорее это были суперблоки DSP. Сейчас ситуация меняется — в FPGA начали включать полноценные микроконтроллерные ядра. Это относится и к системам с программным ядром, поскольку аппаратная логика обычно более скоростная и более эффективная.
Недавно появились FPGA SmartFusion от компании Microsemi. Этот кристалл содержит МК Cortex-M3, программируемую аналоговую подсистему и обычную матрицу FPGA. Устройство включает полный комплект микроконтроллерной периферии и может работать независимо от матрицы FPGA. Эта система спроектирована так, что микропроцессор использует преимущества FPGA, но в то же время разработчики могут пользоваться стандартным программным обеспечением. Это в большей степени МК с интерфейсом FPGA, чем FPGA с процессорным ядром.
Семейство FPGA Zynq-7000 EPP от Xilinx содержит пару процессоров Cortex-A9. Подобно микросхеме SmartFusion набор периферии этого устройства позволяет МК работать независимо от FPGA. Это весьма удобно, поскольку часть кристалла, которую занимает FPGA, построена на базе ОЗУ. По идее МК может динамически программировать FPGA. Кристаллы Zynq-7000 будут доступны в этом году.
Компания Altera также держит курс на использование процессора Cortex-A9 в своих кристаллах. Кроме того, добавление в кристалл поддержки кодирования с исправлением ошибок весьма желательно для приложений, критичных в отношении безопасности.
FPGA на базе МК не ликвидирует потребности в обычных FPGA. Более того, весьма вероятно, что появится большое число различных платформ FPGA, которые будут направлены на конкретную сферу применения — от смартфонов до платформ моделирования электронных схем.

Коммуникационные интерфейсы и сетевые технологии

Вероятность появления каких-либо совершенно новых типов коммуникационных интерфейсов и сетевых технологий в этом году мала из-за внедрения ряда новых стандартов, необходимости их совместимости и сохранения существующего аппаратного обеспечения. Это означает, что такие интерфейсы как USB 3.0, PCI Express 3.0, 1-Гбит Ethernet и 6-Гбит/с SATA будут обычными опциями для большинства материнских плат.
Кроме того, в корпоративных системах будет внедряться 12-Гбит/с интерфейс SAS. PCI Express 4.0 находится на начальной стадии разработки. Пока мало кто из специалистов мог бы использовать пропускную способность этого стандарта, однако в настоящее время скорости PCI Express 3.0 более чем достаточно для большинства приложений.
Разработчики встраиваемых систем смогут полностью использовать преимущества совместимости с более старыми версиями, поскольку стоимость использования USB 2.0 и 10/100 Ethernet в бюджетных приложениях снизилась. Стоимость применения в МК недорогих интерфейсов, таких как CAN/LIN, SPI и I2C, останется на прежнем уровне. Сохранится тенденция увеличения использования интерфейса Quad-SPI в МК, которые поддерживают непосредственное исполнение программ из быстрой энергонезависимой последовательной памяти.
Поддержка сетей EtherCAT и IEEE 1588 становится все более распространенной опцией в МК, поскольку интерфейс CAN исчерпал себя во многих приложениях. Альянс OPEN (One-Pair Ether-Net) адаптировал 10/100 Ethernet для автомобильных приложений. Это несомненно позволит изменить порядок вещей в области автомобильных систем, поскольку этот стандарт занимает промежуточное положение между интерфейсами CAN и MOST.
Одним из преимуществ стандарта OPEN является то, что в нем предусмотрено подведение питания по тому же неэкранированному кабелю типа «витая пара». Он идеально подходит и для других систем, таких как роботы и системы управления, где в настоящее время доминируют CAN или обычный Ethernet.
Для поддержки беспроводных сетей нормой станут низкопотребляющие и более дешевые компоненты. В этой области останутся известные игроки, в том числе Wi-Fi, Bluetooth, 802.15.4, ZigBee и некоторые их разновидности, например, RF4CE. Wi-Fi Direct, новый стандарт связи типа «точка-точка» (peer-to-peer), будет внедрен в 2012 г. и составит некоторую конкуренцию Bluetooth.

Датчики

Развитие смартфонов и планшетных компьютеров снижает цены на MEMS-датчики, а также способствует уменьшению их размеров и потребляемой мощности. Кроме того, датчики совершенствуют цифровые интерфейсы, значительно упрощая их интеграцию в систему.
Аналоговые датчики менее дороги, и на их основе можно создать заказное устройство, но их интеграция в систему часто затруднена. Калибровка и компенсация дрейфа датчиков не являются простыми задачами. Они часто выполняются с помощью МК, которые находятся между датчиком и хост-системой.
Все более широко распространенной становится интеграция множества датчиков в одном устройстве. Сейчас доступны датчики с 10 степенями свободы, например, устройства, которые содержат 3D-гироскоп, 3D-акселерометр, 3D-магнитометр и датчик давления. Эти инерциальные измерительные модули учитывают колебания температуры и требуют единого цифрового интерфейса.
MEMS-устройства и датчики других типов не ограничиваются детектированием движения и положения. Доступны также датчики давления, температуры и даже датчики состава газа и жидкости. Интеграция датчиков с МК находится в стадии роста, что часто вызывает проблемы с корпусированием этих устройств, поскольку датчики, как правило, не должны быть закрыты.
Наконец, имеются оптические датчики, в том числе кристаллы для цифровых видеокамер. И снова львиная доля этих устройств предназначена для смартфонов, планшетных компьютеров и цифровых видеокамер, однако многие из этих чипов находят применение в робототехнике, системах наблюдения и даже в системах помощи водителю (ADAS) в автомобильных приложениях. Сети OPEN Ethernet также могут найти применение в видеокамерах для ADAS-приложений.

Память и системы хранения данных

Память DDR3 остается стандартным вариантом для ПК, серверов и других вычислительных платформ. DDR4 — дело будущего. LP DDR3 появится в текущем году. DDR2 и другие более ранние платформы памяти сохранятся как опции для разработчиков встраиваемых систем.
Технология флэш-памяти остается актуальной, но некоторые альтернативные энергонезависимые технологии, подобные FRAM, MRAM и памяти на устройствах, с изменением фазового состава, находят применение в тех сферах, где их параметры превосходят флэш-память. Такие технологии используются в довольно ограниченном наборе приложений, например, в RAID-системах и памяти с последовательным доступом. Остается чрезвычайно высокий спрос на NAND- и NOR-флэш память, автономные чипы и встроенную память.
Одной из сфер, где используется флэш-память с одноуровневыми (SLC) и многоуровневыми (MLC) ячейками, являются твердотельные SATA- и SAS-диски (SSD). Флэш-память SLC определяет передний край технологии по таким параметрам как производительность и срок службы, а MLC-память переместилась в область корпоративных систем хранения данных из-за совершенствования технологии контроллеров флэш-памяти. Через пару лет на две трети сократится применение флэш-памяти в смартфонах и планшетных компьютерах, поскольку для дополнительного хранения данных начнет использоваться глобальная сеть.
Отметим укрепление рынка корпоративных систем SSD-памяти, а также дифференциацию между корпоративными и клиентскими SSD-системами. В этом году продолжится рост спроса на корпоративные самошифрующиеся диски (self-encrypting drives — SED). SSD-системы являются основой 3-уровневой иерархии памяти, за которыми следуют 15K/10K SAS-диски, а затем 7200-RPM системы архивного хранения.
Твердотельные SATA- и SAS-диски встретят конкурентов со стороны двух перспективных систем — Nonvolatile Memory Express (NVMe) и SCSI Express (SCSI на PCI Express). Обе системы основаны на PCI Express, что обеспечивает высокоскоростной доступ к твердотельной памяти.
NVMe обеспечивает новый интерфейс для флэш-памяти, а SCSI Express — это, по сути, сочетание SCSI-контроллера с шиной PCI Express и контроллера флэш-памяти. Преимущество SCSI Express заключается в том, что он выглядит как SAS-контроллер. В нем используются драйверы той же ОС, поэтому система хранения может быть любого типа — от встроенной флэш-памяти до SAS-накопителя на жестких дисках.
NVMe и SCSI Express могут быть реализованы как сменные адаптеры на материнских платах или даже как отдельные приводы. SCSI Express имеет интерфейс PCI Express. Основным отличием между SATA- или SAS-дисками и такими устройствами является возможность организации секции каналов PCI Express. SATA и SAS имеют всего один разъем.
Рост емкости жестких дисков замедлился на уровне 1 Тбайт для дисков 3,5-дюймового размера. Стабилизация роста информационной емкости дисков увеличит значение системной производительности. Гибридные твердотельные/жесткие диски, такие как 5400-RPM Momentus XT от Seagate, обеспечивают 2-уровневую производительность, которая близка к скорости любой флэш-памяти, но при этом стоимость таких устройств намного ниже.

Сенсорные дисплеи

Технологии LCD и электронной бумаги (e-paper) доминируют на рынке смартфонов, электронных книг и планшетных компьютеров. Большинство из этих устройств содержит сенсорные интерфейсы, спросом пользуются multitouch-дисплеи. Резистивные multitouch-дисплеи продвигаются компанией ROHM Semiconductor.
Multitouch-дисплеи на светодиодной матрице обеспечивают конкуренцию для емкостных технологий. Они имеют преимущества по стоимости, но емкостные сенсорные дисплеи будут лидировать по скорости реакции и функциональности.
Емкостные сенсорные дисплеи предлагает компания Cypress Semiconductor, продвигающая свою технологию TrueTouch Gen 4. Эта технология предполагает прямое нанесение защитных и сенсорных слоев, что обеспечивает лучшие характеристики дисплея при меньшей стоимости.
Разработчики встраиваемых систем в 2012 г. получат широкий выбор технологий, которые позволят им реализовывать новые приложения.

Литература
1. William Wong. Expect More Mixed Cores, Less Power, And Faster Storage//electronicdesign.com.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *