Семейство Intel Sandy Bridge: процессоры для ответственных встраиваемых приложений. Часть 2*


PDF версия

Во второй части статьи продолжен рассказ о применении процессоров Sandy Bridge в индустрии встраиваемых систем (ВС). В статье рассматриваются изделия Kontron в разных конструктивах, и анализируются перспективы технологии AVX. * Первая часть статьи опубликована в «ЭК» 12, 2011.

Форм-фактор CompactPCI 6U:
плата Kontron CP6003-SA

Плата Kontron CP6003-SA, реализованная в конструктиве CompactPCI 6U (см. рис. 1), адресована тем разработчикам, которые не спешат переходить на новейшие системные архитектуры или желают модернизировать уже развернутые системы в стандарте CompactPCI. Процессор новой CompactPCI-платы холдинга Kontron может иметь до четырех ядер, его штатная частота достигает 2,10 ГГц (чип Intel Core i7-2715QE). Накопительная подсистема включает бортовой жесткий или твердотельный диск плюс 32 Гбайт дополнительной флэш-памяти типа NAND с интерфейсом Serial ATA. Функциональность ввода-вывода включает 6 каналов Serial ATA с поддержкой массивов RAID 0/1/5/10, 6 интерфейсов USB 2.0, 2 последовательных порта RS-232, порт VGA, интерфейсы HDMI и HDA (High Definition Audio), а также 5 каналов Gigabit Ethernet с подключением по шине PCI Express для обеспечения производительности на уровне задач коммуникационного класса. Базовые возможности платы могут быть расширены мезонинами типа PMC и XMC (например, мезонинный модуль Kontron XMC401 платы Kontron CP6003-SA позволяет реализовать на борту два быстрых сетевых интерфейса 10 Gigabit Ethernet).
Новая CompactPCI-плата высотой 6U поддерживает установку как в системные, так и в периферийные слоты, оснащается опциональным криптографическим чипом TPM (Trusted Platform Module) 1.2, имеет продублированный отказоустойчивый концентратор встроенного кода и позволяет использовать функции интеллектуального управления IPMI (Intelligent Platform Management Interface). Для Kontron CP6003-SA доступны ОС Linux, VxWorks, Windows 7, Windows Embedded Standard 7, Windows XP, Windows XP Embedded и Windows Server 2008 R2.

 

Рис. 1. Плата Kontron CP6003-SA формата Compact PCI 6U, поддерживающая четырехъядерные процессоры поколения Sandy Bridge с тактовой частотой до 2,1 ГГц и ОЗУ типа DDR3 объемом до 16 Гбайт

Обеспечивая более чем трехкратный прирост полной производительности в арифметическом тесте Dhrystone ALU и 50-% прирост производительности на ватт в арифметическом тесте по сравнению с аналогичными изделиями на базе предыдущих моделей ЦП Intel, Kontron CP6003-SA подходит для решения широчайшего спектра прикладных задач, включая коммуникационные, оборонные, аэрокосмические, медицинские, промышленные и мониторинговые.
Kontron CP6003-SA соответствует спецификации PICMG 2.16, выпускается в стандартном исполнении с воздушным охлаждением (Standard Air-cooled — SA), характеризуется увеличенным жизненным циклом. Благодаря поддержке расширений Intel AVX и технологии Intel Turbo Boost 2.0, обеспечивающей динамическое повышение тактовой частоты до 3,10 ГГц без необходимости адаптации всей системы к пиковым нагрузкам, Kontron CP6003-SA позволяет увеличить производительность как в векторных операциях, так и при выполнении однопоточных задач. Бортовая память типа DDR3 1600 (или DDR3 1333 для двуядерных версий) объемом до 16 Гбайт с поддержкой функции коррекции ошибок ECC позволяет применять данную плату в различных ответственных приложениях, чувствительных к целостности данных (радары, сонары, обработка изображений).

Конструктивы Flex-ATX и Mini-ITX: встраиваемые материнские платы Kontron KTQ67/Flex и KTQM67/mITX

Пользователям материнских плат холдинг Kontron адресует два решения на базе процессоров серии Sandy Bridge. Платы Kontron KTQ67/Flex и KTQM67/mITX, выполненные в конструктивах Mini-ITX и Flex-ATX соответственно, рассчитаны на установку самых передовых процессоров Intel Core i3/i5/i7 поколения Sandy Bridge с тактовыми частотами до 3,8 ГГц и поддерживают до 32 Гбайт памяти типа DDR3 (см. рис. 2). Развитые коммуникационные подсистемы обеих плат предоставляют разработчикам все стандартные интерфейсы, которые могут быть востребованы в задачах с высокой интенсивностью обычных и графических вычислений, в частности 14 портов USB 2.0; 3 порта Gigabit Ethernet с поддержкой технологии Intel AMT 7.0; 6 интерфейсов Serial ATA (4 Serial ATA 150/300 и 2 Serial ATA 600) с поддержкой массивов RAID 0/1/5/10 и сокет mSATA (mini-SATA), позволяющий устанавливать современные твердотельные диски. Есть в наличии и криптографический модуль TPM 1.2 и контроллер HD Audio. У модели Kontron KTQ67/Flex периферийные интерфейсы обслуживаются платформенным контроллером-концентратором Intel Q67. Для подключения средств визуализации доступны интерфейсы DisplayPort (2 шт.), VGA (1 шт.) и LVDS, а возможности расширения обеспечиваются 1 слотом PCI Express x16 и 2 слотами PCI. Модель Kontron KTQM67/mITX, базирующаяся на платформенном контроллере-концентраторе Intel QM67, имеет 2 порта DisplayPort, 1 выход DVI, 1 слот PCI Express x16 и 1 слот PCI Express x1. В дополнение к источнику питания ATX плата Kontron KTQM67/mITX поддерживает промышленный стандарт питания 12 В постоянного тока.

 

Рис. 2. Встраиваемые материнские платы Kontron KTQ67/Flex и KTQM67/mITX (форм-факторы Flex-ATX и Mini-ITX) характеризуются увеличенным жизненным циклом и поддерживают самые передовые встраиваемые ЦП поколения Sandy Bridge Intel Core i3/i5/i7 с тактовыми частотами до 3,8 ГГц

Материнские платы серии Kontron KTQ67 являются на сегодня самыми быстрыми ATX-совместимыми встраиваемыми решениями холдинга Kontron и имеют гарантированный семилетний жизненный цикл. Изделия Kontron KTQ67/Flex и KTQM67/mITX могут работать под управлением ОС Windows 7, Windows Vista, Windows XP, Windows Embedded Standard 7 и VxWorks, а также различных версий ОС Linux (Red Hat Enterprise, Novell SuSE Linux Enterprise, Red Flag Linux, Wind River Linux и др.).
Повышенная производительность в обычных и векторных вычислениях, обеспечиваемая реализованными в процессорах Sandy Bridge функцией Intel Turbo Boost 2.0 и расширениями Intel AVX, остро востребована в разно­образных промышленных, медицинских и оборонных задачах, где, по замыслу производителя, данные материнские платы и должны применяться.
Kontron Flex-ATX KTQ67/Flex и KTQM67/mITX поддерживают все актуальные отраслевые стандарты подключения к мониторам без каких-либо дополнительных адаптеров, способны осуществлять независимый параллельный вывод на два дисплея высокого разрешения и могут быть очень полезны разработчикам систем с повышенной интенсивностью графических вычислений (мультивидео­экранов, информационно-развлекательных решений, игровых автоматов). Аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи плюс разъем GPIO с большим числом контактов (до 160) делают эти изделия идеальными для приложений с повышенными требованиями к вводу-выводу.

Конструктив VPX 3U: процессорный модуль Kontron VX3035

Одной из лучших платформ для x86-совместимых микропроцессоров поколения Sandy Bridge является системная архитектура VPX, ориентированная на создание защищенных мультипроцессорных комплексов для ответственных применений. Процессорный модуль Kontron VX3035, выполненный в конструктиве VPX 3U на базе чипсета Intel QM67 и энергоэффективного ЦП Intel Core i7 2655LE со встроенным графическим контроллером Intel HD Graphics (см. рис. 3), призван вывести производительность малогабаритных комплексов такого типа на новый уровень. Данное изделие имеет до 8 Гбайт двухканальной памяти DDR3 1333 с функцией коррекции ошибок ECC и доступно в трех исполнениях: стандартном с воздушным охлаждением (для температурного диапазона 0…55°C), защищенном с воздушным охлаждением (–40…70°C) и защищенном с кондуктивным охлаждением (–40…85°C), рассчитанном на самые жесткие условия эксплуатации. С фронтальной стороны Kontron VX3035 доступны 1 интерфейс Gigabit Ethernet, 1 порт USB 2.0 и последовательный порт, а также выход VGA. В разъем объединительной панели выведены конфигурируемая шина PCI Expressx4, 4 канала Serial ATA II, 3 интерфейса Gigabit Ethernet, 4 порта USB 2.0 и два последовательных порта EIA232/EIA485.

 

Рис. 3. VPX-модуль Kontron VX3035 высотой 3U, оснащающийся процессором Intel Core i7 2655LE и доступный в жестком кондуктивном исполнении для температурного диапазона: –40…85°C

Наплатный разъем USB/Serial ATA позволяет подключать стандартные флэш-накопители с соответствующими интерфейсами. На нижнюю сторону Kontron VX3035 можно устанавливать специализированные мезонины ввода-вывода, подключаемые по шине PCI Express x1. Благодаря поддержке технологии Kontron VXFabric изделие Kontron VX3035 облегчает организацию межплатного взаимодействия в VPX- и OpenVPX-решениях, предоставляя для этих целей стандартизованный сокетный интерфейс.
Kontron VX3035 разрабатывался как замена для более ранней модели Kontron VX3030, которая базируется на ЦП Intel Core i7 620 LE/610E и доступна для заказов в промышленных объемах. Это очень удобно для OEM-клиентов, которые при необходимости могут в любой момент обновиться с Kontron VX3030 на Kontron VX3035. Как и все VPX-оборудование холдинга Kontron плата Kontron VX3035 отвечает требованиям стандарта OpenVPX (спецификация VITA 65).
VPX-модуль Kontron VX3035 высотой 3U поддержан ОС Windows Embedded Standard 7, Linux и ОС реального времени VxWorks. VX3035 характеризуется гибкостью, высочайшей производительностью, малыми габаритами, x86-совместимостью и широкими возможностями в организации векторных и параллельных вычислений. При помощи данного изделия можно создавать исключительно компактные и легкие системы для задач с параллельными вычислениями (обработка видео, формирование изображений, радиолокация, гидролокация, программно-определяемая радиосвязь). VX3035 подпадает под действие программы долгосрочных поставок холдинга Kontron и может использоваться в различных оборонных, авиационных и иных проектах, где требуются высоконадежные COTS-платформы с длительными сроками доступности.

Программное обеспечение

Дискутировать о достоинствах и недостатках микроархитектуры x86 можно долго, тем не менее, самые совершенные на сегодня процессоры, каковыми являются представители семейства Sandy Bridge, базируются именно на ней. По этой причине не имеет никакого значения, достаточно ли хорошо технология AVX поддержана в настоящий момент на уровне софта. Острая востребованность AVX на рынке обязательно принудит поставщиков инструментальных программных средств, а затем и разработчиков прикладного ПО оптимизировать свои продукты с целью наиболее эффективного использования новых расширений в прикладных задачах. Подобное в индустрии x86 происходило неоднократно, и случай AVX не станет исключением.
Специалисты, работающие с графикой, встретили расширения AVX с большим энтузиазмом, не меньший восторг выказывают их коллеги, имеющие дело с потоковыми вычислениями и цифровой обработкой сигналов. Благодаря технологии AVX отдельные DSP-процессоры скоро могут начать восприниматься как анахронизм: зачем применять дополнительные обрабатывающие элементы, если достаточно задействовать под функции DSP одно-два ядра высокопроизводительного x86-совместимого процессора общего назначения? Этого уже достаточно, чтобы скорейшее обеспечение адекватной поддержки AVX стало для поставщиков ПО жизненно важной задачей, ведь если такую поддержку не обеспечат они, ее обеспечат конкуренты, к которым начнет перетекать клиентская база.
У пользователей уже имеются новые микропроцессоры с серьезным набором конкурентных преимуществ (и это главное), а ПО, да простят нас его разработчики, уж как-нибудь напишется. Слава Богу, основной движущей силой, стимулирующей развитие  всей компьютерной отрасли, пока еще остается прогресс в области аппаратных средств. Приведем лишь один, но достаточно красноречивый пример: компания LynuxWorks объявила о реализации поддержки процессоров Intel Core второго поколения в своем встраиваемом гипервизоре и ядре разделения LynxSecure в тот же день, когда о выходе этих процессоров сообщила корпорация Intel. На что только не пойдешь, чтобы помочь клиентам сделать правильный выбор.

Потребности рынка

Число противников AVX мало, однако в индустрии ВС их процент чуть выше, чем на общекомпьютерном рынке, и потому мы уделим им толику нашего внимания. Чтобы понять несостоятельность возражений против новых векторных расширений, достаточно в самых общих чертах представлять себе новейшую историю компьютерной техники, ведь господа, критикующие технологию AVX сегодня, слово в слово повторяют аргументацию своих коллег, критиковавших в конце прошлого века технологию MMX. Тогда, как и сейчас, Intel посмела обогатить систему команд x86 новыми, глубоко чуждыми духу x86 инструкциями. Единственное отличие от ситуации с AVX состояло в том, что расширения MMX были нацелены на работу с мультимедиа, а не на векторные вычисления, но это совершенно непринципиальный момент, поскольку риторика тогдашних противников MMX (как и нынешних противников AVX) имела совсем иную направленность. Те господа считали столь грубое вторжение в систему команд x86 чуть ли не святотатством и прочили процессорам с мультимедийными расширениями MMX большие проблемы в плане программной поддержки. Однако рынок имел по данному вопросу иное мнение, которое выразил вполне недвусмысленно. Когда подмножество процессоров с расширениями MMX стало совпадать со всем множеством высокопроизводительных x86-совместимых процессоров, предмет для дискуссии исчез. То же самое будет и с AVX: эти векторные расширения де-факто станут неотъемлемой частью микроархитектуры x86, и как только это произойдет, вопрос их адекватной программной поддержки перестанет существовать.
Если, как утверждают некоторые, расширения AVX действительно не нужны рынку, то проявляется это довольно затейливым образом. Рынок знает свои потребности и без экспертных подсказок, покупать и продавать ненужное — не в его обычаях. Памятуя об этом и наблюдая за текущей ситуацией, мы вынуждены прийти к выводу, что без расширений AVX (точнее, микропроцессоров, в которых они реализованы) рынок просто жить не может — настолько интенсивная вокруг этой технологии идет работа.
Будучи хорошо осведомленным о преимуществах технологии AVX, благо сама корпорация Intel очертила круг этих преимуществ достаточно четко, рынок отреагировал на AVX огромным количеством аппаратных средств на базе микропроцессоров серии Sandy Bridge. Ветеранам отрасли также не нужны подсказки, чтобы понять, что будет дальше. Когда софтверные компании поймут, что львиную долю потенциальных покупателей их ПО составляют фактические покупатели нового железа, под архитектурные особенности Sandy Bridge будет адаптировано все ПО, начиная с инструментальных средств и ОС и заканчивая конечными приложениями. Причем адаптация эта будет осуществлена быстро, эффективно и с большим удовольствием — откуда только силы возьмутся.

Путь AltiVec

Примечательно, что те результаты, которых технология AltiVec достигла в действительности, довольно слабо коррелируют с ее исходными целями. Одной из ключевых задач, изначально стоявших перед этими векторными сопроцессорами, было, не больше, не меньше, — вытеснение микроархитектуры x86 из сегмента массовых систем, и вот теперь — какая горькая ирония! — под натиском новых x86-совместимых ЦП сама технология AltiVec , ранее ушедшая с массового рынка, готовится покинуть и сегмент MAG HPEC, где до недавнего времени она чувствовала себя вполне комфортно. Возникнув как технология для общекомпьютерного рынка, AltiVec по-настоящему нашла себя в индустрии Embedded, став обязательным структурным элементом для целых категорий высокопроизводительных ВС. На определенном этапе векторные сопроцессоры AltiVec даже стали восприниматься как специализированные встраиваемые решения — настолько глубоко они вросли в индустрию Embedded. И именно это, на наш взгляд, предопределило их уход из сегмента высшей производительности, поскольку мы живем в эпоху, когда специализированные базовые решения постепенно, но повсеместно сдают позиции решениям массовым.
Вряд ли технология AVX сможет повторить судьбу AltiVec в части изменения своего статуса с общекомпьютерного на специализированный, при том что во встраиваемых приложениях она наверняка получит не меньшее распространение. Во-первых, расширения AVX востребованы на рынке массовых решений ничуть не меньше, чем в сегменте ВС. Во-вторых, как уже говорилось, технология AVX навсегда стала частью микроархитектуры x86, сфера применимости которой постоянно расширяется, и нет никаких причин предполагать, что в обозримом будущем она съежится до рынка Embedded.

Заключение

Расширения AVX призваны повысить конкурентоспособность архитектуры Intel Core в целом, без какого-либо акцента на рынок встраиваемых приложений. При этом ее конкурентоспособность на рынке Embedded также повышается, но не в результате целенаправленных действий по захвату этого рынка, а по причине наличия в сегменте ВС большого количества задач, предъявляющих высокие требования к производительности в векторных вычислениях (радиолокация, гидролокация, техническое зрение, обработка видео). Но по масштабам изменений, связанных с микропроцессорами серии Sandy Bridge, лидировать будет именно рынок встраиваемых приложений, более конкретно — те его сегменты, где ранее устройства PowerPC помогали решать задачи реального времени и создавать встроенные системы высокой надежности и высшей производительности.
Одним из таких сегментов является MAG HPEC, где технологии AVX, судя по всему, предстоит стать водоразделом между эпохами PowerPC и x86. В пользу подобной точки зрения свидетельствуют, в частности, текущие настроения на рынке VPX, где основные деньги уже сегодня вкладываются в изделия на базе x86-совместимых чипов, хотя исторически оборудование VME/VPX строилось на основе процессоров совершенно иных типов. Хорошей иллюстрацией (см. рис. 4) может служить, например, плата GE DSP280 компании GE Intelligent Platforms (www.ge-ip.com) (подразделение корпорации General Electric).
Производитель позиционирует DSP280 как первое в мире OpenVPX-изделие высотой 6U, ориентированное на самые жесткие условия эксплуатации и позволяющее наделять оборонные и аэрокосмические системы той вычислительной мощью, которая характерна для сегодняшних высокопроизводительных массовых решений. Данная плата несет на себе x86-совместимые процессоры общего назначения, но, как явствует из ее названия, ориентирована при этом на задачи цифровой обработки сигналов (DSP) и призвана составлять конкуренцию решениям на основе специализированных DSP-устройств.
Будучи оснащенным двумя четырехъядерными ЦП Intel Core i7-2715QE (базовая частота 2,1 ГГц, пиковая частота 3 ГГц) и памятью DDR3 SDRAM максимальным объемом 16 Гбайт с поддержкой коррекции ошибок ECC, изделие GE DSP280 демонстрирует пиковую производительность в 260 GFlops и обеспечивает скорость взаимодействия с ОЗУ на уровне 21 Гбайт/с. Каждый из двух процессоров имеет собственную флэш-память типа NAND объемом 8 Гбайт.

 

Рис. 4. Плата DSP280 компании GE Intelligent Platforms, выполненная в форм-факторе 6U VPX на базе четырех четырехъядерных процессоров Intel Core i7-2715QE и позиционирующаяся как эффективное DSP-решение

Стандарт OpenVPX позволяет применять этот продукт для построения мощных многопроцессорных систем с взаимодействием между вычислительными узлами по каналам 10 Gigabit Ethernet или InfiniBand. Плата GE DSP280 является весьма удачным COTS-изделием, пригодным для использования в широком спектре задач реального времени, в т.ч. в задачах разведки, наблюдения и сбора информации (Intelligence, Surveillance, Reconnaissance — ISR) на пилотируемых и беспилотных платформах воздушного, наземного и водного базирования. Компания GE Intelligent Platforms подчеркивает ориентацию данного продукта на рынок MAG HPEC и разнообразные многопроцессорные и DSP-приложения соответствующих типов (радары, сонары, обработка изображений и сигналов, сложная трехмерная графика). Программная поддержка платы включает все основные популярные ОС, а также специализированные программные средства от GE Intelligent Platforms, позволяющие разработчикам эффективно задействовать новые аппаратные функции AVX и ускоряющие создание мультипроцессорных конфигураций.
Сходным образом обстоят дела не только в сегменте VPX, но и в других сегментах, связанных с другими системными архитектурами: чтобы отыскать в свежем каталоге какого-нибудь известного производителя встраиваемых продуктов новое изделие на базе хост-процессора Freescale, выпущенное или анонсированное в 2011 г., придется очень постараться.
Появление расширений AVX стало сравнительно небольшим шажком для архитектуры Intel Core, но огромным шагом для всей индустрии x86, которая с легкой руки корпорации Intel готова вступить в принципиально новую фазу развития и начать наступление на самые разные сегменты и рынки, еще не вполне охваченные ее заботой. Что будет вполне справедливо, ведь сегодняшняя Sandy Bridge и ее завтрашняя 22-нм версия Ivy Bridge — это лучшее, что пока создал человек, научившийся строить сложные полупроводниковые устройства. Подтверждением тому может служить беспримерный энтузиазм, с которым поставщики оборудования взялись за интеграцию устройств Sandy Bridge в свои продуктовые линейки, и небывалое изобилие плат на базе Sandy Bridge на рынке Embedded.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *