Andres Kammermann, Kontron
ה-MSMST MICROSPACE® של Kontron הוא המחשב PCI/e/104® בעל לוח-יחיד (single board computer – SBC) משובץ הראשון בעולם המבוסס על סדרת המעבדים Atom™ E600C של Intel®, אשר משלב מעבד מסדרת E600 Atom™ של Intel® עם Field Programmable Gate Array (FPGA) של Altera במארז יחיד. זו איננה השקה רגילה של מוצר כלשהו. זוהי גישה חדשה לחלוטין לטכנולוגיות משובצות x86 אשר יכולות לשנות בצורה דרמטית את הדרך בה התקנים משובצים יתוכננו בעתיד. היא פותחת חלון רחב לטכנולוגיות x86 כך שתהפוך לעוד יותר ייעודיות לפלטפורמה טכנולוגית משותפת.
אודות לביצועים המשופרים ביחד עם ממדים קטנים יותר וה-TDP נמוך ביותר, ועם הזמינות להשתמש במעבד x86 עם FPGA, חדל למעשה להתקיים מכלול התכונות הנקבעות מראש עבור מחשבים משובצים. עם טכנולוגיית FPGA, המפתחים יכולים לתכנן באופן חופשי את הממשקים והתכונות שהם צריכים. בכך, הטכנולוגיה x86 לשימוש כללי מציעה עתה עוד יותר פתיחות וגמישות, בשעה שהמעבד Atom™ E600C של Intel® מחובר דרך ממשק PCIe ל-FPGA Arria II של Altera. אולם, הדבר המדהים ביותר הוא שהפתיחות הזאת היא המוכנות להיות ייעודי.
הפתיחות להיות ייעודי
הגמישות מצד ה-Os/I איננה מושגת בידי רכיבי חומרה שונים כדי ליצור את הממשקים או ה-I/Os הדרושים. למעשה, זוהי ליבת FPGA IP טהורה שניתן להשתמש בה שוב (אם זמינה). דבר זה יצור הזדמנויות מדהימות אחדות עבור מהנדסי המשובצים עם I/Os מוגדרים בתוכנה, ובכך תשפר את גורם העלות והזמינות לטווח רחוק. ליבת המעבד של המערכת היא עדיין טכנולוגיית x86, אולם ה-I/Os הנתמכים יכולים להפוך לייעודיים על-פי רצון הלקוח. מרכז התכנון FPGA של Kontron יספק את הממשקים הקנייניים ביותר, התואמים את צורכי היישום, וגם – וזהו הדבר החשוב ביותר כאן – הם זמינים לכל תקופת זמן שתידרש. במקום לעקוב אחר רכיבי בקרים שונים אחדים, יש לתחזק רק ליבות ה-IP. מאחר ששוק ה-FPGA הוא יציב ומצפה לעלייה ב-CAGR של לפחות 8.6 אחוזים לפי Loring Wirbel מ-FPGA Gurusi, עם היקף עולמי של US$7.5 מיליארד עד 2015, זוהי אחת הטכנולוגיות היציבות ביותר עליה מהנדסי המשובצים יכולים לסמוך מלבד ה-x86. טכנולוגיית ה-FPGA מספקת קרוב לאותם היתרונות כמו ה-x86: פונקציונליות מרובה, מערכת אקולוגית רחבה ויישומי מטרה ללא ספור. אולם, מהם היישומים התובעניים ביותר עבור כרטיסי המעבד x86 אלה עם I/Os מוגדרים על-ידי FPGA?
תמיכה מהעבר
ראשית כל, OEMs רבים אוהבים לראות ממשקים מהעבר הנתמכים על-ידי FPGAs, מאחר שהם יוכלו להשיג תמיכה עבור כל הממשקים היותר ישנים שאינם נתמכים יותר על-ידי מערכי-שבבים או I/Os ייעודיים מוגדרים בחומרה, דוגמת ה-ISA, RS232 ו-CAN. השימוש ב-IP של FPGA עבור ממשקים אלה יבטיח זמינות ארוכת-טווח לשנים רבות. עובדה היא, כמובן, שאף היישומים של היום דורשים את האפיק ISA הוותיק אך המוכח. היה קשה לעבוד עם מעבדים שאינם תומכים יותר בסוג זה של אפיק. כדי לממש את כרטיסי ההרחבה מבוססי ה-ISA, היה יותר כלכלי לעבוד על PCI למימושי ISA במקום לתכנן מחדש את כרטיס ה-O/I עבור ה-PCI או PCI Express. יצרנים אלה ייהנו מאוד מהפתרונות מבוססי-FPGA החדשים, ואף יותר מכך בעתיד. יום אחד, PCI יהפוך למיושן עבור מערכי-שבבים תקניים. את זה קל לחזות וזוהי אף עובדה אם אתה מתבונן במעבדים האחרונים המספקים רק נתיבי PCIe אל ארכיטקטורת ה’גשר הדרומי’. אולם כה רבים היישומים מבוססי ה-PCI הנמצאים בשוק כיום שאיש אינו מצפה למגמה חדשה לעבור ל-Gen2 PCIe או Gigabit-Ethernet עבור התקנים הדורשים ביצועים של 32 ביט/66 מגה-הרץ בלבד. הבסיס היציב, בותק של יותר מ-20 שנה, של PCI במשובצים, ישמח מאוד להגר ל-PCI המבוצע על-ידי FPGA. זוהי עובדה – לקוחות רבים כבר אישרו שדרישה כזו אכן קיימת. השמרנות של כל תעשיית האוטומציה התעשייתית תחזק בהחלט התפתחות זו.
תמיכה קניינית
אם מסתכלים היטב על האוטומציה התעשייתית של היום ועל הפתרונות הקנייניים הזמינים עתה בשוק, בולטת העובדה שאנחנו חווים עתה מלחמה בין טכנולוגיות ה-Ethernet התעשייתיות – למרות מלחמות ה-field bus של השנים האחרונות ii . שום יצרן רכיבים לא יכול ליצור כל כך הרבה מימושי fieldbus עבור כל הפרוטוקולים הקנייניים הללו. כך שהשוק השני בגודלו עבור מעבדים אלה הוא ה-panelPCs ו-HMIs עבור כל המתקנים השונים האלה. מסוף CAN, מסוף PROFIBUS, מסוף LonWorks או כל fieldbus או Ethernet תעשייתי בשימוש בתחומי היישומים השונים ניתנים לבנייה על אותה פלטפורמת החומרה; יש להחליף רק את ליבות ה-IP. מסופים אלה יכולים אף לכלול פונקציונליות בקרה נוספת דוגמת ה-PLCs המתוכנתים ב-FPGA.
פונקציונליות מערך השבבים המלא ניתנת למימוש גם ישירות על-ידי FPGA. זהו בדיוק מה שהמעבד החדש Atom™ E600C של Intel® עושה. במקום רכזת בקרת המערכת נפרדת או גשר דרומי קלאסי אחר, הוא מממש מעבד Atom™ E600 של Intel® ביחד עם FPGA של Altera במארז יחיד. סדרת המעבדים Atom™ E600 של Intel® מכילה ליבת מעבד יעילה-לאנרגיה 45 ננו-מטר עם הבזק 512-kbyte L2 יחד עם גראפיקה 3-D, תצוגה, זיכרון ובקר PCI Express. ה-600Graphics media Accelerator (GMA) של Intel® הוא מכשיר גראפי ממוטב-להספק 2D/3D התומך ב-OpenGL 2.0, OpenGL 2.1 ו-OpenVG 1.1, ביחד עם מפענח וידאו HD מואץ-בחומרה HD MPEG4) part 2, H.264, WMV ו- VC1) ומקודד MPEG4 part 2), H.264). ה-TDP ליבה שלו הוא נמוך, 3.6 ואט עבור גרסת ה-1 גיגה-הרץ ורק 2.7 ואט עבור גרסת 500 מגה-הרץ. הוא מכיל LVDS ו-SDVO לחיבור תצוגות. טכנולוגיית ה-Hyperthreading של Intel® מספקת תמיכה עבור יישומי ריבוב נימים (multithreaded), ומספקת ביצועים משופרים והיענות מערכת בסביבות מרובות-המשימות של היום על-ידי כך שהיא מאפשרת למעבד לבצע שני נימי פקודות במקביל. יתר על כן, בעזרת טכנולוגיית ה-virtualization המשולבת, הנתמכת בחומרה של ,Intel® היא מאפשרת גמישות יתר וניצול מערכת מרבי על-ידי ריכוז של סביבות מרובות בתוך פלטפורמת חומרה. בעזרת תמיכה מהמעבד, BIOS ותוכנה מסייעת, ה-VT של Intel® משפר את הוירטואליזציה המסורתית בתוכנה בלבד.
BOM ו-TCO מוקטנים
ללא תלות באיזו מיישומים אלה אנחנו מדברים (ועדיין לא ציינו עיבוד אותות דיגיטליים נוסף המבוצע על-ידי FPGAs), כל היישומים האלה נהנים מסדרת המעבדים החדשה Atom™ E600C של Intel® תודות לרשימת פריטים (bill of materials – BOM) מוקטנת ולטווח הרחוק, הם ייהנו גם מ-TCO (עלות כוללת של הבעלות – (total cost of ownership) מוקטן, בתוספת הפתיחות לעשות כרצונך. כך שתוכנה וליבות IP משחקות עתה תפקיד מרכזי בטכנולוגיות מחשבים משובצים – אף ברמת החומרה.
לכן Kontron הקימה את מרכז תכנון התוכנה העולמי Design Center) (Global Software, המציע ליצרני ה-OEM שלה את השירותים הנכונים לשם הגירת היישומים שלהם אל פתרונות מבוססי-FPGA. מצפים שטכנולוגיה חדשה זו תגביר גם את הנטיה אל פתרונות קנייניים במיקור-חוץ, מאחר שבעתיד הקרוב גם אלה יהיו מסוגלים להיות מתוכננים בעזרת טכנולוגיית FPGA מבוססת על x86, ולאחר מכן לעבור עיצוב בידי מומחי תוכנה של יצרני טכנולוגיית מחשבים משובצת. הקשר בים Kontron, Intel® ו-Altera מספק ללקוחות פתרונות מעבדים משובצים ו-FPGA שלמים, עם O/I גמיש. פתרונות מאומתים ובדוקים במלואם אלה מורכבים מגורמי צורה שונים הכוללים את המעבדים, FPGAs, ליבות IP, דרייברים, ערכות תמיכה לכרטיסים (board support packages –BSPs) ותמיכה עבור מערכות הפעלה שונות (כגון Windows, VxWorks, Linux וכד’). מרכז תכנון התוכנה העולמי של Kontron מציע גם תכנות של FPGA כשירות תוכנה אופציונלי עבור הלקוחות. בנוסף, Kontron מציעה גם שירותי תכנון וייצור מלאים הכוללים בקרי גרסאות, ניהול שרשרת ההספקה, שירותי בדיקה רגולטורית ודרישות מיוחדות של התעשיות, כגון ITAR או ייצור התקנים רפואיים ISO 13485. OEMs יכולים אפוא להתמקד במומחיות הליבה שלהם: פיתוח ותכנות יישומים.
אם כן, מהם היתרונות ומגוון התכונות של מחשב לוח-יחיד משובץ מהפכני זה בעל סדרת המעבדים החדשה Atom™ E600? ראשית, יש לו תכנון O/I בעל התאמה גבוהה בשל ה-FPGA Arria® II GX של Altera, העושה את ה-MSMST MICROSPACE® של Kontron לבחירה אידיאלית עבור מגוון רחב של יישומים. OEMs ייהנו מתכנון יישומים מפושט, מאמצי פיתוח מוקטנים, זמן קצר יותר לשיווק ועלות כוללת של הבעלות נמוכה יותר.
עם האופציות O/I FPGA הגמישות, ה-MICROSPACE® MSMST של Kontron מאפשר ל-OEMs לפתח ביעילות תכנונים עם דרישות ה-O/I המדויקות החיוניות לטפל ביישומים בשווקים דוגמת האוטומציה, הרפואה, התובלה, האנרגיה, הצבא והתקשורת. ניתן להשיג ליבות IP מאומתות עבור CAN-bus, ממשקים טוריים (SPI Master/UART) ו-PCI-Express, I2C ו-GPIO. דבר זה הופך את עיצוב הפלטפורמה למשימה מהירה וקלה. ה-OEMs צריכים רק את ליבת ה-IP הדרושה וה-High-Speed Mezzanine Cards (HSMC) למימוש הממשקים. עבור I/Os עתידיים, Kontron מציעה גם שירותי תכנות FPGA. גמישות זו, משולבת עם המערכת האקולוגית של ליבות IP ו-HSMCs של ה-x86/FPGA, עושה את ה-PCIe/104™ MICROSPACE® של Kontron SBC לאידיאלי עבור פלטפורמות SBC ייעודיות.
יתרה מזו, ה-MSMST MICROSPACE® של Kontron עמידה בטמפרטורה תעשייתית מתוך תכנון (עם תחום של -40oC עד 85oC). יכולת נוספת זו מרחיבה את השימוש הפוטנציאלי של ה-SBC החדש של Kontron לעבר סביבות קשות, דוגמת אלה של מערכות ה-POS/POI חיצוניות, תובלה ויישומים צבאיים ואנרגטיים.
מכלול התכונות המפורט
ה-MSMST MICROSPACE® PCIe/104™ של Kontron מצויד בסדרת המעבדים Atom™ E600C של Intel® המגיע עד 1.3 גיגה-הרץ עם עד 2 GB זיכרון מערכת DRAM על הכרטיס. ה-Graphics Media Accelerator (Intel®GMA600) של Intel® עם ממשק עד LVDS 128 Mbyte, 18/24 Bitו- SDVOמשולב במעבד. אותות הוידאו מועברים על-ידי כרטיסי תווך אופציונליים עבור VGA או DVI. SPDIF (out) אופציונלי ושני חיבורי סטריאו אנלוגי עבור line-out ו-mic-in מטפלים באותות האודיו high-definition . ניתן לחבר אמצעי אחסון על-ידי שני SATA300. שני USB 2.0 ו-Lan Gigabit אופציונלי אחד זמינים גם הם. השילוב של אופציות O/I מיוחדות-ללקוח מרובות מתאפשר דרך האפיק PCI Express של ה-SBC PCIe/104™ או דרך ממשק ה-HSMC. פלטפורמת ה-Trusted Platform Module (TPM) אחראית לרמה הגבוהה של אבטחה ואמינות על-ידי טיפול בהצפנת החומרה של כל הנתונים המשודרים.
