מאת: אורליוס ווסילוס, AMD
באירוע האחרון של עולם ההתקנים המשובצים שנערך בנירנברג, הכריזה AMD על טכנולוגיית מעבדים חדשה המיועדת לשוק המחשוב בהתקנים משובצים: מעבדי סדרת G של AMD. טכנולוגיה זו, המבוססת על אותה ליבה חדשה של יחידת עיבוד מרכזית (CPU) ל-64 סיביות, המהווה חלק מיחידות העיבוד המואץ (APU) בסדרת G של התקנים משובצים של AMD, מספקת ביצועי עיבוד מרשימים של x86 עבור המערכות וההתקנים הפנימיים בהן אין דרישה ליציאה גרפית (headless).
את אחת הסיבות העיקריות שגרמו בעבר למימוש טכנולוגיות x86 בתוך מערכות משובצות, אפשר לראות בביצועי מחשוב גבוהים ורב תכליתיים ובקישוריות הרשת שלהם. ככל שטכנולוגיית מחשוב משובצת הייתה רווחת יותר, יכולות גרפיות מתוחכמות עבור ממשקי אדם מכונה (HMI) בשווקים נישתיים שונים זכו אף הם בחשיבות ניכרת. השילוב של שני גורמים אלו, יכולת מחשוב גבוהה ורב תכליתית ויכולות גרפיות, סולל את הדרך להצלחה נרחבת ומתפתחת של טכנולוגיית x86 ביישומים משובצים.
בצד השיפורים הנמשכים בביצועי יחידות מעבדים, גם טכנולוגיית מעבדי x86 הוכיחה את הצלחתה ונעה אל התחומים שבהם אין צורך בממשק גרפי, כמו למשל התחום של מערכות למסדים (rack systems) ומערכות עם לוח אם לביצועים גבוהים, כפי שהם משמשים כיום במערכות AT/ISA 96, במערכות VME ו-CompactPCI ובמערכות ATCA, MicroTCA ו-VPX. מאחר שלא נדרשו ביצועי גרפיקה, היצרנים השתמשן לא פעם בערכות שבבים המיועדות לשימוש בשרתים.
פלטפורמה אחת עבור טווח רחב של יישומי מערכות משובצות: יחידות CPU ויחידות APU בסדרה G של התקנים משובצים של AMD
המערכות במגזר ההתקנים המשובצים הפועלים בהספק נמוך והמערכות לשימוש ייעודי תוכננו אף הן בשנים האחרונות סביב טכנולוגיית x86. כל זאת הפך להיות אפשרי כתוצאה מהעלייה המתמדת ביחס הביצועים לכל וואט של פלטפורמות x86, וכן הקטנת המעגל שלהן באופן כל כך קיצוני, עד כי כיום הן מתאימות לשילוב בתכנונים קטנים ביותר ויכולים לעמוד במגבלות הפיסיות של התקנים משובצים בצפיפות גבוהה לכן, טכנולוגיית המעבדים x86 נמצאת כיום במצב שבו היא יכולה להשתלב יותר ויותר ביישומים ובמגזרים שבהם טכנולוגיות אחרות של מעבדים שלטו בעבר. טכנולוגית של מכוונת כיום להעניק יתרונות לתכנונים שאינם נדרשים לממשק גרפי לצורך תצוגה.
יישומים פנימיים עבור התקנים משובצים בעלי גודל פיסי קטן
אחת הדוגמאות לשימוש כזה אפשר למצוא במגזר האוטומציה התעשייתית, שבו בקרים לוגיים מתוכנתים (PLC) רגילים, עם פענוח קידוד בחומרה, שלטו בעבר ברמת התהליכים. התקנים אלו לא סיפקו בדרך כלל פונקציונליות גרפית ישירה לממשק המשתמש. בתחום זה, בקרים מתוכנתים בתוכנה מבוססי x86, עם הקישוריות העוברת דרך התקנים שמחוברים דרך רשת שמחוברת כל העת, יכולים מעתה לספק ערך, שהדרך הטובה ביותר לתאר אותו היא במונחים של “פתיחות” ו”נוחות המשתמש”. למשל, היכולת לגשת להתקנים המשובצים באמצעות דפדפני רשת מאפשרת לבצע קונפיגורציה מרחוק של תהליכים מבוזרים ברחבי בית החרושת ולנטר אותם מרחוק מכל מקום בעולם.
כאשר יצרני ציוד מקור (OEM) משתמשים בפלטפורמה בטכנולוגיית x86 עבור התקנים אלו, הם מקבלים יתרון ממערכת סביבתית מקיפה של תוכנה עבור x86, מכלים ומהדרים עבורה. קיימות אפשרויות התייעלות נוספות המבוססות על ההיכרות שיש למתכננים ולאנשי פיתוח רבים מאוד עם x86. אינטגרטורים של מערכות יכולים למנף את התקשורת ואת תשתית הרישות המאוחדות שפועלות באופן חלק ברחבי רצפת המפעל כולו, עד לרשת טכנולוגיית המידע (IT), כולל המערכות המשובצות בשטח. היכולת לפרוש טכנולוגיה אחידה ברחבי התשתית כולה יכולה להעניק יתרונות ייחודיים במונחים של עלות ואמינות. הרחבות אלו פותחות את האפשרויות להתקדם לעומק אף יותר, עד לחיישנים ולמפעילים (actuator).
המעבד בסדרה G של AMD מכסה שטח של 361 ממ"ר
ליבת "Bobcat" להספק נמוך ול-64 סיביות בסדרה G של AMD בפרטים: כמה תכונות ביצועים כדוגמת out of order instruction execution, בשילוב עם תכנון להספק נמוך מביאים ליחס מצוין של ביצועים לכל וואט
הקטנת הגודל היא המפתח
עד עתה, בפני פלטפורמות מעבדי x86 עמדה במידה מסוימת הברירה הלא נוחה הבאה: ככל שהפכו להיות קטנות יותר הן שילבו פונקציונליות רבה יותר. מצב זה היה במיוחד נכון כאשר היחידה הגרפית, שבדרך כלל הייתה הרכיב השני בצריכת האנרגיה שלו אחרי יחידת CPU, עברה מערכת השבבים ליחידה אחת עם המעבד, ואפשרה בכך יצירת פתרונות עם חיסכון במקום ונצילות הספק גבוהה בשני שבבים במקום השלישייה ששימשה לפני כן, שכללה יחידת CPU, “גשר צפוני” (northbridge) ו”גשר דרומי” (southbridge). עם זאת, למרות האינטגרציה ברמה גבוהה של הפונקציונליות בתוך המעבד והמגמה הנוטה לגודל פיסי קטן שהונעה על ידי אינטגרציה זו, ההתייחסות לטכנולוגיות של x86 הייתה עודה בעלת גודל פיסי גדול מדי עבור יישומים פנימיים משובצים במידה רבה. תפישה זו ממשיכה להתקיים אפילו כשלוקחים בחשבון את העובדה שפלטפורמת x86 יכולה מעתה להיות מתאימה באופן מיוחד לאור צריכת ההספק הנמוכה שלה, הגודל הפיסי הקטן והטכנולוגיות שלה, שפעולתן הוכחה במיליוני התקנים סטנדרטיים במוצרי צריכה ולאור המערכת הסביבתית של תוכנה וכלי פיתוח הנרחבים שישנם.
כתוצאה מכך, כדי לשפר את הדרך עבור המתכננים על מנת שיוכלו להפיק תועלת מהיתרונות של x86 עבור יישומים משובצים, דומה היה שהצעד המתאים ביותר הוא הפיכת פונקציונליות שאינן נדרשות לחיצוניות, על ידי הוצאתם משבב המעבד. זו בדיוק הייתה הפעולה שבה נקטה לאחרונה חברת AMD עם מעבד סדרת G המשובץ שלה. בהמשך להוצאה לשוק של יחידות APU המשובצות של AMD שנעשתה בינואר 2011, ביריד המסחרי העולמי למערכות משובצות, הוציאה חברת AMD שלוש יחידות CPU בסדרת G, כולם מבוססים על ליבת “Bobcat”, אשר לה כולם המתינו. יחידות CPU חדשות אלו מוצעות במיוחד עבור מימושים של מערכות פנימית (headless), שבהן אין צורך בגרפיקה או בקלט ישיר של המשתמש וגרסאות חדשות אלו של פלטפורמת סדרת G של חברת AMD מספקות פונקציונליות מדהימה של CPU מסוג x86.
בדומה ליחידות APU רגילות, גרסאות המערכות הפנימיות בסדרה G של התקנים משובצים של AMD, מתאפיינים בנצילות הספק יוצאת דופן ובקבוצת תכונות המותאמת באופטימיזציה לצרכים של טווח רחב של מערכות משובצות. אפשר לכוון את ביצועי העיבוד של x86 הרב תכליתי ל-64 סיביות כך שיתאימו ליישום, עם שלוש רמות של ביצועים מהמעבד T24L בעל הליבה היחידה ל-800 מגה-הרץ עד למעבד T48L בעל שתי הליבות ל-1.4 ג’גה-הרץ. יחידות CPU מתאפיינות בהספק לפי תכנון מרבי לחום (TPD) של 5 עד 18 וואט בלבד. מעבר לכך, יחידות CPU החדשות כוללות גם מגוון של חלקי מערכת בעלי חשיבות גבוהה לרבות בקרי זיכרון, בקרי כניסות ויציאות וממשקי אפיק. כל יכולות העיבוד האלו משולבות במארז BGA זעיר ביותר שמאפשר יצירת תכנונים ללא מאווררים במעגלים מודפסים עם 4 שכבות.
פלטפורמה ניתנת לשדרוג עבור כמעט כל היישומים
בעזרת יחידות CPU החדשות בסדרה G של AMD, מהנדסים יכולים לפתח את ההתקנים המשובצים שלהם עם רמות חדשות של נצילות הספק, ולזהות אפשרויות רבות יותר של כדאיות (מבחינת עלות) בעת השימוש בפלטפורמות x86 שעברו אופטימיזציה. כיום אין צורך לשנות את פלטפורמת הטכנולוגיה הבסיסית המוכרת למתכננים ולמהנדסים רבים במטרה לעבור לשימוש רחב יותר בהתקנים משובצים.
יתרונות אלו הופכים את הפלטפורמה בסדרה G של AMD – בין אם היא יחידת CPU או יחידת APU – לבחירה המתאימה ביותר עבור טווח רחב של יישומים בשווקים המתמזגים של היישומים המשובצים. מצד אחד טכנולוגיה חדשה זו משמשת ביישומים משובצים בתחום מוצרי האלקטרוניקה לצריכה (CE), בשערי תקשורת ביתיים חכמים, בהתקני אחסון נתונים ובשרתי NAS ובהתקנים אחרים המחוברים ברשת. מאידך, הפלטפורמה, שלה יש יכולת שדרוג מרובה, משמשת גם ביישומים של התקנים משובצים נרחבים, שלהם נדרשים ביצועים כוללים יוצאי דופן בתכנונים בגודל פיסי קטן וללא מאווררים, בשילוב עם זמינות לטווח זמן ארוך. אפשר למצוא את התכנונים האלו בשווקים תעשייתיים רבים, כמו למשל בתחומי האוטומציה, התעבורה, תיבות נתונים לרשת אספקת חשמל חכמה מבוזרת, חומות אש מוקשחות, תקשורת M2M ומאות מערכות בתיבות קטנות הנדרשות ביישומי בקרה או לאיסוף והפצת נתונים.
ויתרון נוסף – מאחר שטכנולוגיית יחידות CPU וטכנולוגיית APU מבוססות על הפלטפורמה בסדרה G של AMD, יצרני פלטפורמות חומרה יכולים להעביר בקלות את התכנונים שלהם בין יחידות CPU ליחידות APU. כך הם יכולים להציע את היתרונות של שני התכנונים עם מעט תכנון חוזר של התכנונים המלאים בהתאמה אישית או של המוצרים ברמת המעגל, כמו למשל מחשב-על-מודול, מחשבים במעגל יחיד ולוחות אם. מכאן שגם השימוש במערכת הסביבתית הרחבה שפותחה עבור התקני x86 הסטנדרטיים להספק נמוך יכול התרחב לשימוש עבור התקנים משובצים ייעודיים יותר.
תכנונים חדשניים בגודל פיסי קטן
כתוצאה מהשיפורים המתמידים בתכנון מעבדים, הפלטפורמה בסדרה G של AMD הפכה להיות קומפקטית יותר ומותאמת יותר באופטימיזציה להספק. האינטגרציה של התקן APU מקטינה את גודל המעגל ואת הפלטפורמה משלושה שבבים לשני שבבים. יחידת APU ורכזת הבקרים (הגשר הדרומי) הנלווית אליה מפשטות את התכנון, מפני שנדרשות פחות שכבות של מעגל ונדרש פחות הספק מספק הכוח. עם שיפור יעילות שטח של 48 אחוזים בהשוואה לדורות הקודמים של הפלטפורמות, הקטנת המעגל וצריכת ההספק הנמוכה מסייעות בהפחתת עלויות המערכת הכוללות ומאפשרות תכנון של התקנים ניידים ביותר, ללא מאווררים, שיפעלו זמן ארוך יותר בין פעולות הטעינה של הסוללה.
עלויות מוקטנות למינימום של מחזור חיי המוצר
עם מערך של אפשרויות ביצועים בטווח שבין פלטפורמת מעבד APU בליבה יחידה ל-1.2 ג’יגה-הרץ עד לגרסאות בעלות ליבה כפולה ל-1.6 ג’יגה-הרץ, הפלטפורמה בסדרה G של AMD מאפשרת ליצרני OEM להשתמש בתכנונים של מעגל יחיד עבור כל הטווח המקיף מערכות משובצות – מפתרונות בסיסיים ועד פתרונות מהרמה הגבוהה. באופן כזה יכולה פלטפורמה יחידה להיות הבסיס לקבוצה מקיפה של גרסאות מוצר, למשל למשפחת מוצרים של מחשבי Box PC בטווח שבין גרסה להספק נמוך לגרסה בעלת ביצועים גבוהים. ואם כבר פותחה מערכת חדשה המבוססת על הפלטפורמה הזו, גורם המיחזור של התכנון הוא עצום מאחר שיכולת השדרוג הגבוהה של המעבד מכסה את רוב הדרישות לביצועים של x86 הקיימות כיום ברוב השווקים של ההתקנים המשובצים. בזכות המכנה המשותף של תכנון פלטפורמות ניתנות לשדרוג, שרשרת האספקה הופכת להיות פשוטה והמורכבות התפעולית קטנה עד למינימום בצד הפחתת העלויות הקשורות להן, עובדה המסייעת בשיפור המדדים הכלכליים הקשורים לפלטפורמה עבור יצרני ציוד מקור. בנוסף, מחזורי החיים של התקנים משובצים של AMD עוזרים להבטיח את הזמינות לטווח הארוך של הפלטפורמה החיונית במיוחד לשוקי המחשוב במערכות משובצות שאינן מיועדות למוצרי צריכה.
מסקנות
הן יחידות APU וגם יחידות CPU בסדרה G של התקנים משובצים של AMD עבור תכנונים של מערכות פנימיות מספקים ללקוחות בתחום ההתקנים המשובצים פלטפורמה שלימה וניתנת לשדרוג עם תמיכה לטווח זמן ארוך. כך מתאפשרת האצה של עבודת התכנון ושל מחזורי הפיתוח ומכאן מתקצר זמן היציאה לשוק של יישומים, אשר יכולים להציע יחס יוצא דופן של ביצועים לכל וואט של הספק. היישומים המתאימים ביותר עבור הפלטפורמה הזו מקיפים טווח רחב של יישומים – כאלה שמסתמכים על ניסיון חזותי מרשים תוך שמירה על צריכת הספק נמוכה ביותר או כאלו שנדרשת להם יכולת גבוהה של עיבוד מקבילי במידה יוצאת דופן או שהם ממוקדים בקבוצת תכונות מותאמת באופטימיזציה ובביצועי CPU יעילים ביותר עבור מערכות משובצות. עם כל התועלת הקיימת בעקבת מעגל קומפקטית ביותר, לא מפתיע שבמקביל ליציאה לשוק של הפלטפורמה בסדרה G של AMD, כמה יצרנים של חומרת התקנים משובצים, לרבות Compulab, Congatec, Fujitsu ו-Kontron, הכריזו כבר על מוצרים עם יחידת APU הראשונה בעולם עבור מערכות משובצות בטווח רחב של גודל פיסי שאותם אפשר להעביר בקלות לגרסאות של מערכות פנימיות. העברה כזו יכולה להתבצע בקלות רבה יותר בהרבה בהשוואה לפלטפורמות קודמות, מאחר שבכל התכנו נים קיימת אותה רכזת בקרים (הגשר הדרומי). עם היציאה לשוק של אחת הטכנולוגיות התחרותיות ביותר הקיימות כיום, טכנולוגיית APU של AMD הופכת להיות פתרון ראוי ביותר שמתאים לא רק לחלק הגדול של היישומים בשוק המערכות המשובצות כולו, אלא הוא גם בעל פוטנציאל להביא למהפכה בשוק מחשוב המערכות המשובצות עצמן. לכן, על יצרני OEM לשקול לבצע הערכה של הטכנולוגיה החדשה הזו במאמציהם למלא את דרישות הלקוחות לחוויית משתמש בעלת חיוניות ותפוקה רבה ביותר של נתונים בכל סוגי הביצועים המוצעים.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת סטארטרוניקס.
המחבר: אורליוס ווסילוס [Aurelius Wosylus], מנהל מכירות אזורי של אירופה, היחידה העסקית למערכות משובצות בחברת AMD.
