מאת: Martin Danzer, Congatec
חלוקת משימות
טכנולוגיית Fusion של AMD שהוצגה ב- 19 בינואר, היא סוג חדש לחלוטין של ארכיטקטורת מעבדים המיועדת לשוק ההתקנים המשובצים. הטכנולוגיה משלבת את יכולת המחשוב של מעבדים וליבות גרפיות אל תוך מארז קומפקטי יחיד. המשתמשים מפיקים תועלת מביצועי יע”מ [CPU] וגרפיקה גבוהים, מיחס מעולה של ביצועים להספק ומהקצאת משימות גמישה ביע”מ וביחידת העיבוד הגרפי. היחידה הבסיסית Conga-BAF של מחשב–על–מודול בטכנולוגיית COM ExpressTM של חברת Congatec היא אחת הפלטפורמות הראשונות שממומשת בפלטפורמה החדשה המשובצת מסדרת G עם טכנולוגיית Fusion.
משימות המחשוב ברכיבים משובצים הופכות להיות דורשניות יותר ויותר בכל היישומים. בנוסף ליכולת עיבוד גבוהה, גנרית וברובה טורית, של יחידות היע”מ x86, מזה זמן רב קיימת דרישה גם לביצועים נוספים, ייעודיים ולעתים מקביליים לצורך עיבוד אלגוריתמים מורכבים, בין אם לצורך קידוד או פענוח קידוד של אותות וידיאו ברזולוציה גבוהה, לעיבוד נתונים גולמיים כגון עיבוד תמונה ביישומים תעשייתיים, או לצורך חישובים וקטוריים מורכבים בפרוצדורות של דימות לאבחון בטכנולוגיה הרפואית. עד עתה, אם היה צריך לעבד את המשימות האלו באמצעות תכנון על בסיס x86, שלו נדרשת כמות גדולה של יכולת עיבוד בשילוב עם תדירות במהירות גבוהה של אות שעון, התוצאה הסופית הייתה דרישות גבוהות של אנרגיה שהפיקו כמות רבה של חום. טכנולוגיית ריבוי הליבות וכן העלייה הנמשכת ביעילותה של טכנולוגיית המעבדים, יכולות במידה מסוימת להקל על נקודת לחץ זו. עם זאת, עדיין נותרה בעינה העובדה שקצב אות השעון של מעבדים מהירים יותר אינו יכול כשלעצמו למלא את כל הדרישות.
מחשבים על מודולים ברכיבים משובצים מספקים יכולות ביצועי גרפיקה רבות יותר ורזולוציה גבוהה יותר
תוך כדי כך, הופכים הביצועים הגרפיים להיות חשובים יותר בתחום היישומים המשובצים. עד עתה, בין הדרישות החשובות ביותר שעמדו בפני מתכנני רכיבים משובצים נכללו זמינות לטווח הארוך, תכנון קומפקטי, יעילות טובה מאוד של אנרגיה ותכנון קשיח, ואילו עתה, נוספו להם אף ביצועי גרפיקה ברמה גבוהה. את אלו אפשר כבר לראות בתצוגות קטנות להתקנים ניידים. למשל, בשוק הצריכה, רזולוציה של 800×400 פיקסלים עבור מסכים בגודל של 3.5 אינטש, אינם מראה יוצא דופן. ככל שהצגים הופכים גדולים יותר, הרזולוציה המוצעת גדלה עמם. המשמעות הברורה היא שגם בתחומים משובצים, מסכים בגודל קטן ובינוני המגיעים עד ל-15 אינטש יציעו רזולוציה גבוהה יותר ומן הסתם יהוו יתרונות נוספים עבור המשתמשים. דרישת הביצועים נתמכת אף היא על ידי שתי מגמות עיקריות. מן הצד האחד חיישני מגע קיבוליים, אשר בין השאר, נדרשים לפתרונות קשיחים של מגע מדויק ברמה גבוהה וכן עבור טכנולוגיה חדשנית בריבוי מגעים, אשר, השימוש בה עלה זה מכבר על השימוש בטכנולוגיות התנגדותיות, זאת על פי מחקרי VDC בנושא חיישני מסך מגע ותצוגות. מן הצד האחר, מסכי מגע גדולים (מעל 15 אינטש), המיועדים ליישומים כגון פתרונות עבור “נקודת עניין” [POI] ופתרונות של שילוט ספרתי אינטראקטיבי עם תלות בהקשר, מדורגים בין הפתרונות המתקדמים הרציניים ביותר. בהינתן דרישות הרזולוציה בלבד, ביצועי גרפיקה גבוהים ביותר כבר הופכים להיות בחזקת חובה עבור יישומים אלו.
פרטי ארכיטקטורת הפלטפורמה בסדרת G המשובצת של AMD
בדיקות מראות שביצועי הגרפיקה של הפלטפורמה בסדרת G החדשה המשובצת של AMD נמצאים הרבה מעל הביצועים של המעבד Core i5 520M של Intel.
ביצועי גרפיקה מהירים יותר מגבירים את השימושיות
ביצועי גרפיקה טובים יותר נדרשים לא רק עבור רזולוציות מסך גבוהות יותר. הם נדרשים גם עבור תפיסות הפעלה חדשניות שמשתמשות בממשקי GUI מודרניים באיכות גבוהה. דוגמאות לאלו אפשר לראות בתחום הרפואי, התעשייתי ובתחום אוטומציית מבנים, במסופי גיימינג, ובמסופי “קיוסק”, בנקודות מכירה [POS] ובנקודות עניין [POI], במרכזים של בידור – חינוכי ובתחום השילוט הספרתי (האינטראקטיבי). במקרים אלו יש צורך בביצועים של תלת ממד [3D] לקבלת אנימציה והדמיה מושכות את העין, בד בבד עם הצגה גמישה של תכנים ברזולוציית HD. אך עם זאת, ביישומים אלו, ביצועי תלת ממד אינם שימושיים רק עבור תצוגה ואנימציה של דמויות שאין בהן השהיות – אלא – במיוחד הם משפרים את נוחות הפעולה ואמינות ההפעלה של יישומים מבוססי מסך מגע. ודבר אחרון אם כי לא חסר חשיבות, הוא העובדה שליבת הגרפיקה צריכה לפשט את עומס העבודה של יחידת היע”מ במהלך הפענוח של וידיאו ברזולציית HD, שהוא למשל חשוב מאוד בתחום הטכנולוגיה הרפואית (בבדיקות אולטרה סאונד או אנדוסקופייה בארבעה ממדים [4D]) וביישומים של בידור – חינוכי. לכן ביצועי גרפיקה ברמה גבוהה אינם נדרשים רק עבור מסכים גדולים, מפני שאפילו עבור מסכים בגודל קטן ובינוני יש צורך ביכולות רבות יותר של ביצועים גרפיים עם רזולוציות גבוהות יותר ויותר. יתר על כן, ככל שהיישומים המשובצים קרובים יותר למגזר הצרכני, כך ציפיותיו של המשתמש תהיינה גבוהות יותר. דוגמה שנביא כאן יכולה להיות יישומי גיימינג או מסופי POS ו-POI. לכן, כתוצאה מכך יישומים משובצים רבים הופכים להיות דורשניים יותר ויותר בכל הקשור לביצועים גרפיים.
conga-BAF הוא המחשב-על-מודול הבסיסי בטכנולוגיית ™COM Express הראשון בעולם, והוא מבוסס על הפלטפורמה בסדרת G המשובצת של AMD.
טכנולוגיית Fusion מאפשרת חלוקת משימות רבה יותר
עד עתה, המצב היה שביצועים גרפיים של פתרונות משובצים התרחבו באופן יחסי לביצועים של יחידת היע”מ. ככל שהייתה דרישה רבה יותר ליכולות של ביצועים גרפיים, יחידת היע”מ הייתה צריכה לקבל אותות שעון רבים יותר. ובה בעת, תלות זו אינה מקושרת באופן מעשי בדרך שאינה ניתנת לשינוי: ככל שיחידת העיבוד הגרפי [GPU] תיקח על עצמה יותר משימות, כך יוקל העומס מעל יחידת היע”מ. באופן תיאורטי, אפשר גם להעביר ליחידת היע”מ פחות אותות שעון ככל שעוצמתה של יחידת העיבוד הגרפי גבוהה יותר. ועם זאת, לא היה צורך בכל זה קודם לכן, מפני שהדרישה הלכה וגדלה בשני התחומים. להתפתחות המעמיקה והנפרדת של יחידת היע”מ ושל המעבד הגרפי יש כעת פחות ופחות היגיון. לכן, בעזרת פלטפורמה משובצת מסדרת G, שילבה חברת AMD שתי טכנולוגיות במארז יחיד. כיום, עומדת לרשות המשתמשים ליבת גרפיקה לביצועים גבוהים מאוד עם ביצועי מעבד שניתן לשדרוג באופן נרחב, וכל זאת בעיקבת מעגל קומפקטית במיוחד, בגודל של 19 מ”מ 19 מ”מ בלבד. טכנולוגיית Fusion עושה צעד נוסף וחשוב אל מעבר לסתם מיזוג של החומרה: יחידת העיבוד המואץ [APU] משלבת את יכולת המחשוב הטורית של ליבת המעבד עם יכולת המחשוב המקבילית של הכרטיס הגרפי. משמעות הדבר היא מיזוג של חלוקת משימות ההנדסה של התוכנה שהייתה קיימת קודם, של המעבד ושל ליבת הגרפיקה. אם נאמר זאת במילים פשוטות, ליבת הגרפיקה יכולה להקל על ליבות המעבד בזמן ביצוע משימות מקבילות ובכך להעצים את הביצועים הכוללים של המערכת הרבה מעבר למה שהיה ניתן קודם לכן. אך איך זה אפשרי ומה משמעות הדבר עבור יישומים משובצים?
ליבת גרפיקה בתור “מעבד עזר”
ראשית יש להבין את הפונקציונליות של ליבת הגרפיקה: יעילותה של ליבת הגרפיקה, המונעת על ידי שוק הצרכנים, נמצאת בגידול מתמיד וקבוע. באופן מיוחד, קידמה ההצגה התלת ממדית של עולמות וירטואליים את ההתמחות של כרטיס הגרפיקה והביאה אותו אל היכולת הגבוהה ביותר של מחשוב מקבילי. כתוצאה ממגוון הנתונים הגרפיים, כמו למשל חישובים של מארגים, נפחים ויצירת מודלים תלת ממדיים של שאילתות בדיקת התנגשויות (collision query), וכן, מצללי Shader) Vertex) לחישובים הנדסיים, היכולות הפונקציונליות כבר אינן מעוצבות באופן קשיח בחומרה, אלא דווקא יכולות להיות מתוכנתות באופן חופשי. לכן, ליבת גרפיקה מודרנית מציעה פוטנציאל הישגים גמיש ועצום. ניתן להשתמש בפוטנציאל הזה בעזרת מה שאנו קוראים “יחידת עיבוד גרפי למטרה כללית” – GPGPU – לא רק לחישובים ולהצגה של גרפיקה, אלא גם לעיבוד נתונים.
דוגמה לכך אפשר לראות בחישובי אולטרה סאונד בשלושה ממדים בתחום הרפואי; בזיהוי פנים בתחום הביטחוני; בעיבוד הדמיות ביישומים תעשייתיים; או בקידוד ופענוח קידוד של נתונים. צורות נתונים מסוימות, למשל נתונים המגיעים מחיישנים, מראשי מדידה, ממקמ”שים או ממצלמות וידיאו עוברים עיבוד עם ליבות עיבוד ייעודיות ביעילות ובמהירות רבות יותר בהרבה מאשר עם יכולת מחשוב גנרית סדרתית של מעבדי x86. מפני שעם GPGPU, זה כלל לא חשוב אם הנתונים של קודי התוכנית מופקים באופן וירטואלי לחלוטין או שהם מועברים ממקורות חיצוניים. אי לכך יש התוויות כלשהן שתומכות באיחוד של יחידת היע”מ [CPU] עם יחידת העיבוד הגרפי [GPU] אל יחידת עיבוד מואץ [APU] על מנת ליצור צוות חזק אפילו עוד יותר.
לא הביצועים של יחידת היע”מ הם הקריטיים
– אלא –
דווקא הביצועים של יחידת העיבוד המואץ
ולכן, עם זאת, יצרני ציוד מקור [OEM] ומשתמשים חייבים לומר שלום ולהתראות לביטוי: “ביצועי יחידת יע”מ בלתי רגילים” מפני שעכשיו, לא רק יחידת היע”מ היא שקובעת את יכולת המחשוב, גם לליבת הגרפיקה יש מה לומר והיא ממלאה תפקיד חיוני. מלבד הייצוג הגרפי לבדו, היא כבר משמשת ביישומים רבים, לדוגמה, באלגוריתמי מסנן של תוכניות תוכנה לעריכת תמונות כגון Photoshop, בתוכניות לקידוד ולהמרה של נתוני וידיאו, וכן בתוכנה Adobe Flash Player. ועם זאת, אנשי פיתוח נאלצו להיאבק בעובדה שלארכיטקטורות יחידות יע”מ מסורתיות וכלי תכנון לא היו הכישורים המתאימים עבור נתונים מבוססי וקטורים עם ריבוי תהליכונים מקביליים. בעזרת הטכנולוגיה Fusion ניתן להתגבר על משוכה זו. בעזרת ממשקי API קלים לשימוש, כמו למשל DirectCompute של Microsoft או OpenCL, אשר נתמכים על ידי הטכנולוגיה Fusion של חברת AMD, אנשי פיתוח של תוכנת יישומים יכולים להשתמש ביעילות בפוטנציאל של ליבת הגרפיקה של יחידת APU עבור משימות מגוונות, חוץ מאשר עבור המטרה המקורית של הצגה גרפית. ואולם, קיימת דרישה שליבת הגרפיקה תתמוך בכך. פלטפורמה מסדרת G לרכיבים משובצים של חברת AMD היא הראשונה המגשימה את הדרישה הזו. לכן חברת AMD כבר מספקת ערכות לפיתוח תוכנה [SDK] שמסייעות לפשט את הצגת הסוג החדש של עיבוד נתונים.
מחשוב “פשוט” משובץ – גם הוא אפשרי
הצבת הטכנולוגיה של Fusion אינה רק מתאימה ליישומים מיוחדים. יותר מזה, אפשר להשתמש בפלטפורמה מסדרת G על פני הטווח כולו של טכנולוגיית מחשבים משובצים. עם ביצועים ניתנים לשדרוג באופן נרחב, החל במשתנים חסכוניים של ליבה יחידה עם 12 ג’יגה הרץ ועד מעבדי ליבה כפולים של 2 x 1.6 ג’יגה הרץ, הפלטפורמה החדשה של AMD מכסה עד כדי 80% מכל דרישות היישומים בשוק הרכיבים המשובצים, החל מיישומי הספק נמוך ועד יישומים של ביצועים גבוהים. על מנת לפרט את טווח הביצועים לפי סטנדרטים מוכרים, אפשר לומר שניתן לשדרג את פלטפורמת הרכיבים המשובצים מסדרה G של חברת AMD עבור פתרונות, שלהם יש פרופיל דרישות של מעבד Atom של Intel עד לביצועים של הליבה הכפולה Core i5 של Intel (מהדור הראשון). כל זאת בצימוד עם ביצועים גרפיים מעולים באופן תחרותי, אשר הודות ל- GPGPU יכולים לשמש עבור משימות מחשוב של רכיבים משובצים. וכל זאת עדיין לא משולב בחישוב הביצועים; לכן בתלות ביישום, עדיין אפשר להגדיל את פוטנציאל הביצועים ולהפוך אותו לגבוה יותר בהרבה. בלי קשר לתחום, יצרני ציוד מקור יכולים לכן לממש את כל טווח המוצרים שלהם על בסיס של ארכיטקטורת מעבד יחיד. עובדה זו לא רק שהיא מקטינה את העלויות והזמן הכרוכים בפיתוח, אלא היא גם מפשטת את ניהול שרשרת האספקה וכן את ניהול מחזור החיים והעלויות הנלוות. השימוש במחשב על מודול [COM] מומלץ ליצרני ציוד המקור ולאנשי פיתוח שמעדיפים להשתמש באופן ישיר ברכיבי מחשוב ליבה, בלי יותר מדי מאמצי תכנון, ואשר הם גם מבקשים לבצע אופטימיזציה נוספת לניהול שרשרת האספקה שלהם עם פלטפורמה של רכיבים מוכנים לרכישה באופן מסחרי מן המדף [COTS] שתהיה גמישה ככל האפשר.
אמצעי הטכנולוגיה האידיאלי: מחשב על מודול
מחשבים על מודולים הם מחשבים אישיים [PC] משובצים עם פונקציונליות מורחבת של הליבה, שאותם אפשר לחבר בקלות למעגלים הנושאים [carrier boards] שלהם. כל שנותר לפתח הוא רק את ההתאמה האישית של המעגל הנושא עם הכניסות והיציאות עבור היישום של הלקוח. לכן, הפיתוח והתכנון בשלבים של מערכות משובצות הופכים לפשוטים באופן משמעותי. המהנדסים התומכים ומהנדסי הפיתוח תומכים כבר בלקוחותיהם עם רעיונות למוצרים. ולכן, אפשר לבצע אופטימיזציה של עלויות המערכת ואינטגרציה של המערכת מההתחלה.
בגלל מודולי מחשבים ניתנים להחלפה, לא רק שאפשר לשדרג את יכולת העיבוד, אלא גם את התמיכה של הממשקים. באמצעות השימוש במודולי מחשב, השימוש בפלטפורמה מסדרה G החדשה לגמרי של חברת AMD ביישומים קיימים וכן בתכנונים חדשים, נעשה אפשרי במהירות.
המחשב על מודול הראשון בעולם, אשר מצויד בטכנולוגיית מעבד חדשה זו הוא יחידה בסיסית של מחשב על מודול Conga-BAF בטכנולוגיית COM Express של Congatec. בהיותו אחד התכנונים הראשונים, היחידה Conga-BAF עם טכנולוגיית Fusion של AMD מציעה ליצרני ציוד המקור ביצועי מחשוב וגרפיקה משולבים, אשר עד עתה לא היו אפשריים כלל או שהיו אפשריים רק עם תכנון הספקים עם התחשבות בפיזור חום [TDP] ברמה גבוהה באופן יוצא דופן. היחידה Conga-BAF היא מחשב על מודול בטכנולוגיית COM ExpressTM המבוסס על גורם הצורה COM Express Basic
(125 מ”מ 95 מ”מ). הוא ניתן לשדרוג על פני כל רוחב הפס של יחידות העיבוד המואץ [APU] הזמינות בפלטפורמה מסדרת G של חברת AMD: החל מיחידת עיבוד מואץ בליבה יחידה של 1.2 ג’יגה הרץ ועד גרסה של ליבה כפולה מהירה יותר של 2 x 1.6 ג’יגה הרץ. כך יכולים יצרני ציוד המקור סוף כל סוף לכייל את הספק המחשוב לפי דרישות הביצועים. קיימת תמיכה עבור שתי תושבות זיכרון של עד 8 ג’יגה ביית של זיכרון RAM מסוג DDR3 המהיר, אשר הוא מאיץ אפילו עוד יותר את היישומים שנדרש להם זיכרון רב יותר. בהיותו תואם לגרסת 2.0 COM.0 החדשה של מפרט ™COM Express, הוא מממש 6 ממשקי PCI Express עם נתיב (lane) אחד מסוג Gen 2.0, ארבעה אפיקי SATA 3, אפיק PCI אחד, אפיק Gigabit Ethernet, שמונה חיבורי USB 2.0 ואפיק EIDE. ובמיוחד, אנשי פיתוח יכולים להפיק תועלת מממשקי התצוגה הספרתיים הייעודיים בעלת שני חיבורי DisplayPort, שני חיבורי HDMI או DVI אשר מאפשרים ביצוע אינטגרציה מהיר וגמיש יותר של כל סוגי הצגים הזמינים כעת בשוק. למותר לציין שרזולוציות (VGA (2560 x 1600
ו- נתמכים אף הם. בסיכומו של דבר, אפשר לשלוט בשתי תצוגות בלתי תלויות. ביישומים עם רגישות קריטית לבטיחות כמו למשל בתחום הגיימיניג, מספק המודול החדש מודול פלטפורמה אמין שניתן לבטוח בו, שמתאים לאימות ולשלמות נתונים ברמה גבוהה. לכן אנו ממליצים על היחידה conga–BAF החדשה כפתרון כדאי מבחינה עלות עבור כל היישומים, אשר בנוסף לביצועי יחידת היע”מ הניתנת לשדרוג בצורה נאותה, דורשים ביצועים גרפיים ברמה גבוהה או שהם מיועדים לעיבוד מקבילי של זרימות נתונים רחבות כדוגמת, יישומים לעיבוד אולטרה סאונד או לעיבוד תמונה.
Martin Danzer is the head of Research and Development at congatec AG in Deggendorf.
