Перемены под флагом Bay Trail

Введение

Ежегодная февральская выставка Embedded World‑2014 в Нюрнберге показала, что за процессоры Bay Trail обеими руками проголосовали практически все ведущие игроки рынка встраиваемых компьютерных технологий (ВКТ). Анонсы большого количества серийных платформ на Bay Trail стали своего рода «фишкой» выставки этого года. Откуда такое единодушие? Ответ прост: «системы на кристалле» Intel Atom 3800 обладают уникальными конкурентными преимуществами и инженерными свойствами, позволяющими разработчикам готовой продукции существенно улучшить характеристики собственного оборудования.

Достоинства процессоров Intel Atom 3800 не просто набор тех или иных технологических решений. Еще до официальной премьеры платформы Bay Trail эксперты в англоязычных источниках назвали ее game changer, то есть фактор перемен, переопределяющий правила игры на рынке!

Серия Atom E3800 — наиболее яркий представитель поколения встраиваемых процессоров Bay Trail. В ее влиянии на рынок ВКТ мы и попробуем разобраться в рамках журнальной статьи, начав, как полагается, с небольшого исторического экскурса.

Что было до Bay Trail

До начала осени 2013 года (официальное объявление доступности серий Bay Trail) в недолгой истории процессоров Atom по большому счету был всего один момент из числа тех, что с легкой руки легендарного сооснователя Intel Энди Гроува именуют стратегически переломными. Это было, собственно, их появление на свет, ознаменовавшее важнейшую веху в истории ИТ-отрасли. Архитектуры x86 и ARM вступили в фазу открытого противоборства практически по всему фронту решений, отличительными чертами которых считаются «топливная экономичность», малые габариты и невысокая стоимость.

В последние годы уже как-то забывается, что компания Intel еще не так давно выпускала процессоры на основе архитектуры ARM. Выйти из этого бизнеса, да еще бросить вызов продуктам на базе ARM на их поле — шаг, мягко говоря, смелый.

Контуры дальнейшего противостояния экосистем Intel и ARM проступили весной 2008 года, когда были представлены первые продукты семейства Atom. Через пару лет в нем появились модификации, специально разработанные для рынков класса embedded, то есть для встраиваемых систем. Процессоры оказались весьма успешными в целом ряде рыночных сегментов. Фундаментальные свойства архитектуры Atom и систем на ее базе, обусловившие этот успех, хорошо известны:

• высокая энергоэффективность;
• компактность;
• совместимость со всем спектром ПО для х86;
• длительный цикл коммерческой доступности процессоров (7 и более лет);
• возможность работы в расширенных термодиапазонах;
• низкая стоимость.

Наиболее мощная рыночная альтернатива микропроцессорам Atom — постоянно совершенствуемая полупроводниковая продукция различных компаний, основанная на архитектуре ARM. Именно на усиление актуальных конкурентных преимуществ в секторе бюджетных встраиваемых энергоэффективных x86‑решений ориентированы продукты семейства Bay Trail. И важно то, что делают они это чрезвычайно успешно, если судить по скорости появления на мировом рынке все новых и новых продуктов на данной платформе.

Архитектурное совершенство

Рамки статьи не позволяют углубиться в детали архитектурной реализации платформы Bay Trail. Это можно сделать самостоятельно на сайте компании Intel или на просторах Интернета. Но и обойти ее некоторые ключевые моменты представляется неразумным. Ведь именно они во многом определяют важные конкурентные преимущества встраиваемых систем на базе процессоров Intel Atom E3800 в их нелегкой борьбе за место под солнцем на рынке.

Микроархитектуру Silvermont, составляющую основу процессоров Bay Trail, никак не назовешь очередной эволюционной ступенью в развитии семейства Atom. Это самая настоящая революция! По масштабу и значимости ее можно сравнить, например, с микроархитектурой Intel Core, из которой выросли уже четыре поколения процессоров Intel для высокопроизводительных мобильных и настольных систем. Подчеркнем главное: Silvermont наконец-то реализует полноценный механизм внеочередного исполнения команд OOE (Out-of-Order Execution). Тем самым раз и навсегда обрывается нить, связывавшая семейство Atom с доисторическими, по меркам электронной отрасли, временами процессоров Pentium (в оригинальном варианте на ядре P5) и Pentium MMX. Еще одним большим шагом вперед является использование графической подсистемы Intel седьмого поколения — аналогичной той, что реализована в процессорах Intel Core третьего поколения (Ivy Bridge). Прямое следствие этих революционных преобразований — внушительный прирост производительности. К нему мы еще вернемся.

Интегрированная графика — вообще одно из самых сильных мест Bay Trail, особенно на фоне предыдущего поколения встраиваемых платформ на базе Atom. Вышеупомянутая графическая подсистема Intel седьмого поколения способна передавать на экран изображение с разрешением вплоть до 25601600 (при кадровой частоте 60 Гц), допускает одновременный вывод двух независимых видеопотоков и включает аппаратную поддержку графических интерфейсов DirectX 11 и OpenGL 4.0, а также ряда популярных видеокодеков. Но на самом деле, конечно, лучше самому понаблюдать, как теперь реально функционирует встраиваемая система визуализации на базе Atom. Потому что, когда видишь своими глазами, вывод напрашивается сам собой. Это то, что нужно разработчикам для широчайшего спектра встраиваемых приложений — от промышленных АСУ, систем видеонаблюдения (рис. 1) и медицинского оборудования до цифровых табло, торговых автоматов, интерактивных информационных киосков, кассовых терминалов и прочих устройств, применяющихся в рекламном бизнесе и розничной торговле.

Рис. 1. Цифровые системы видеонаблюдения на основе процессоров Intel Atom серии E3800 способны одновременно обрабатывать и отображать видеосигнал с множества IP-камер, параллельно отслеживая передвижения объектов с помощью соответствующего ПО

Немаловажным фактором для многих разработчиков является и то, что продукты серии Atom E3800 представляют собой однокристальные микросхемы SoC (System on Chip, «система-на-чипе») — с соответствующим набором интегрированных функций, чья реализация в ином случае требовала бы дополнительных активных компонентов (чипсета и/или дискретных контроллеров) и, как следствие, большего размера печатных плат. Скептики могут заметить, что в семействе Atom уже были SoC-продукты (Stellarton), которые отнюдь не пользовались бешеным успехом на рынке. Но, во‑первых, это все же были микросхемы, состоящие не из одного кристалла, а из двух, совмещенных в одном корпусе. А во‑вторых, их применение, несомненно, сдерживалось тем, что от разработчиков требовались основательные знания технологии FPGA.

Рис. 2. Общая структура платформы встраиваемых систем на основе процессоров Intel Atom серии E3800 (Bay Trail)

Теперь обратимся к Bay Trail. Перед нами простая и удобная в применении современная малогабаритная встраиваемая платформа (рис. 2, таблица) с отличным набором поддерживаемых аппаратных и программных интерфейсов. Более того, в случае с Bay Trail мы получаем масштабируемое решение в тех же самых границах энергопотребления и тепловыделения, зафиксированных для предыдущих поколений Intel Atom. Следовательно, при создании систем с качественно новым уровнем функциональности и производительности разработчики могут опираться на свой прежний опыт проектирования устройств охлаждения для платформы Intel Atom (если таковой имеется), а то и вовсе обходиться без них. Это весомый плюс прежде всего для авторов всевозможных компактных, мобильных, переносных, бортовых и т. п. решений, применяемых сейчас повсеместно — от промышленности, транспорта и медицины до телекоммуникаций и специальных приложений. В частности, можно отметить, что процессоры Bay Trail идеально подходят для создания устройств, выполняющих функции человеко-машинного интерфейса — HMI (Human Machine Interface). В качестве примера приведем бортовой компьютер «РТКон» компании «РТСофт», предназначенный для широкого спектра ответственных задач в таких сферах, как промышленность, энергетика, транспорт, оборонный комплекс и т. д. Это защищенная референсная HMI-платформа, быстро и бюджетно адаптирующаяся для условий тех или иных конкретных приложений.

Примечание. 1. Рекомендованная цена единицы продукции при поставках в партиях по 1000 штук (источник: Intel, май 2014 года).

Самый быстрый Atom на свете

Сравнивать процессоры по производительности и ранжировать их по результатам тестов — любимая народная забава. Этим в буквальном смысле занимаются все кому не лень — от ИТ-производителей до широких масс обывателей. Платформу Bay Trail, как и следовало ожидать, сия участь тоже не миновала.

По имеющимся у нас протоколам тестов встраиваемых процессоров серии Atom E3800 складывается однозначная картина: Bay Trail убедительно превосходит своих предшественников (серия Atom E600), а в графических тестах, пользуясь спортивной фразеологией, выносит их в одну калитку (рис. 3).

Рис. 3. Сравнение производительности защищенных встраиваемых платформ Kontron на базе модулей COM Express mini с процессорами Intel Atom серий E3800 (Bay Trail) и E600 (Tunnel Creek) по результатам тестов:
а) SiSoftware Sandra 2011;
б) Cinebench R10;
в) 3DMark

Сопоставлять Bay Trail с процессорами на ядре ARM — дело куда менее благодарное. Во‑первых, архитектурные различия затрудняют выработку и унификацию тестовых методик, дающих объективные результаты. Во‑вторых, волей-неволей приходится учитывать возможный резонанс от подобных сравнений. Ведь своими корнями нынешние прения вокруг процессоров Atom и ARM уходят в извечные споры «CISC против RISC», где яростные обличения с обеих сторон и взаимные обиды наслаивались друг на друга десятилетиями. Тем не менее с выходом Bay Trail прибавилось смельчаков, ставящих Intel Atom по производительности выше ARM, пусть с теми или иными оговорками. И хотя о безоговорочной победе речи, разумеется, пока нет, уже сам факт изменившегося дискурса — немалое достижение Intel.

Кому-то эти разборки, возможно, покажутся странными. Ведь мы говорим о процессорах, обладающих далеко не рекордной производительностью. Более того, именно с точки зрения производительности их разработчикам приходится многим жертвовать — чтобы вписаться в заданные лимиты энергопотребления. Но давайте посмотрим на ситуацию с другой стороны. Взгляните на смартфоны, которыми сегодняшние десятилетние дети играют на улице. По производительности любой из них может оказаться сравним с многопроцессорным компьютером, который лет двадцать назад обслуживал АСУ крупного предприятия!

По сути, само понятие «высокая производительность» в некотором смысле начинает превращаться в фарс. Потому что, когда мы видим промышленную систему на основе Intel Atom серии E3800, обрабатывающую и воспроизводящую HD-видеопотоки в реальном масштабе времени, язык не повернется назвать ее низкопроизводительной. В таком контексте ранжирование процессоров по их продуктивности не более чем формальность. Все упирается в максимальную сложность задач, решение которых требуется заказчику. И в очень многих случаях платформа Bay Trail вполне адекватна этой сложности за очень скромные деньги.

«Открытая дверь» больше, чем Windows

Когда на повестку дня выносится революционное обновление встраиваемой платформы, вопрос его программной поддержки становится ключевым. С этих позиций, надо признать, запуск Bay Trail был подготовлен очень грамотно.

Исторически сложилось так (и эксперты не устают это повторять), что архитектура x86 всегда способна дать фору любой альтернативной аппаратной платформе по части совместимости с системным и прикладным ПО, а также средствами разработки. Но одно дело теоретизировать на тему вероятных трудностей с адаптацией тех или иных программных сред под альтернативные аппаратные рельсы, и совсем другое — вывести на рынок революционный продукт, обеспечив ему максимальную программную поддержку.

В случае с Bay Trail потребовалось выполнить поистине огромный объем работ. Прежде всего мы говорим о системном ПО. Работы по написанию и отладке драйверов, библиотек и прочего необходимого инструментария для различных ОС были начаты задолго до официальной премьеры серии Intel Atom E3800. Имея возможность следить за ходом этого процесса, мы наблюдали, как постепенно, месяц за месяцем меняется программный интерьер готовящейся к запуску платформы — от альфа-версий для внутреннего тестирования через публичные бета-версии к стабильным итоговым релизам.

В итоге сегодня мы видим на рынке платформу, для которой гарантирована поддержка самых значимых ОС с точки зрения рынка встраиваемых решений. Это классическая «открытая дверь» для разработчиков, желающих располагать наибольшей свободой выбора в области системного ПО. Потому что, во‑первых, как и следовало ожидать, обеспечена полная «боеготовность» к созданию встраиваемых решений под управлением современных ОС семейства Windows. Во‑вторых, само собой, предусмотрена поддержка самых известных клонов ОС Linux. Ну и конечно, список был бы неполным без ОС реального времени, таких как QNX, VxWorks и других.

Вещи из будущего

С модной аббревиатурой IoT, что расшифровывается как Internet of Things и переводится на русский язык как «Интернет вещей», процессоры Atom E3800 волей стратегов из Intel неразрывно связаны с самого дня своей официальной премьеры. Для нынешнего поколения разработчиков ВКТ это удивительное, манящее Эльдорадо — то ли сказка, то ли частично уже быль, о которой аналитики хором говорят как о рынке с колоссальными перспективами. Они, правда, порой прилично расходятся в количественных оценках, но в любом случае речь идет о годовых объемах поставок в десятки (а то и сотни) миллиардов устройств и оборотах на неприлично большие количества долларов.

Для того чтобы урвать свой кусок этого огромного пирога, требуется прежде всего решимость. Да, по-прежнему не сформулировано четкого единого определения, что такое этот самый «Интернет вещей». Не беда — каждый может сравнить трактовки, выбрать ту, что ему ближе, или придумать собственную. И вовсе не обязательно вдаваться в философские, культурологические и прочие дебри, что за последние годы выросли и расплодились вокруг этого понятия. Растущий рынок ждет реальных дел. Именно такой, сугубо материалистический подход, по сути, и адресует разработчикам встраиваемых решений корпорация Intel и ее многочисленные партнеры и последователи.

Вещи — вот что нужно «Интернету вещей», много новых умных вещей. Их кардинальное отличие от привычных вещей, окружавших нас раньше, состоит именно в интеллекте, который в них встроен. Хотите, чтобы ваши продукты стали частью этой формирующейся вселенной? Вот вам входной билет в нее — платформа Bay Trail. Это платформа для тех, кто хочет делать вещи умными, способными генерировать данные, анализировать их, обмениваться ими с другими вещами. Или, если хотите, это архитектурный фундамент для принципиально нового поколения компактных встраиваемых решений — не просто подключаемых к сетевым средам, а реализующих концепцию M2M (Machine-To-Machine), то есть межмашинного взаимодействия. А еще — удобный и надежный способ перенести на эти решения программный интеллект, ранее требовавший производительности уровня настольных систем и выше. Вас ждет прорыв в будущее индустрии ВКТ, а рефлексии на тему глубинной сути происходящих глобальных изменений оставьте философам и публицистам.

Без ненужного риска

Архитектурные достоинства и впечатляющие графические возможности Bay Trail вкупе с широкой поддержкой системного ПО и входным билетом в «Интернет вещей», бесспорно, согреют душу многим разработчикам. Но ведь это еще не все. Не забудем, что все пять моделей серии Intel Atom E3800 «первого созыва» штатно выпускаются с расчетом на эксплуатацию в диапазоне рабочих температур от –40 до +110 °C. А заявленные для них базовые сроки доступности, по уже сложившейся традиции, составляют семь лет.

Рис. 4. Kontron CP3010 SA — одна из первых процессорных плат CompactPCI форм-фактора 3U, выполненных на базе процессоров Intel Atom серии E3800

Эти шаги — ключ к дальнейшему расширению сферы применения систем на основе Bay Trail, и без того, кстати, немалой. И пусть вас не смущает, что на первых порах ведущие производители аппаратных средств для встраиваемых решений сделали основной акцент на сравнительно небольшой номенклатуре продуктов — процессорных платах для систем CompactPCI форм-фактора 3U (например, Kontron CP3010‑SA, рис. 4), малогабаритных материнских платах бюджетного класса (типа Kontron mITX-E38 и pITX-E38, рис. 5), одноплатных решениях в различных стандартах семейства PC/104 и ряде вариаций на тему COM (Computer on Module), или компьютеров на модуле. Как говорится, надо было с чего-то начинать. Разумно, что начали на тех направлениях, где предыдущие поколения процессоров Atom застолбили неплохие позиции.

Рис. 5. Примеры первых аппаратных реализаций платформы Bay Trail — встраиваемые материнские платы Kontron mITX-E38 (форм-фактор Mini-ITX) и pITX-E38 (форм-фактор Pico-ITX)

Гораздо интереснее вопрос: что ожидать дальше? Попробуем на него ответить. Свойства и возможности процессоров Intel Atom и систем на их основе отныне таковы, что можно с большой долей уверенности прогнозировать тотальный характер их экспансии на рынке ВКТ — не в этом поколении, так в следующем. В первую очередь это относится к решениям класса Box PC и различных типов промышленных ПК. Нет сомнений и в том, что волна, поднятая Bay Trail, накрывает практически все стандарты и форм-факторы COM-продуктов. Это касается в том числе и стандарта SMARC, изначально разрабатывавшегося в первую очередь с расчетом на архитектуру ARM.

Логично будет, если на этой волне вновь вырастет интерес к Intel Atom со стороны разработчиков процессорных модулей AdvancedMC для систем MicroTCA, основной сферой применения которых по-прежнему остаются телекоммуникационные приложения. В прошлом мы уже видели попытки вывода на рынок таких продуктов. Так почему не сделать то же самое сейчас — с уже действительно высокопроизводительным процессором, который вдобавок еще и штатно выпускается с расчетом на жесткие условия эксплуатации? Шансы-то на успех явно повысились.

Схожая история и с системами VPX, где мы тоже уже видели эксперименты с созданием процессорных плат на основе Intel Atom. И по производительности те процессоры тоже были не чета нынешним. Да, это сверхконсервативный рынок. Это приложения высочайшей ответственности. Это заказчики, которые ценят прежде всего надежность и защищенность оборудования, опыт и репутацию его поставщика. Но мы знаем и то, что даже многократно проверенные временем решения, используемые в оборонном комплексе, атомной энергетике и аэрокосмической отрасли, периодически нуждаются в модернизации.

Наконец, феномен под названием Bay Trail просто не может обойти стороной огромный мир частнофирменных решений, не подчиняющихся никаким стандартам.

Промышленность, транспорт, телекоммуникации, энергетика, оборонный комплекс и авионика — не секрет, что в России это самые платежеспособные рынки ВКТ. На всех этих рынках уже есть немалый интерес к решениям на основе Bay Trail, и в перспективе мы ожидаем, что он будет расти.

Фактор стоимости здесь тоже играет, кстати, не последнюю роль. Мы готовы утверждать, что, скажем, одноплатная боевая платформа жесткого исполнения (с расчетом на эксплуатацию при температурах от –40 до +85 °C) на базе процессора Intel Atom серии E3800 при прочих равных будет стоить как минимум вдвое дешевле по сравнению со средней ценой аналогичных систем на основе процессоров Intel Core i7 третьего или четвертого поколения. Да, по производительности она им уступит, но при этом будет на 100% адекватна требованиям многих разработчиков в части минимизации энергопотребления и упрощения схем охлаждения. Это очень рациональный выбор!

Никак не следует недооценивать и фактор длительных сроков доступности продуктов. Семь лет базовой доступности на рынке — великолепный показатель. К тому же это ведь не только про процессоры Intel Atom серии E3800. Мы берем так называемый роадмап, то есть планы по выпуску продуктов ведущего производителя аппаратных средств — допустим, это будет Kontron. И что мы видим? Поставки, к примеру, недавно дебютировавших на рынке модулей COM Express серий Kontron COMe-cBTi6 (в форм-факторе COM Express compact) и COMe-mBTi10 (COM Express mini), а также SMARC-модулей Kontron SMARC-sXBTi (рис. 6) и вышеупомянутых материнских плат Kontron mITX-E38 и pITX-E38 гарантированы до конца 2020 года. И это далеко не предел!

Рис. 6. Модули SMARC серии Kontron SMARC-sXBTi на процессорной платформе Bay Trail предназначены для создания низкопрофильных сверхкомпактных систем с высокой графической производительностью

Мы не будем здесь говорить о способах, позволяющих удлинить сроки доступности продуктов ВКТ в 2–3 и более раз по отношению к базовым, как того требуют консервативные рынки (то есть до 15, 20, 30 лет). Важно, что такие способы существуют — легальные, сравнительно недорогие и обеспечивающие надлежащее качество поставок. Сам факт их наличия лишний раз убеждает нас в том, что ставка разработчиков на Bay Trail — надежный вариант, не несущий в себе дополнительных рисков.

Заключение

В случае с процессорами Bay Trail мы видим явственно обозначенный новый уровень амбиций и претензий Intel на рынке компактных встраиваемых решений с малым энергопотреблением. При этом нужно отметить, что предыдущие поколения встраиваемых процессоров Intel Atom (Tunnel Creek и Stellarton) к концу прошлого года, в сущности, исчерпали весь свой потенциал, стремительно устаревая как в техническом плане, так и в моральном. Как следствие, контраст с идущим им на смену семейством SoC-продуктов Bay Trail получился на редкость ярким.

На рынке ВКТ снова дует ветер позитивных перемен, вселяя энтузиазм в разработчиков. Самое время оседлать поднятую им волну и двигаться вперед — к открывающимся горизонтам недоступных ранее возможностей встраиваемых систем. Нужно только не забывать контролировать курс и крепко держать штурвал.