Szybszy rozwój technologii układów wbudowanych

Do niedawna układy wbudowane były zwykle znacznie opóźnione pod względem technologicznym w porównaniu z procesorami produkowanymi z myślą o komputerach stacjonarnych. Jednak producenci zapowiadają, że wkrótce użytkownicy aplikacji automatyki i sterowania będą mogli korzystać z nowych technologii niemal tak szybko, jak użytkownicy desktopów. 

Na rynku urządzeń zagnieżdżonych Intel oferuje urządzenia o długim okresie produkcji wynoszącym 5 do 7 lat – jak procesor Core 2 Duo czy chipset Q965. W przeszłości tak zaawansowane układy tworzone na potrzeby rynku urządzeń zagnieżdżonych pojawiały się znacznie później niż ich odpowiedniki przeznaczone dla masowego
odbiorcy. Obecnie opóźnienie w zasadzie nie występuje.
 

Do końca tej dekady liczba działających na świecie układów wbudowanych (embedded systems) ma wzrosnąć do 16 miliardów sztuk – prognozuje Amerykańska Akademia Nauk. Nic dziwnego, że producenci coraz bardziej starają się, aby technologie stosowane w systemach typu embedded nie pozostawały w tyle za konstrukcjami procesorów do komputerów stacjonarnych. Przykładowo: w styczniu tego roku Intel ogłosił przełom w produkcji 45-nanometrowych tranzystorów, urządzeń tak małych, że ich 30 milionów sztuk mieści się na główce od szpilki. Kilka lat temu taka informacja nie znaczyłaby zbyt wiele z punktu widzenia użytkowników systemów typu embedded. W tamtym czasie opóźnienie pomiędzy tymi układami a najbardziej zaawansowanymi procesorami wynosiło około dwóch lat. Od tamtej pory okres ten skrócił się do co najwyżej kilku miesięcy. W 2006 r. zdarzyło się, że od wprowadzenia wielordzeniowych procesorów Intela dla komputerów typu desktop do wypuszczenia ich odpowiedników w segmencie urządzeń wbudowanych minęło zaledwie kilka tygodni.

Jednak nie wszystkie procesory Intela będą dostępne w wersjach dla urządzeń zagnieżdżonych. Firma gwarantuje bowiem produkcję i wsparcie dla tych produktów przez pięć do siedmiu lat, czyli znacznie dłużej niż w przypadku kości ogólnego przeznaczenia. Firma chce być pewna, że wybrany układ będzie spełniał wymóg długiej żywotności, zanim zdecyduje się na wydanie miliardów USD na jego produkcję i wsparcie.

U konkurencji podobnie

AMD również oferuje układy scalone dla urządzeń wbudowanych. Jak twierdzą przedstawiciele kalifornijskiej firmy, opóźnienie pomiędzy procesorami dla pecetów a ich zagnieżdżonymi wersjami o podobnych parametrach wynosi obecnie około sześciu miesięcy. To wciąż długo, ale krócej niż w poprzednich latach. Podobnie, jak w przypadku Intela nie każdy nowy procesor produkowany przez AMD będzie przeznaczony do użytku w urządzeniach wbudowanych. Wynika to częściowo z faktu, że firma zapewnia ciągłość produkcji tego typu układów przez pięć lat. A to oznacza relatywnie długie i kosztowne zaangażowanie środków i czasu na produkcję. Poza tym do głosu dochodzą w tym przypadku kwestie certyfikatów wydawanych przez szereg organizacji oraz instytucji – jak na przykład Federalny Zarząd Lotnictwa (ang. Federal Aviation Administration). W pewnych przypadkach, gdy urządzenie zostanie zaaprobowane, to ani ono, ani żadna z jego części składowych nie może już podlegać modyfikacji. Dlatego też AMD nie rozpoczyna produkcji pewnych typów urządzeń bez uwzględnienia powyższych czynników.

Przedstawiciele AMD zapewniają, że każdy produkt wypuszczany przez nich na rynek wykorzystuje najnowocześniejsze technologie, realizując tym samym potrzeby rynku urządzeń zagnieżdżonych. A są to takie kwestie, jak żywotność urządzeń czy zużycie energii. Na przykład AMD wypuściło dwurdzeniowy chip Athlon, przeznaczony dla wysoko specjalizowanych aplikacji zagnieżdżonych, których moc nominalna wynosi 35 W. Jednakże procesor ten może również pracować w stanach, w których zużywa jedynie 12 W. Użytkownik może samodzielnie ustalić prędkość pracy procesora, aby ograniczyć zużycie energii. AMD oferuje także serię kompaktowych i energooszczędnych procesorów Geode. Mogą one zużywać jedynie 1,3 W przy taktowaniu 433 MHz. Są przy tym przystosowane do uruchamiania wszystkich aplikacji systemów Windows i Linux, nawet najbardziej różnorodnych, 32-bitowych aplikacji dla rodziny procesorów X86. Ostatnia wersja procesora z rodziny Geode pracuje z prędkością 600 MHz zużywając 2,6 W.

Korzystne przyspieszenie

Szybszy rozwój technologiczny przynosi korzyści urządzeniom automatyki na wiele różnorakich sposobów. Przykładem są procesory dwurdzeniowe. Kość z wieloma niezależnymi procesorami może przeznaczyć jeden z nich do sterowania w systemie czasu rzeczywistego pracą robota, podczas gdy drugi procesor obsługiwałby oprogramowanie wykorzystywane na danym stanowisku. Dzięki temu istotne procesy nie są zakłócane z powodu niedostatecznej ilości czasu czy pamięci przydzielonej im przez procesor. Za dodatkową zaletę należy uznać rozłożenie obciążenia na większej powierzchni procesora, co powoduje obniżenie zużycia energii. Jak wskazuje praktyka, w porównaniu do procesorów jednordzeniowych procesory dwurdzeniowe potrafią obsłużyć dwa razy więcej aplikacji przy jednoczesnym zużyciu 40% mniej energii, co jest bardzo istotną cechą dla aplikacji zagnieżdżonych.

Matt Chang jest inżynierem ds. projektowania sprzętu w kalifornijskiej firmie Opto22, producenta sprzętu i oprogramowania automatyki. Jako że bierze czynny udział w rozwoju nowych produktów, interesuje go wszystko, co jest związane z chipsetami przeznaczonymi dla układów zagnieżdżonych. Często układy te miały funkcje, których ani on, ani żaden inny projektant sprzętu automatyki nigdy nie wykorzystywał. Te dodatki zajmowały jednak dużo miejscaw kości. Powodowały również zwiększenie kosztów produkcji i poboru mocy.

Od pewnego jednak czasu nie wydaje się to jednak być żadnym problemem. Jak mówi Chang, w wielu nowych produktach przemysł półprzewodnikowy niemal pokonał te trudności. Rozwój technologii produkcji półprzewodników przyniósł układy scalone o gęstościach tak dużych, że ekstra dodatki zajmują faktycznie bardzo niewiele miejsca. Dodatkowo coś co jeszcze do niedawna było zbędnym dodatkiem, tak jak interfejsy Ethernetu czy sieci bezprzewodowych, dziś znajduje zastosowanie. Dla Opto 22, które projektuje swoje produkty, bazując na gotowych układach półprzewodnikowych, koszty procesorów uległy ostatnio istotnemu obniżeniu przy jednocześnie znacznym wzroście poziomu ich integracji.

Nie tylko giganci

Oprócz dobrze znanych marek, jak Intel czy AMD, na rynku operuje kilku innych producentów układów scalonych. Jednym z nich jest mająca swoją siedzibę w Austin w Teksasie firma Freescale. Powstała w 2004 roku, oddzieliwszy się od koncernu Motorola. W rezultacie ma kilkadziesiąt lat doświadczeń w zakresie produkcji urządzeń wbudowanych. Freescale nie inwestuje wprawdzie tak znacznych środków, jak większe firmy, niemniej wydaje ponad miliard USD rocznie na różne projekty i rozwój urządzeń półprzewodnikowych.

Jeff Bock, menedżer sprzedaży produktów mobilnych w Freescale informuje, że firma nieustannie zmniejsza zużycie energii oraz jednocześnie ceny oferowanych produktów. Dla ograniczenia poboru mocy procesory tej firmy mają architekturę, która pozwala na wybór, czyli włączanie lub wyłączanie przez użytkownika określonych urządzeń peryferyjnych. Funkcjonalność ta, stworzona pierwotnie na potrzeby urządzeń mobilnych, jest wykorzystywana coraz częściej w urządzeniach wbudowanych. W tym segmencie rynku, jak twierdzi Bock, zauważalny jest trend odchodzenia od urządzeń 8- i 16-bitowych na rzecz 32-bitowych. Wśród przyczyn wylicza protokół CAN oraz bezprzewodowe protokoły, takie jak ZigBee – protokół o niewielkim zasięgu działania, lecz jednocześnie niskim zapotrzebowaniu na energię. Według rozmówcy Control Engineering chęć wykorzystania tego typu protokołów komunikacyjnych często popycha użytkowników do porzucenia starszych procesorów. To właśnie komunikacja ma często skłaniać ludzi do przejścia na bardziej wydajne 32-bitowe urządzenia.

Na rynku urządzeń półprzewodnikowych znajdują się też tacy gracze, którzy projektują urządzenia na własne potrzeby, uniezależniając się od procesorów ogólnego użytku. Firmą taką jest na przykład pochodząca z Milwaukee w stanie Wisconsin firma Rockwell Automation, producent znanych programowalnych sterowników logicznych Logix. Firma nie jest producentem półprzewodników na rynek masowy, ale wykorzystuje samodzielnie zaprojektowane chipy. Dzięki temu, że ma odpowiednie doświadczenie, produkcja własnych urządzeń półprzewodnikowych nie kosztuje dużo. Poza tym takie podejście pozwala być pewnym, że urządzenia działają w 100%, tak jak życzy sobie tego firma, a przy tym pozwala na optymalizację wymiarów i minimalizację zużycia energii. Nie oznacza to, że Rockwell będzie używał jedynie wyprodukowanych przez siebie urządzeń. Wszystko zależy od konkretnych potrzeb i od tego, co w danej sytuacji wydaje się najlepszym rozwiązaniem. Przedstawiciele firmy nie ukrywają jednak, że w razie potrzeby są przygotowani na odejście od produktów ogólnodostępnych.

Wieczne prawo Moore’a

Bez względu na to, czy tworzone na specyficzne potrzeby czy do ogólnego użytku, układy wbudowane czerpią z rozwoju technologii półprzewodnikowych. A świat ten przez długie lata żył i rozwijał się zgodnie z prawem Moore’a. To założyciel Intela czterdzieści lat temu poczynił obserwację, że liczba tranzystorów w kości podwaja się co kilka lat. Historycznie oznaczało to zwiększenie o 0,7 w skali liniowej liczby istotnych właściwości chipów co każde trzy lata. Taki rozwój przyczynił się do tego, że firmy są w stanie oferować kontrolery zagnieżdżone po coraz to niższych cenach i o coraz to większej funkcjonalności.

W końcówce lat 90-tych trend ten uległ przyspieszeniu, skracając wspomniany okres do 2,5 roku. Ostatnio tempo rozwoju powróciło jednak do swoich historycznych wartości. Wielką niewiadomą pozostaje odpowiedź na pytanie, co wydarzy się w przyszłości? Rozmówcy Control Engineering uważają, że tempo rozwoju urządzeń półprzewodnikowych nie spadnie do końca dziesięciolecia ani przez pewien czas po wprowadzeniu technologii 32 nm. Jednakże po 2010 roku przyszłość rysuje się niejasno. Parafrazując znane powiedzenie (dotyczące zupełnie innej sfery), można by powiedzieć, że technologia jest chętna, ale ekonomia słaba. Rozwój może być zwyczajnie zbyt kosztowny i ryzykowny, szczególnie wtedy, gdy wymagałby na przykład fundamentalnych zmian w fotolitografii lub innych metod produkcji.

Z drugiej strony nierozsądnym byłoby nie doceniać pomysłowości osób działających w tym przemyśle – jak podkreślił między innymi Bob Doering, starszy specjalista w Texas Instruments. W jego opinii obecnym zbawcą tego przemysłu jest rozwój fotolitografii, która jest półprzewodnikowym urzeczywistnieniem idei obecnych w mikroskopii od wieków. Dlatego też rozwiązania potencjalnych problemów z pewnością zostaną znalezione i prawo Moore’a będzie nadal obowiązywać.

Artykuł pod redakcją dra inż. Pawła Dworaka
adiunkta w Zakładzie Automatyki
Instytutu Automatyki Przemysłowej
Politechniki Szczecińskiej