8-900-374-94-44
[email protected]
Slide Image
Меню

Плис отечественного производства – Основные производители современных ПЛИС-компьютеров и комплектующих к ним | PARALLEL.RU

Основные производители современных ПЛИС-компьютеров и комплектующих к ним | PARALLEL.RU


Достаточно много компаний в мире занято производством цифровых устройств на основе ПЛИС и использованием их в своих системах. В данном разделе перечисляются и кратко описываются основные производители современных вычислительных систем на основе ПЛИС и комплектующих к ним.

Xilinx, Altera, Lattice Semiconductor, Actel, Atmel, Nallatech, Mitrionics, Alpha Data, QuickLogic, Achronix Semiconductor, MathStar, Rapid Prototypes, National Instruments, Sun Microsystems, SGI, Cray, MNB Technologies, CPU Tech, Exegy, Celoxica, XtremeData, Plurality.


Представительство российских компаний в данной области пока освещено не слишком широко, русскоязычная информация достаточно скудна. В данном разделе собрана информация о российских организациях, работающих в области ПЛИС-компьютеров.

НИИ МВС, ФГУП "НИИ КВАНТ", Инлайн Груп, Эфо, ИТМИВТ, Высокотехнологичные системы, НПП "Цифровые решения", DeverSYS,



Xilinx

Основанная в 1984 году американская компания Xilinx является одним из лидеров в области производства ПЛИС-микросхем. На данный момент у этой компании существует несколько серий выпускаемой аппаратуры для разного рода вычислений:

  • Virtex. Высокопроизводительные ПЛИС на основе FPGA, призванные заменить специализированные интегральные схемы при решениях различных ресурсоемких задач.
  • Spartan. Более дешевые и менее производительные ПЛИС FPGA, разработанные для использования в устройствах, рассчитанных на большие тиражи и невысокую стоимость комплектующих.
  • CoolRunner и XC9500. Серии ПЛИС типа CPLD, предназначенных для использования в различных портативных устройствах - мобильных телефонах, GPS-навигаторах, КПК и т.д. Для микросхем данного типа главными критериями является минимизация размеров и потребляемой мощности.

Микросхемы данных серий применяются довольно широко: последнее семейство Virtex-5 из серии Virtex используется, например, в суперкомпьютерах Cray XT5h и NEC SX-9. Также ПЛИС FPGA являются альтернативой процессоров цифровой обработки сигналов, для чего в каждом семействе присутствуют модели со встроенными блоками для этой обработки.

Для работы с представленными микросхемами компания Xilinx предоставляет различные программные средства для реализации цифровых схем, для разработки встраиваемых программируемых процессорных систем, а также для отладки и повышения производительности.

Помимо собственно разработки микросхем, компания Xilinx уделяет большое внимание цифровой обработке сигналов, разработке различных IP-ядер для использования в микросхемах, созданию встроенных процессоров и др.



Altera

Компания Altera является основным конкурентом компании Xilinx, причем по всем основным направлениям. Главное из них - это производство ПЛИС как типа FPGA, так и типа CPLD. В мае 2008 года Altera представила новое семейство из серии Stratix высокопроизводительных микросхем типа FPGA - Stratix IV, работающих на 40-нм архитектуре. Для менее ресурсоемких задач компания Altera предлагает серию ПЛИС FPGA Cyclone, а в качестве компромисса между производительными Stratix и недорогими Cyclone - серию Arria. Для мобильных устройств выпускается серия Max на основе ПЛИС типа CPLD. Также в дополнение к этим микросхемам компания выпускает серию ASIC микросхем

HardCopy, разработанных в качестве специализированных аналогов соответствующих FPGA Stratix. В 2008 году микросхема Stratix III была отмечена наградой DesignVision Award в области "Полупроводники и интегральные схемы".

Начиная с серии Stratix III, в ПЛИС используется технология Programmable Power Technology, которая позволяет варьировать режим работы и, соответственно, потребляемую мощность логических ячеек в зависимости от необходимости быстрого выполнения поставленной задачи.

Микросхемы компании Altera активно применяются во многих областях, например, на рынке беспроводных и проводных коммуникаций, в военных технологиях, в области телевещания, а также в различных мобильных устройствах.

Компания Altera занимается разработкой разнообразного ПО для работы с их микросхемами, среди которых основным программным продуктом является пакет программ Quartus II, который предоставляет различные средства для проектирования и анализа структуры микросхем, а также для оптимизации затрат по потребляемой мощности.



Lattice Semiconductor

Lattice Semiconductor только в 2002 году начала производство FPGA-микросхем, и на этом рынке она занимает всего порядка нескольких процентов. Однако Lattice Semiconductor является одним из лидеров в области производства CPLD и SPLD (simple PLD - более простые по сравнению с CPLD программируемые устройства) микросхем. На этом рынке компания предоставляет целый спектр ПЛИС различной направленности:

  • CPLD общего назначения;
  • CPLD с низкой потребляемой мощностью;
  • CPLD с гибридной архитектурой серии MachXO - обладает некоторыми свойствами FPGA, что позволяет большей гибкости при программировании;
  • CPLD серии ispXPLD 5000V/B/C, которая состоит из блоков Multi-Function Block (MFB), каждый из которых может быть запрограммирован отдельно:
    • как вычислительный блок;
    • как блок памяти RAM или CAM;
    • как блок, реализующий буфер типа FIFO.
  • SPLD-микросхемы, используемые для проведения простых операций или в качестве связующих логических схем на плате.

Хотя компания Lattice Semiconductor появилась на рынке ПЛИС FPGA относительно недавно, она выпускает довольно большой ассортимент микросхем данного типа. Среди них стоит выделить микросхемы

Field Programmable System Chip (FPSC) - первой серии ПЛИС со встроенными ASIC ядрами, которые предназначены для реализации стандартных IP ядер - шинного интерфейса, высокоскоростного интерфейса или высокоскоростного трансивера; а также серию Lattice XP2 и предназначенный для его программирования прикладной пакет ispLEVER, которым в 2008 году была присуждена премия DesignVision Award в области "Средства программирования микросхем типа ASIC, FPGA и PLD".



Actel

Компания Actel делает ставку на производство небольших и недорогих микросхем типа FPGA, ориентируясь на надежность таких ПЛИС. В целом выпускаемые компанией Actel микросхемы можно разбить на два типа:

  • с использованием flash-памяти;
  • с однократно программируемой памятью (antifuse технология).

Оба типа микросхем обеспечивают высокий уровень защищенности информации как от несанкционированного доступа, так и от альфа- и нейтронного излучения. Также большим преимуществом таких микросхем является тот факт, что они являются не изменяющимися - не требуют загрузки конфигурации архитектуры ПЛИС каждый раз при включении питания. Это означает, что они готовы к работе сразу же после запуска оборудования.

Поскольку компания Actel занимается производством компактных и недорогих ПЛИС (в феврале этого года Actel стала выпускать микросхемы серии ProASIC3 по рекордно низкой цене в 99 центов), основными ее покупателями являются компании, занимающиеся различными портативными устройствами и автомобильной промышленностью. Также благодаря описанным свойствам высокой надежности и моментальной готовности к работе микросхемы компании Actel используются в военной и аэрокосмической областях.

Также стоит отметить разработанную компанией Actel технологию Fusion, которая позволяет объединить логические блоки FPGA, flash-память и аналоговые устройства на одной микросхеме.



Atmel

Компания Atmel занимается многими отраслями рынка полупроводников: производством микроконтроллеров, устройств Flash-памяти, ASIC-устройств, а также ПЛИС. Направление программируемых микросхем, производством которых она занялась в 1999 году, не является приоритетным, и набор предоставляемой продукции не очень велик. На рынке ПЛИС типа FPGA основной является серия

AT40KAL - небольшие микросхемы с числом ячеек порядка нескольких тысяч, используемых в основном для цифровой обработки сигналов. На базе этих микросхем построено семейство чипов Field Programmable System Level Integrated Circuits (FPSLIC), объединяющих на одном кристалле микропроцессорное ядро, оперативную память и программируемую логику. Также Atmel занимается производством SPLD- и CPLD-микросхем, последние из которых характерны тем, что являются совместимыми с аналогичными устройствами основных производителей ПЛИС аппаратуры, таких как Altera и Xilinx.

Помимо производства собственно микросхем, компания Amtel занимается производством оперативной EEPROM памяти (в том числе Flash-памяти), предназначенной для использования в собственных микросхемах серии FPSLIC и FPGA-устройствах основных производителей.

Также Amtel предоставляет услугу Ultimate Logic Conversion (ULC), в рамках которой разработанный для ПЛИС проект переносится на создаваемые этой компанией более дешевые ULC-кристаллы. Процесс конвертирования компания практически полностью берет на себя. В течение 20 лет предоставления этой услуги было преобразовано около 2000 проектов.



Nallatech

Шотландская компания Nallatech является одним из лидеров в области создания готовых вычислительных решений на основе ПЛИС. Она занимается разработкой системных плат и вычислительных модулей для персональных компьютеров, используя в качестве базы микросхемы компании Xilinx. Данные готовые решения применяются в оборонной промышленности для увеличения производительности.

Существует 4 различные серии плат в соответствии с поддерживаемым ими интерфейсом: PCI, cPCI, PIC-104 или VME. Большинство из них работают на ПЛИС Virtex II Pro или Virtex 4, однако в конце 2007 года вышла PCI-X плата со встроенной микросхемой Virtex-5. Все платы поддерживают некоторое количество подключаемых модулей. Эти модули могут отличаться встроенными ПЛИС (Virtex II Pro либо Virtex 4; также бывают модули с двумя встроенными микросхемами), объемом и типом оперативной памяти, а также наличием аналогового или цифрового ввода/вывода. Данные модули подключаются к платам с помощью созданного этой компанией интерфейса Dime.

Для того чтобы облегчить использование предоставляемых решений, компания Nallatech предоставляет среду проектирования DimeTalk, а также пакет FUSE - набор API для языков С/С++ и пакета MatLab.

Помимо оборудования для настольных ПК Nallatech также предоставляет вычислительные решения для HPC производительностью до 50 GFlop/s, представленные в формате IBM BladeCenter или в качестве PCI-X платы. В частности, платы Nallatech h201 используются в суперкомпьютере Maxwell.



Mitrionics

Эта компания из Швеции занимается довольно узким направлением - созданием программного обеспечения для упрощения использования ПЛИС в HPC-технологиях. Основная разработка Mitrionics - выпущенный в 2005 году продукт Mitrion Platform, который состоит из Mitrion Virtual Processor (MVP) и Mitrion SDK.

MVP - это построенный на программном ядре настраиваемый процессор с массовым параллелизмом. По своей сути, MVP является абстракцией, прослойкой между пользовательской программой и аппаратурой. Сначала программа преобразуется в конфигурацию для MVP, после чего сконфигурированный нужным образом процессор запускается на ПЛИС и реализует подходящую архитектуру этой микросхемы. Параллелизм в процессоре достигается за счет выделения необходимого числа вычислительных элементов ПЛИС под каждую команду. Применение MVP позволяет пользователю, не касаясь вопросов архитектуры ПЛИС, программировать под нее свою задачу.

Преобразованием пользовательской программы в конфигурацию для MVP занимается Mitrion SDK. В состав этого пакета входят компилятор, отладчик, а также симулятор для тестирования приложений при отсутствии доступа к ПЛИС-аппаратуре. Программа должна быть написана на Mitrion-C - языке программирования с неявным параллелизмом, по синтаксису сильно напоминающем С.

Поскольку MVP берет целиком на себя задачу проектирования ПЛИС-устройств, которые отличаются довольно сильно от производителя к производителю, он не может быть универсальным. Обеспечивается поддержка следующих платформ:

  • Cray XD1;
  • Nallatech BenDATA-DD and h200 series;
  • Scan Engineering Telecom SAMC-707;
  • SGI RASC RC100.

Продукция компании Mitrionics применяется для решения различных ресурсоемких задач, требующих HPC-вычислений, таких как изучение последовательностей генов, распознавание образов, а также в биоинформатике.



Alpha Data

Данная компания занимается производством оборудования на основе ПЛИС-микросхем. Среди выпускаемой продукции можно выделить две группы:

  • Платы на основе ПЛИС микросхем Virtex компании Xilinx;
  • Дополнительные модули к этим платам:
    • Модули для ввода/вывода;
    • PMC (PCI Mezzanine Card) адаптеры;
    • Устройства для работы с аналоговыми сигналами.

Выпускаемые компанией Alpha Data платы применяются в военной и космической промышленностях, в телекоммуникациях, а также в цифровой обработке сигналов. Для облегчения работы с ними компания предлагает программные пакеты, встраиваемые в программы Matlab и Simulink.

ПЛИС-платы компании Alpha Data используются в суперкомпьютере Maxwell, а также в таких компаниях, как Boeing, Nokia и Motorola.



QuickLogic

Организованная в 1988 году компания QuickLogic полностью ориентирована на рынок портативных устройств. До 2007 года основным ее продуктом была серия недорогих однократно программируемых ПЛИС PolarPro с низким энергопотреблением. Однако после этого момента компания решила уйти с FPGA-рынка и сфокусироваться на производстве CSSP микросхем (Customer Specific Standard Products), являющихся частным случаем специализированных интегральных схем.

CSSP устройства компании QuickLogic обладают следующими свойствами:

  • Они однократно программируемы;
  • Процесс программирования осуществляется самой компанией при участии пользователя;
  • Эти устройства состоят из блоков двух типов:
    • Программируемые блоки;
    • Аппаратно зашитые блоки, реализующие USB, SD, MMC и другие интерфейсы (отсутствуют в устройствах серии PolarPro).

В связи с изменением политики компании, серия ПЛИС PolarPro была переориентирована в соответствующие CSSP устройства, а также было выпущено новое семейство CSSP микросхем ArcticLink.

Сферы применения микросхем компании QuickLogic:

  • Смартфоны;
  • Плееры;
  • Портативные навигационные устройства;
  • HDD диски;
  • Flash-карты и т.д.


Achronix Semiconductor

В отличие от многих производителей ПЛИС, компания Achronix Semiconductor при производстве ПЛИС FPGA делает ставку не на низкую стоимость и энергопотребление, а на высокую производительность и надежность. Выпускается две серии микросхем:

  • Серия Achronix-Ultra с частотой до 2.2 ГГц, что является рекордным значением для ПЛИС.
  • Серия Achronix-Xtreme с частотой около 1 ГГц, устойчивых к радиационному излучению и предназначенных для работы в большом температурном диапазоне - от -260°С до +130°С.

Причиной появления столь высокой тактовой частоты является использование асинхронной технологии - элементы микросхемы не синхронизированы между собой. При этом частота в 2.2 ГГц означает, что такая микросхема работает с той же производительностью, что и имеющая аналогичную архитектуру синхронизированная микросхема ( CEO Interview: John Lofton Holt of Achronix). Асинхронность скрыта от пользователя под уже синхронизированной аппаратной и программной инфраструктурой.

Как становится понятным из вышеперечисленных свойств выпускаемых данной компанией микросхем, основными целевыми отраслями являются сферы, требующие большой вычислительной мощности и/или работы в экстремальных условиях. Это аэрокосмическая и военная промышленности, высокопроизводительные вычисления, а также сфера коммуникаций и цифровая обработка сигналов.



MathStar

Компания MathStar занимается производством устройств с программируемой логикой, однако она выпускает не совсем обычные микросхемы - Field Programmable Object Arrays (FPOA). Отличием последних является то, что в них логические вентили объединены в объекты, каждый из которых обладает некоторой законченной функциональностью. Объекты бывают двух типов: основные и периферийные. Основные объекты - арифметико-логическое устройство, умножитель и регистровый файл, - работают на частоте в 1 ГГц и предназначены собственно для вычислений, тогда как периферийные объекты предоставляют дополнительную память и доступ к вводу/выводу. Наличие у всех объектов одинакового интерфейса позволяет варьировать число и расположение каждого из них.

Преимуществом такого подхода является абстрагирование от самого низкого уровня архитектуры при ее проектировании: пользователю приходится работать не с уровнем вентилей, а с уровнем объектов. Это существенно упрощает процесс проектирования, однако уменьшает гибкость системы.

Основной и практически единственной областью применения данных устройств является обработка видео и изображений, о чем свидетельствует набор предоставляемых IP-ядер, нацеленных целиком на использование в данной сфере.




National Instruments

Основной сферой компании National Instruments является разработка и создание различных программно-аппаратных средств автоматизации моделирования, диагностики, тестирования и т.д. В области ПЛИС эта компания представлена различными готовыми решениями на базе существующих FPGA-микросхем, а также программным обеспечением высокого уровня для проектирования ПЛИС-архитектуры для этих решений.

Среди готовых решений представлены программируемые контроллеры, подключаемые PCI и PXI платы, предназначенные для обработки данных или организации высокоскоростного ввода/вывода, а также системы слежения, в которых FPGA-микросхемы используются для обработки изображений, модуляции сигналов и синхронизации.



Sun Microsystems

Компания Sun в 2005 году запустила проект OpenSparc, в рамках которого она предоставляет открытые коды процессора UltraSparc T1 и предлагает разработчикам участвовать в процессе его усовершенствования. А для того, чтобы процесс разработки был более доступным, Sun предлагает реализацию на ПЛИС некоторых элементов OpenSparc - собственно ядра процессора Sparc, математического сопроцессора и коммутатора между центральным процессором и кэш-памятью.



SGI

Компания SGI является одним из лидеров в области высокопроизводительных вычислений. Среди ее разработок семейство Altix масштабируемых блейд-серверов, система высокоскоростного межсетевого взаимодействия NUMALink, а также различные решения в области хранения данных.

Для увеличения производительности компания SGI выпустила в 2006 году блейд-модуль с использованием FGPA ускорителей - SGI RASC RC100. В его состав входят две ПЛИС микросхемы Xilinx Virtex 4, 80 МБ QDR SRAM, а также 4 порта NUMALink. Модуль рассчитан на использование в блейд-серверах семейства Altix. Компания SGI предлагает использовать данное решение в задачах исследования жидкостей и газа, биоинформатики, а также в военной сфере.

Для возможности использования и программирования ПЛИС-микросхем предлагается следующее:

  • Встроенный отладчик GNU Debugger для работы с программой, предназначенной для запуска на ПЛИС;
  • RASC Abstraction Layer для обеспечения масштабирования;
  • Поддержка языков высокого уровня Mitrion-C и Impulse-C;
  • Поддержка языков Verilog/VHDL.

Проект RASC (Reconfigurable Application Specific Computing).



Cray

Компьютерный гигант компания Cray поддерживает программу Adaptive Supercomputing, идея которой состоит в создании гибридных суперкомпьютеров, объединяющих различные архитектуры. Необходимость таких компьютеров они объясняют тем, что суперкомпьютеры с обычной архитектурой зачастую не предоставляют нужной производительности, а главное - гибкости.

В 2004 году Cray построила гибридный суперкомпьютер Cray XD1, в котором для большего ускорения совместно с основными процессорами AMD Opteron используются FPGA-микросхемы компании Xilinx. А в 2007 году был построен суперкомпьютер Cray XT5h, объединяющий в себе скалярные и векторные процессоры, а также процессоры на основе ПЛИС.



MNB Technologies

Образованная бывшими сотрудниками компании Mentor Graphics компания MNB Technologies занимается разработкой и производством устройств на основе ПЛИС, обладающих повышенной надежностью и предназначенных для использования в "полевых" условиях, то есть в мобильных и персональных компьютерах. Основные продукты этой компании:

  • Подключаемый модуль turboRTAG, который призван облегчить процесс объединения гетерогенных систем под одной архитектурой за счет использования общего коммуникационного протокола;
  • Подключаемая RASP-плата (RASP - reconfigurable architecture for software protection), которая обеспечивает защиту сети. Она служит заменой Ethernet адаптера на хост-компьютере и предоставляет сетевой интерфейс и защищенную передачу данных.
  • Программный продукт solutionBUS, который обеспечивает более простой и надежный процесс разработки приложений для ПЛИС. solutionBUS может предоставляться в виде класса языка SystemC, Impulse-C библиотеки или зашифрованной Verilog библиотеки.

Также компания MNB Technologies предлагает различные сервисы по разработке необходимой архитектуры для плат, ПЛИС-микросхем и проектированию.



CPU Tech

Основное направление компании CPU Tech - разработка и создание систем на кристалле (SoC) - схем, выполняющих функцию целого устройства. Решения такого класса часто применяются в тех областях, где необходимы небольшой размер и энергопотребление при достаточно высокой производительности, например, в оборонной и автомобильной промышленности, а также в банковском деле и системах безопасности.

Основным решением компании в области "железа" является SoC-семейство Acalis. CPU Tech называет эти устройства Программируемые логические многоядерные схемы (Field Programmable Multicore Chip, FPMC). Если обычные ПЛИС микросхемы - это набор вентилей, то FPMC - это набор ядер, которые в этих устройствах являются элементарными единицами. Каждое ядро (микропроцессор) - это либо блок вычислений, ввода/вывода или RAM памяти, либо контроллер памяти, либо элемент коммуникаций. Для работы с данными устройствами не требуется специальное ПО: те программные средства, которые используются при работе со стандартными микропроцессорами, могут быть применены и на FPMC-устройствах.







НИИ МВС ЮФУ
Многопроцессорные системы с программируемой архитектурой, построенные на основе принципа модульного наращивания.


ФГУП "НИИ КВАНТ"
Кластеры из реконфигурируемых вычислительных модулей на базе специализированных плат с программируемыми логическими интегральными схемами.







© Лаборатория Параллельных информационных технологий НИВЦ МГУ

parallel.ru

Российские разработчики представили реконфигурируемую вычислительную систему на базе ПЛИС / ServerNews

Во всём мире давно поняли, что вычислительная мощность —  крайне необходимый и местами незаменимый ресурс. Понимают это и отечественные разработчики. Итогом проделанной ими кропотливой работы стало создание универсального вычислительного модуля на базе ПЛИС, пригодного для создания суперкомпьютеров практически любой требуемой мощности

Микросхемы ПЛИС (FPGA) являются уникальными по многим параметрам; чего стоит одна возможность программной реконфигурации внутренней схемотехники такого чипа. Причём реконфигурации под требуемую задачу, а ведь известно, что узкоспециализированные чипы решают определённого рода задачи в разы, а то и на порядки быстрее процессоров общего назначения. Нет никакой проблемы превратить ПЛИС, к примеру, в процессор цифровой обработки сигналов или даже эмулировать на ней архитектуру другого процессора, что иногда делают энтузиасты, создающие клоны любимых ретро-консолей и систем типа Amiga. Это было возможно даже на старых поколениях ПЛИС, новые же чипы этого типа представляют собой настоящих монстров производительности. Интерес к ним со стороны разработчиков суперкомпьютеров вполне логичен.

НИИ МВС и НИЦ супер-ЭВМ и нейрокомпьютеров

Ни для кого не секрет, что Российская Федерация нуждается в вычислительных мощностях, как и любое другое крупное государство, имеющее стратегическое влияние на высшем уровне. А в определённых отраслях нужна не просто вычислительная мощность, а мощность, максимально защищённая от атак изнутри — разработанная и проверенная собственными силами и лишённая каких-либо вредоносных «закладок». Хотя тема «закладок» и отдаёт порой изрядной параноидальностью, есть сферы, где лучше лишний раз убедиться в безопасности всего электронного оборудования. Все помят историю с вирусом Stuxnet, полностью парализовавшим иранское производство ядерного топлива и впоследствии обнаруженным даже в системах одной из российских АЭС и на компьютерах международной космической станции. Понемногу эта область вычислительной техники в России развивается: в частности, существует неплохой двухъядерный процессор Байкал-Т1 (28 нм) и более серьёзный восьмиядерный Эльбрус-8С (1,3 ГГц, 4 Мбайт L2, 16 Мбайт L, 250 Гфлопс).

Основа суперкомпьютеров и вычислительных модулей нового поколения

Это процессоры общего назначения; они, несомненно, будут востребованы и найдут своё место в оборонной, аэрокосмической и научной отраслях. Но ведутся исследования и в других направлениях, связанных с вычислительной техникой. В частности, на конференции ПаВТ 2016 НИИ МВС Южного федерального университета (г. Таганрог) и Научно-исследовательский центр супер-ЭВМ и нейрокомпьютеров представили уникальную реконфигурируемую вычислительную систему на основе ПЛИС Virtex UltraScale с жидкостным охлаждением. Последний факт не удивляет: в последнее время владельцы крупных ЦОД и суперкомпьютеров по всему миру активно интересуются темой жидкостного охлаждения и внедряют соответствующие системы, как более выгодные и надёжные в эксплуатации.

Модули с воздушным охлаждением: «Плеяда» (слева) и «Тайгета»

Интересно, что в качестве хладагента используются не дорогостоящие высокомолекулярные составы, выпускаемые компанией 3M и ставящие отечественные системы с СЖО в зависимость от этой компании, а специальное маловязкое масло МД-4,5, обладающее подходящими параметрами, в частности, высокой теплоёмкостью на уровне 1,666 кДж/(кг·К) и низким коэффициентом объёмного расширения. Вполне на уровне и электрические характеристики: электрическая прочность 280 МВ/м и удельное сопротивление 2,2×1012 Ом. Стоит эта жидкость примерно $15 за килограмм и производится на предприятиях НПЦ Спецнефтьпродукт. Ещё один плюс к автономности и независимости от зарубежных источников. Вероятно, к ней стоит присмотреться и энтузиастам-оверклокерам, особенно тем, кто любит эксперименты.

Конструкция погружной СЖО довольно проста

Сами ПЛИС, разумеется, производятся Xilinx, поскольку освоение такой технологии своими силами — дело не одного года: современные ПЛИС являются чрезвычайно комплексными устройствами и расходы на их разработку (R&D) могут быть весьма солидными, а кроме того, при желании полной автономности производства потребуется постройка соответствующих фабрик, что тоже обойдётся весьма недёшево. Как показали предыдущие эксперименты с модулями «Плеяда» РВС-7 и «Тайгета» с пиковой производительностью на стойку 62 и 43‒53 терафлопса, высокая плотность компоновки модулей и плат с установленными на них микросхемами Virtex-6 или Virtex-7 подтвердили кризис систем воздушного охлаждения при высокой плотности упаковки чипов в малоразмерных корпусах. Температура ПЛИС в модуле «Тайгета» составила 72,9 градуса при допустимом диапазоне 65‒70 градусов, а модуль на базе более сложных чипов UltraScale и вовсе продемонстрировал 85 градусов, что уже угрожало работоспособности ПЛИС.

Вся хитрость —  в правильной подаче хладагента

В итоге была разработана новая компоновка вычислительных ПЛИС-модулей, изначально рассчитанная на применение жидкостного охлаждения с помощью промышленных холодильных установок (чиллеров), тепловой поток к которым должны передавать специальные теплообменники, установленные в каждом модуле. За стандарт был взят форм-фактор шасси высотой 3U для установки в стандартные 19-дюймовые шкафы с расчётом не менее 12 модулей на шкаф. При этом каждый модуль несёт в себе от 12 до 16 плат с 8 ПЛИС, каждая из которых генерирует тепловой поток 100 ватт. Конструкция модуля делится на 2 зоны — вычислительную и теплообменную. В последней установлен автономный циркуляционный насос и высокоэффективный пластинчатый теплообменник, подключаемый к общей чиллер-системе, а также краны на случай аварии или необходимости замены модуля.

Испытательный стенд теплового макета

Вычислительная секция состоит из 12 плат ПВМ, трёх модулей питания, модулей загрузки и управления, платы индикации, а также кросс-платы питания, загрузки. Как уже было сказано, каждая плата вычислительного модуля несёт на себе 8 ПЛИС Kintex UltraScale XCKU095. Это предпоследняя модель в серии 20-нанометровых ПЛИС Kintex, содержащая в себе 1176 логических ячеек, 768 частей DSP, 59,1 Мбайт блочной памяти, 64 трансивера со скоростью передачи данных 16,3 Гбит/с и располагающая 702 линиями ввода/вывода. Кроме ПЛИС на плате содержится оперативная память, флеш-память для загрузки, тактовый генератор с необходимой обвязкой и преобразователи подсистемы питания. Не вполне понятно, почему разработчики выбрали стандарт 12 вольт. Они не были привязаны к существующей инфраструктуре и вполне могли позволить себе эксперименты с более высокими напряжениями, например, 48 вольт — именно этим сейчас занимаются Intel и Google.

Компоновка вычислительного модуля

Любопытно, что в модуле загрузки и управления не обошлось без Intel: в нём может быть установлен любой процессор семейства Broadwell-U, соединённый с ПЛИС Xilinx седьмой серии, которая, в свою очередь, уже общается с остальными платами посредством интерфейсов LVDS/MGT и RS-422. Эта же микросхема отвечает за индикацию и управление насосной группой СЖО. Типовой модуль питания предназначен для подключения к сетям с напряжением 380 вольт и имеет четыре выходных канала по 12 вольт с нагрузочной способностью 80 ампер на канал. Вся вычислительная зона является герметичной, поскольку используется погружная концепция СЖО, не требующая установки теплообменника на каждый греющийся элемент. Такая система содержит меньше соединительных элементов, требующих герметичности, проще в обслуживании и в целом надёжнее, хотя её эксплуатация и сопряжена с некоторыми неудобствами: не слишком-то приятно вынимать из ремонтируемого модуля платы, покрытые слоем охлаждающего масла.

Компоновка модуля управления

Второй, общий контур системы охлаждения является водяным. Применение эффективных теплообменников позволило добиться ситуации, когда даже под нагрузкой средняя температура корпуса ПЛИС составила от 50,3 до 52,6 градусов в зависимости от модели. Температура хладагента при этом не поднималась выше 19,3 градусов. Таким образом, прототип нового вычислительного модуля был успешно испытан и проведённые эксперименты доказали, что погружная система охлаждения работоспособна и в состоянии отвести до 12 киловатт тепла. Блоки питания тоже не подкачали и смогли обеспечить эффективность до 89 %. Похоже, им смело можно присваивать сертификат не ниже 80 PLUS Silver. Также доказали свою эффективность при обмене данными между ПЛИС интегрированные в них высокоскоростные трансиверы последнего поколения: в пределах модуля проблемы «бутылочного горлышка» не наблюдалось.

Образец модуля «Скат». Хорошо видны особенности системы охлаждения

Новый вычислительный модуль получил название «Скат». Хотя внешне он выглядит абсолютно непримечательно — как обычный серверный корпус формата 3U, внутри расположена высокоэффективная жидкостная система охлаждения погружного типа, обеспечивающая гидравлический «обдув» важных компонентов. При полной компоновке с использованием шкафа 47U 12 модулей «Скат» могут обеспечить пиковую производительность на уровне 1 петафлопса при общей потребляемой мощности 154 киловатта. Для сравнения, суперкомпьютер IBM Roadrunner, введённый в строй в 2008 году при сопоставимой вычислительной производительности занимает площадь около 1100 квадратных метров, весит 226 тонн и потребляет 3,9 мегаватта электроэнергии. Отечественный «Ломоносов» при пиковой мощности 1,7 петафлопс занимает 252 квадратных метра и потребляет 2,8 мегаватта электроэнергии. Преимущества архитектуры «Скат», таким образом, очевидны.

Стандартный вычислительный узел с 12 модулями «Скат»

Использование единой холодильной системы легко позволяет собирать из таких шкафов вычислительную систему любой необходимой мощности. Тут возникает вопрос «бутылочного горлышка» при обмене данными между шкафами, но эта проблема, вероятно уже решена разработчиками и соответствующие интерфейсы (100GbE или 290GbE EDR Infiniband) входят в состав системы. Конечно, новые суперкомпьютерные модули используют ПЛИС зарубежного производства, но доля вложенного в их проектирование и отладку труда столь велика, что их вполне можно считать отечественными. «Скат» вполне можно считать одной из самых удачных разработок в мире реконфигурируемых суперкомпьютеров; во всяком случае в этой конструкции, достигнута непревзойдённая плотность упаковки вычислительных узлов и высочайшая эффективность охлаждения. Вполне возможно, что именно за ПЛИС-системами — будущее супервычислений: никакая другая архитектура не может предложить сравнимого уровня гибкости конфигурации. Системы, разработанные в НИИ МВС, уже используются в ряде ведомств РФ.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Источник:

servernews.ru

кто и что производит / Habr

В связи с известными событиями в новостях появились сообщения о том, что США запретили поставки микроэлектроники для российских спутников и военной техники.
Такое развитие событий может негативно повлиять на состояние российской аэрокосмической и оборонной промышленности, ведь ежегодный импорт электроники для космической промышленности составляет два миллиарда долларов, и это чипы, критически важные для работоспособности спутников. Некоторые чиновники (смотрите статью по ссылке) уже начали предаваться панике и разговаривать о покупке электроники в Китае, который якобы наладил у себя производство всего необходимого. Я же хочу немного рассказать о том, какие микросхемы разрабатываются и производятся для космической отрасли в России. Сразу скажу, что этот обзор никоим образом не претендует на полноту и будет касаться именно микросхем (причем кремниевых), тогда как потребности космоса ими не ограничиваются – нужны еще пассивные компоненты, СВЧ-приборы, силовые дискретные элементы и многое-многое другое, что тоже частично импортируется, а частично разрабатывается и производится в России. Описать это все – задача совершенно непосильная, да и не очень нужная, потому что цель этого обзора – не описать все, что есть, а показать, что не все так плохо, как кажется паникерам. Специфика отрасли такова, что почти вся действительно важная информация закрыта, но кое-что интересное накопать все равно удалось.

Небольшое отступление-напоминание: микросхемы для работы в космосе должны быть устойчивыми к воздействию радиации. О том, почему это так и как именно радиация влияет на электронные приборы, можно почитать здесь и здесь.

Главная проблема использования импортных комплектующих в аэрокосмической и военной промышленности – то, что эти комплектующие обычно не предназначены для работы в таких условиях (то есть являются обычным ширпотребом, изначально предназначенным для утюгов и холодильников). Эта ситуация сложилась в девяностые годы, когда ничего другого просто не было, а то, что было, стоило больше, чем разработчики космической аппаратуры могли себе позволить. Именно поэтому сроки активного функционирования российских спутников до сих пор очень серьезно отстают от американских или европейских. Например, прекрасный американский бортовой компьютер RAD750 (стоящий на марсоходе Curiosity) в Россию не продавали никогда, а своих его аналогов в России не было до последнего времени. Так что проблема с импортом возникла не вчера, и решать ее начали довольно давно. В 2007-м году была принята федеральная целевая программа «развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008-2011 годы. Дальше финальный год программы стал 2015-м, и уже скоро мы с вами должны увидеть ее результаты, которыми в том числе является замещение импортных комплектующих в космической и оборонной промышленности российскими разработками.

Существуют списки микросхем, подлежащих замещению, но они, к сожалению, засекречены. В открытых источниках можно найти информацию (линк на скачивание pdf) о том, что количество позиций в этих списках – сотни или даже тысячи (и это только микросхемы, не говоря о пассивных элементах типа высокоточных резисторов, которых еще больше). Ситуация осложняется тем, что разработчики аппаратуры в подавляющем большинстве случаев хотят, чтобы им сделали «точно такое же, но российское» (то есть речь идет копировании зарубежных разработок вплоть до пин-совместимости), тогда как список наверняка можно сократить в несколько раз за счет разработки набора систем на кристалле, единых для всех разработчиков и настраиваемых под нужды конкретных пользователей. Сюда же идут унификация интерфейсов передачи данных (которой сейчас нет) и другие достаточно очевидные меры. Работа в этом направлении, насколько я знаю, ведется, но вы же понимаете, что разрабатывать бортовую аппаратуру с нуля может оказаться еще дороже, чем разрабатывать большее количество микросхем, чем необходимый минимум.

Фабрики

Собственно обзор разработчиков и производителей микросхем для космической промышленности (и частично военной, так как они достаточно сильно взаимосвязаны) стоит начать с производств, потому что их в России существенно меньше, чем разработчиков, и именно в этой области отставание от заграницы катастрофическое. Я не буду подробно останавливаться на фабриках с проектными нормами более полумикрона, потому что они безнадежно устарели, и какие-то новые разработки на них ведутся разве что от безысходности. Тем не менее, на них делается очень много всего, в первую очередь – микросхемы малой степени интеграции, силовая электроника, СВЧ и т.д. А вот заводов с более-менее современными проектными нормами всего четыре.
ЗЫ Вот тут, кстати, можно почитать отвлеченный от космоса взгляд двухлетней давности.

Зеленоградский завод «Микрон» (вот пост с красивыми картинками) заявляет на своем сайте наличие технологий:
1) 180 нм объемная технология с EEPROM – уже хорошо известная разработчикам технология, на которой работают практически все, кто имеет такую возможность. По ней же сделаны, например, чипы для билетов московского метро. Наличие EEPROM полезно для таких применений, как встраиваемые микроконтроллеры, нужные не только для космоса, но и для «гражданских» применений. Дизайн-киты доступны разработчикам.
2) 250 нм кремний на изоляторе (КНИ) – по этой технологии уже ведутся отдельные разработки, но о готовых продуктах я еще не слышал. Технология, по-видимому, представляет собой частичный порт 180 нм на пластины кремния на изоляторе. Дизайн-киты доступны разработчикам.
3) 180 нм КНИ – заявлена 2012-м годом, на практике о ней уже достаточно давно ничего нового не слышно. То есть она в разработке, но когда именно будет готова для проектирования – не очень понятно. Во всяком случае, я нигде не нашел такой информации.
4) 90 нм объемная. Совсем недавно «Микрон» лицензировал у Cadence софт для физической верификации для этой технологии. Никаких упоминаний о конкретных разработках по ней пока найти не удалось, только общие слова о том, что они ведутся.
5) Совсем недавно в новостях появились упоминания технологии 65 нм, но там все пока что на уровне тестовых кристаллов. Серийное производство обещают уже в этом году.

Важная вещь, которую стоит отметить – это цитата с микроновского сайта: «Поставщиками оборудования и материалов, партнерами по созданию инфраструктуры выступили более 50 компаний из 12 стран мира». Это то, что частенько упускают, говоря о преодолении запрета импорта на отечественном производстве – огромное количество запчастей и расходных материалов тоже импортируется, и запрет на их импорт может быть эффективнее запрета импорта готовых микросхем. Надеюсь, что этого не случится в ближайшее время, и что найдутся деньги и ресурсы на то, чтобы организовать производство расходников в России.

«Ангстрем» (и «Ангстрем-Т»), Зеленоград
1) 1,2 мкм кремний на сапфире (КНС) – технологии тысячи лет, но она до сих пор востребована (видимо, консервативными военными заказчиками для микросхем с высокой радиационной стойкостью, для которых надежность и проверенность решений важнее их своевременности).
2) 0,6 мкм, объемный кремний, кремний на сапфире, кремний на изоляторе, возможность изготовления EEPROM, BiCMOS, IGBT. Видимо, хороший процесс для силовой электроники.
3) «Создаваемые» технологии с проектными нормами 350-250 нм.
4) «Создаваемые» технологии с проектными нормами 130, 110 и 90 нм.
История «создания» технологий на «Ангстреме» долгая, трудная и пока не разрешившаяся. Процесс и оборудование 130 нм были куплены у AMD, 90 нм – у IBM. Каждый год уже лет пять говорят, что вот-вот все будет, но пока что никак.

По поводу радиационной стойкости на сайте «Ангстрема», кстати, написан отборнейший бред на тему того, что их кремний на сапфире – единственный подходящий техпроцесс в России и что практика показала невозможность изготовления радиационностойких схем на технологиях меньше 250 нм. Посмотрим, что будет, когда они запустят 130 и 90 нм 🙂 Физику вряд ли выучат, а вот наличие практики производства может положительно сказаться на понимании того, что в штатах чипы для космоса уже проектируют на 45 нм, а в России – на 65 (правда зарубежном).

НИИ системных исследований РАН, Москва
Фабрика НИИСИ РАН находится на территории Курчатовского института в Москве и обладает технологиями с проектными нормами 500, 350 и 250 нанометров на пластинах объемного кремния и КНИ. Изначально не предназначена для крупносерийного производства и позиционируется как «исследовательская фабрика Академии наук». Большинство производимых здесь микросхем разработаны самим НИИСИ, однако фабрика работает и с внешними заказчиками, например, с воронежским НИИЭТ, который производит здесь свои радиационностойкие микроконтроллеры.
Других подробностей нет, а последние открытые публикации о фабрике датируются чуть ли не временем ее открытия.

«Интеграл», Минск
Минский «Интеграл» считается нашими военными и прочими инстанциями отечественным предприятием со всеми вытекающими обстоятельствами. Занятно, не правда ли?
Основные технологии «Интеграла» – старые, с проектными нормами 0,8 мкм и больше, однако в последние несколько лет белорусы самостоятельно спроектировали и запустили технологии 0,5 и 0,35 мкм на объемном кремнии и КНИ. У них всего три металла (что мало для микропроцессора), однако «Интеграл» разрабатывает на них микросхемы SRAM с емкостью 1 Мбит и высокой радиационной стойкостью, а также аналоговые микросхемы.
В докладах с научных конференций фигурируют также технологии 0,18 мкм и 0,5-0,25 мкм BiCMOS, флэш-память (единственная на территории СНГ?) и FRAM.
Подавляющее большинство (если не все) разработок на своих технологиях «Интеграл» ведет самостоятельно.

На этом все. Выглядит немного печально, не находите? Да, радиационностойкой электронике для космоса не всегда требуются такие же проектные нормы, как обычной, и отставание в несколько поколений не очень страшно (марсоход Curiousity на 250 нм прекрасно работает), но все же новые радстойкие процессоры BAE systems разрабатываются по технологии 45 нм, а у нас пока что до промышленного освоения 90 нм дело не дошло. С другой стороны, еще пять лет назад практически ничего этого не было, а сегодня у российских заводов есть вполне реальные возможности обеспечить космонавтику микроэлектроникой собственного производства.

Разработчики

Теперь о разработчиках. Их намного больше, чем производителей, но до недавнего времени было нормальной практикой изготавливать разработанные в России микросхемы где-нибудь за рубежом, например, на Тайване (TSMC), в Германии (XFAB) или в Израиле (Tower). Во времена, когда ничего лучше 0,8 мкм в России не было, на это закрывали глаза даже военные, считая, что «разработано в России» = «российское». Сейчас времена несколько изменились, и российские разработчики все больше изготавливают свои продукты на «Микроне» (то есть там не только чипы для метро делают).

Необходимо также отметить тот факт, что подавляющее большинство российских разработчиков микроэлектроники так или иначе завязаны на бюджетные деньги и крупные заказы, особенно космические или военные, а сугубо коммерческих заказов немного. С другой стороны, существенную долю прибыли нескольких предприятий (например «ВЗПП-Микрона» и «Ангстрема») составляет экспорт. Впрочем, я отвлекаюсь от основной темы обзора, так что ограничусь замечанием, что представленные ниже продукты – это далеко не все, что производится, а для многих компаний космическая тематика не является основной.

«Миландр», Зеленоград
ЗАО ПКК «Миландр», базирующийся в Зеленограде – компания с двадцатилетней историей и, что более важно для нас, с самым подробным среди всех российских микроэлектронных компаний сайтом. На нем удалось найти вот что:
1645РУ2Т – статическое ОЗУ (SRAM) емкостью 64 Кбит. В серийном производстве с 2008 года.
1645РУ5У – статическое ОЗУ (SRAM) емкостью 4 Мбит. ОКР заканчивается в 2014 году.
Судя по годам выпуска, первая микросхема выпускается на какой-то совсем старой технологии, вторая – 180 нм (наверняка на «Микроне»).
По ссылке (осторожно, трафик) можно найти фотографии радиационностойкого 8-битного микроконтроллера 1886ВЕ10 (аналог PIC17), информации о котором на сайте почему-то нет.
Технология – микроновские 180 нм, по радстойкости полный фарш из кольцевых транзисторов и многотранзисторных запоминающих элементов. Точных данных в открытом доступе нет, но микросхема с такими методами защиты должна выдерживать ядерный взрыв, не то, что долговременный полет в космосе.
1645РТ2У – однократно программируемое ПЗУ (antifuse) емкостью 256 кбит. ОКР сдан в 2013 г.
Вот здесь можно посмотреть, как она выглядит. Проектные нормы, судя по вскрытому кристаллу, 680 нм.
5576РТ1У – однократно программируемое ПЗУ (antifuse) емкостью 1 Мбит. ОКР сдан в 2013 г. Проектные нормы, скорее всего, 180 нм (технология «Микрона»).

Для других микросхем «Миландра» радиационная стойкость не заявлена, однако например в новостях на сайте можно найти такую строчку: «Обновлены параметры стойкости к спецфакторам для микросхемы 1310ПН1У (значительно улучшены)». 1310 – это индуктивный преобразователь питания, для которого радиационная стойкость не заявлена. Если все микросхемы, поставляемые с пятой приемкой, имеют хотя бы какую-то стойкость к радиации, то у «Миландра» есть еще довольно широкий набор микросхем интерфейсов, управления питанием и АЦП/ЦАП.

Перспективная разработка «Миландра» – их первый радиационностойкий и сбоеустойчивый микропроцессор. Он пока что не имеет собственного обозначения и презентуется на различных конференциях под именем «Обработка-13». (ссылка на скачивание pdf) По ссылке – презентация об устройстве процессора и его проектировании в части обеспечения радиационной стойкости. Там есть интересные и спорные решения, но выглядит впечатляюще (за исключением совместной работы ядер, пожалуй).
Процессор – двухъядерный ARM Cortex-M4F с режимами раздельной работы ядер и аппаратным дублированием. Тактовая частота – 100 МГц, SRAM 32 кбайт, ПЗУ 128 кбайт, широкий набор интерфейсов и аналоговой периферии.
Производиться «Обработка-13» будет на немецкой фабрике XFAB.

НПЦ «Элвис», Зеленоград
«Элвис» в настоящее время активно продвигает собственную продукцию в космическую отрасль, активно сотрудничая с заводом «Микрон» в части технологии и с НИИ «Субмикрон» в части производства космической аппаратуры. Также «Элвис» участвует в международной рабочей группе по разработке стандарта передачи данных SpaceWire, на который в ближайшей перспективе переходит Европейское космическое агентство и, возможно, Роскосмос.
Пробная ласточка «Элвиса» в части аэрокосмических применений – микросхема памяти 1657РУ1У (SRAM 4Мбит), изготовленная по зарубежной технологии 250 нм.
Не хотелось бы язвить, но на подробной страничке с информацией о микросхеме (побольше таких бы) в параметрах радиационной стойкости можно найти вот что: «суммарная накопленная доза 330 крад, КТЗ 500 крад», а в параметрах, записанных в факторах согласно ГОСТ (внизу таблицы), цифра другая. Какая именно – не скажу, потому что этот ГОСТ – секретный, в отличие от аналогичных стандартов наших американских заклятых друзей. Кроме того, ходят слухи, что испытания первых микросхем проводились по каким-то специально обученным методикам, так что в том, что все работает действительно хорошо, есть некоторые сомнения.

1892ВМ8Я – двухъядерный процессор с ядром общего назначения (совместимо с MIPS-32) и ядром цифровой обработки сигналов. Тактовая частота 80 МГц, 480 MFLOPs при вычислениях с плавающей точкой, широкий набор интерфейсов – итого достаточно серьезная машина получается. Технология, как и предыдущей схемы памяти, 250 нм КМОП (зарубежная).
Сейчас «Элвис» разрабатывает несколько аналогичных процессоров на микроновских технологиях 180 нм и 250 нм КНИ, но результаты еще не пошли в серию. Разрабатываемый комплект микросхем «Мультиборт» был на днях представлен на выставке «Новая электроника», а на сайте «Элвиса» я нашел вот этот документ (ссылка на скачивание pdf)
В комплекте обозначено более двадцати микросхем с годом начала выпуска вплоть до 2014-го: микропроцессоры, АЦП, контроллеры внешних устройств и коммутаторы, позволяющие полностью организовать сеть передачи данных на борту космического аппарата.
После отработки решений на зарубежных фабриках «Элвис» делает все перспективные микросхемы полностью в России на «Микроне» (проектные нормы 180 и 90 нм).

НИИСИ РАН, Москва
НИИ системных исследований Российской академии наук (НИИСИ РАН) имеет самый большой опыт среди российских разработчиков процессоров для космоса (с 2001 года) и выпускает серию микропроцессоров с системой команд «КОМДИВ» (имеющей определенное сходство с MIPS32). (Ссылка на википедию, читать источники внизу страницы).
5890ВЕ1Т (КОМДИВ32-С) – 32-битный микропроцессор с встроенным интерфейсным контроллером, 33 МГц, технология 500 нм КНИ. Судя по открытым источникам, давно и успешно летает в системах управления космических аппаратов.
5890ВМ1Т – 32-битный микропроцессор с повышенной стойкостью к одиночным сбоям. 33 МГц, 500 нм КНИ.
5890ВГ1Т – двухканальный интерфейсный контроллер интерфейса MIL-STD-1553.
1900ВМ2Т (Резерв-32) – 32-битный микропроцессор с аппаратным троированием на уровне составных частей ядра и защитой от одиночных сбоев. Тактовая частота 66 МГц, технология 350 нм.
Статическое ОЗУ (SRAM) 1 Мбит, время обращения 30 нс. Технология КНИ 350 нм.
Четыре процессора, указанных выше, производятся серийно, а на 2014 и 2015 год заявлено начала выпуска еще четырех процессоров.
1907ВМ014 – 32 бита, частота 100 МГц, технология 250 нм. На кристалле системный контроллер, SpaceWire, Ethernet и интерфейс MIL-STD-1553.
1907ВМ038 – 32 бита, частота 125 МГц, технология 250 нм. На кристалле интерфейсы SpaceWire и Serial RapidIO.
1907ВМ044 – 32 бита, 66 МГц, 250 нм, встроенный системный контроллер, троирование ядер и повышенная стойкость к одиночным сбоям, SpaceWire.
1907ВМ028 – 64 бита, 150 МГц, 250 нм, встроенный системный контроллер, два уровня кэш-памяти (у остальных – один), Serial RapidIO, Ethernet.
У всех процессоров НИИСИ, выполненных на технологии КНИ, стойкость к полной поглощенной дозе, достаточная для космических применений, отсутствует тиристорный эффект, а также применены (у всех, кроме 5890ВЕ1Т) специальные меры для повышения стойкости к одиночным сбоям (коды Хэмминга в кэш-памяти, специальные ячейки SRAM, аппратное троирование на уровне составных блоков ядра процессора).
Вот еще любопытная статья от авторов из НИИСИ в американском научном журнале Transactions on Nuclear Science — про некий радстойкий 32-битный процессор K32R на КНИ технологии.
Кроме того, у НИИСИ есть еще вот такой ОКР: «Разработка 128-разрядного высокопроизводительного микропроцессора на структурах КНС/КНИ 0,25 мкм, совместимого с архитектурой КОМДИВ, для систем цифровой обработки сигналов», шифр «Схема-10». То есть это уже не 32 или 64 бита, а целых 128. Работа начата в 2012-м году.

НТЦ «Модуль», Москва
«Модуль» производит DSP процессоры с собственной оригинальной архитектурой и вычислительные модули на основе своих и чужих процессоров, в том числе для космических применений.
Главная собственная микросхема «Модуля» DSP Neuromatrix (Л1879ВМ1). Тактовая частота 40 МГц, технология 0,5 мкм (Samsung).
Микросборка 2605ВГ1Т – логика и приемопередатчик интерфейса MIL-STD-1553 со встроенной памятью.
1895ВА1Т – логическая часть контроллера канала интерфейса MIL-STD-1553
1879ВА1Т – интерфейсный контроллер для связи вычислительного процессора с интерфейсом MIL-STD-1553

НИИМА «Прогресс», Москва
НИИМА «Прогресс» является одним из головных разработчиков приемников и передатчиков ГЛОНАСС.
5512БП2Ф – система на кристалле с микропроцессорным ядром и базовым матричным кристаллом, программируемым под нужды пользователя. Технология 180 нм («Микрон»), рабочая частота процессора 150 МГц, арифметического сопроцессора 50 МГц. Процессорное ядро – «Кварк» компании КМ211
«СБИС с МП ядром СнК Алмаз-9» – тот же самый набор периферии с другим ядром и на технологии КНИ 240 нм («Микрон») для повышения радиационной стойкости. Завершение ОКР в 2014 году.

Дизайн-центр «Союз», Зеленоград
ДЦ «Союз» разрабатывает аналого-цифровые базовые матричные кристаллы на базе «микроновской» технологии КНИ 0,24 мкм. Завершение ОКР намечено на 2014 и 2015 год
5400БК1Т, 5400БК2У – общего назначения. 110к цифровых вентилей, 50к «аналоговых» транзисторов, 56 ОУ, 56 компараторов, 6 АЦП, 6 ЦАП, источник напряжения и другие блоки
5400ТР014 – прецизионный. 110к цифровых вентилей, 10к «аналоговых» транзисторов, 3- ОУ, 2 АЦП, 2 ЦАП, 2 УВХ, источник напряжения и т.д.
P.S. Базовый матричный кристалл — это микросхема из базовых ячеек без нескольких верхних слоев металлизации, при помощи которых ячейки можно соединить нужным заказчику образом. Этакий допотопный аналог ПЛИС. До сих пор востребованы, что характерно.

НПК «Технологический центр» МИЭТ, Зеленоград
НПК «Технологический центр» МИЭТ работает с «Микроном» и имеет собственную фабрику с проектными нормами 1,5 мкм, на которой они успешно делают радиационностойкие микросхемы малой степени интеграции и базовые матричные кристаллы, а также полузаказные СБИС на основе этих БМК – контроллеры интерфейсов, внешних устройств, приемопередатчики и т.д.

«Мультиклет», Екатеринбург
Уральская компания «Мультиклет», развивающая собственную оригинальную процессорную архитектуру, анонсировала выход в 2015-м году радиационностойкого четырехъядерного микропроцессора. Других подробностей пока нет, производство, насколько я понимаю, планируется за границей. Пост о существующих процессорах — вот.

КТЦ «Электроника», ВЗПП-С, ВЗПП-Микрон, Воронеж
Воронежские предприятия – осколки огромного некогда НПО «Электроника» и Воронежского завода полупроводниковых приборов (ВЗПП). Его отдельные части продолжают работать и сейчас, но разделить, кто чем занимается, довольно сложно, потому что информации очень мало, а данные в даташитах частично пересекаются. Дабы не распыляться, перечислю три предприятия – КТЦ «Электроника» и две инкарнации Воронежского завода полупроводниковых приборов – ВЗПП-С (с – это сборка) и ВЗПП-Микрон.
Основную продукцию всех трех предприятий составляют ПЛИС и микросхемы малой степени интеграции. Со вторыми все более-менее ясно: это производимые, наверное, еще с советских времен (на соответствующих проектных нормах) дискретные элементы силовой электроники и логические микросхемы серий 1504, 1505 и т.д. Удивительно, но факт: основная статья доходов ВЗПП-Микрон, судя по микроновскому сайту – это экспорт, а сайт самого ВЗПП-Микрон вообще англоязычный.
С ПЛИС все интереснее, потому что они очевидно предназначены для импортозамещения продукции компании Altera, с которой они программно совместимы. Разрабатывает их, судя по всему, КТЦ «Электроника».
Емкость двух обозначенных на сайтах ПЛИС составляет 50к и 200к вентилей, производятся они на немецкой фабрике XFAB. Еще несколько ПЛИС, стойких к воздействию радиации сейчас разрабатывается на базе технологий «Микрона».

НИИЭТ, Воронеж
Еще одно воронежское предприятие, работающее для космической промышленности – ОАО «НИИ Электронной техники» (НИИЭТ).
НИИЭТ разрабатывает широкий набор микроконтроллеров (8-бит MCS-51, AVR, 16-бит MCS-96, C166), DSP (аналоги Texas Instruments), АЦП/ЦАП и других. Производство, судя по заявленным возможностям предприятия – на XFAB.
В каталоге предприятия три радиационностойких микросхемы:
1830ВЕ32У/1830ВЕ32АУ – 8 бит, 12/16 МГц, 256 байт ОЗУ (аппаратно троированного!), ПЗУ нет, функциональный аналог Intel 80C51FA
1874ВЕ05Т – 16 бит, 20 МГц, 488 байт SRAM, функциональный аналог Intel 196
Все радиационностойкие микросхемы, в отличие от обычных аналогов, производятся в России, на фабрике НИИСИ РАН по технологии 0,5 мкм КНИ.
В таблице перспективных радиационностойких разработкок на ближайшие два года почти десяток позиций, самые интересные из которых – семейство ЦАП, два DSP и микропроцессор с архитектурой SPARC (аналог широко применяемых как в Европе, так и в России процессоров LEON3, поставки которых в Россию совсем недавно прекратились). Удивительно кстати то, что этот процессор делает НИИЭТ, а не например Московский центр SPARC-технологий (МЦСТ). Видимо опыт проектирования радстойких изделий оказался важнее опыта проектирования SPARC.

И последнее предприятие в списке – минский завод «Интеграл»
В линейке продукции специального назначения «Интеграла» — статическая и динамическая память (самая большая – 1 Мбит, как SRAM, так и ПЗУ), небольшие микроконтроллеры, интерфейсные микросхемы, БМП и ПЛИС, а также силовые и дискретные приборы. Подавляющее большинство – на старых технологиях. Вот пара примеров:
1655РР1Т – 256 кбит флэш-память, время выборки 150 нс, время записи 10 мс.
1659РУ1Т – SRAM 256 кбит, время выборки 50 нс. КНИ технология.
1666РЕ014 – FRAM 1 Мбит.
1881ВГ4Т – 8-битный микроконтроллер (AVR) с встроенной флэш-памятью, SRAM и аналоговой периферией. Тактовая частота 4 МГц.
1880ВЕ1У – 8-битный микроконтроллер (MSC-51) со встроенным 10-битными АЦПю Тактовая частота 24 МГц.
1451БК2У – аналоговый базовый матричный кристалл.
5577CX3T – однократно программируемая ПЛИС на 2000 эквивалентных вентилей.

Выводы

Все не так плохо, как кажется (и как могло бы быть). Работ по созданию отечественной электроники для военных и космических применений идет много, и обойтись без американских чипов в обозримой перспективе вполне можно.
Отстаем все равно сильно, хотя и не так катастрофически, как в «обычной» микроэлектронике. Сейчас, правда, вопрос ставится не о том, чтобы догнать и перегнать, а о том, чтобы не остаться у разбитого корыта. Вопрос, правда, все еще не праздный, потому что если кто-нибудь по ту сторону границы догадается закрыть поставки не готовых чипов, а расходных материалов для завода «Микрон» – вот тогда-то все и накроется медным тазом.
Ситуация осложняется тем, что потребители электроники не хотят переходить на отечественные разработки (и их можно понять, потому что, к сожалению, по качеству и особенно по техподдержке и документации российские разработки рядом не лежали с импортными), а когда переходят – хотят получать копии, что сильно раздувает количество микросхем, которые надо разработать. Для того, чтобы российские разработчики микросхем смогли обеспечить разработчиков бортовых систем всем необходимым, нужно еще очень много работать.
Постскриптум

На этом можно завершить обзор, но у меня есть небольшой постскриптум относительно того, что еще ждет нас в ближайшие годы. Подавляющее большинство работ, представленных в обзоре, финансируются из бюджета, а значит информацию можно найти на сайте госзакупок. Если погуглить его на предмет работы под названием «Обработка-13», то найдется крайне любопытный документ от мая 2012-го года (ссылка на скачивание файла).
В нем очень много всего интересного, например закрытый конкурс департамент промышленности обычных вооружений боеприпасов и спецхимии, где у работ нет формулировок, а есть только названия. Есть там работа «Расширенные экспериментально-морфологические и медицинские исследования композиционных костнопластических материалов для эффективной регенерации костной ткани» и есть несколько десятков работ по радиационностойкой элементной базе, которые должны закончиться в 2014-м и 2015-м годах. И это, напомню, одна госзакупка за май 2012.

Нас интересуют лоты закупок 110/11-ФЦП1-12.04ок, 111/11-ФЦП1-12.04ок, 112/11-ФЦП1-12.04ок, 117/11-ФЦП1-18.04ок.

ОКР «Разработка радиационно-стойкой СнК, реализующей сбое и отказоустойчивый 32-разрядный RISC-процессор с резервированием на кристалле и набором интерфейсов», шифр «Обработка-10».
ОКР «Разработка радиационно-стойкой трехядерной микросхемы сигнального микропроцессора с шестью портами SpaceFibre», шифр «Обработка-11». Видим SpaceFibre – говорим «Элвис»
ОКР «Разработка высокопроизводительного 32-разрядного процессора архитектуры SPARC V8 с повышенной стойкостью к СВВФ, четырьмя портами SpaceFibre, двумя портами CAN 2.0 B, интегрированными контроллерами PCI 2.2, Ethernet и USB 2.0», шифр «Обработка-12» – а вот и LEON от НИИЭТ.
ОКР «Разработка спецстойкого 32 разрядного RISC процессора на основе архитектуры ARM для аппаратуры спецстойкой телеметрии, бортового вычислителя, радиолокационного корректора систем автономной навигации КМОП-КНИ с проектными нормами 0,25…0,3 мкм», шифр «Обработка-13» — это «Миландр», о процессоре я писал выше.
ОКР «Разработка радиационно-стойкого DSP-микроконтроллера для управления электроприводом», шифр «Обработка-14» — вот это, кажется, НИИЭТ.
ОКР «Разработка комплекта радиационно-стойких СБИС для построения аппаратуры КИС, телеметрии служебных систем космических аппаратов», шифр «Обработка-15».
ОКР «Разработка и изготовление на отечественном производстве микросхем спецстойкого масочного ПЗУ емкостью 8...16 Мбит», шифр «Засечка-6».
ОКР «Разработка и изготовление на отечественном производстве радиационностойкой СБИС СОЗУ информационной емкостью 4 Мбит с повышенным быстродействием», шифр «Засечка-8».
ОКР «Разработка и освоение БИС ОЗУ с сегнетоэлектрическими (FRAM) элементами памяти емкостью до 1 Мбит», шифр «Засечка-9». Ого какая. Интересно, кто делает? Сегнетоэлектрики вообще не восприимчивы к радиации и могут работать в космосе очень долго. Жаль только, что очень медленно.
ОКР «Разработка 128-разрядного высокопроизводительного микропроцессора на структурах КНС/КНИ 0,25 мкм, совместимого с архитектурой КОМДИВ, для систем цифровой обработки сигналов», шифр «Схема-10». КОМДИВ – это НИИСИ.
ОКР «Разработка конструктивно-технологического базиса и библиотеки стандартных элементов с технологическими нормами 0,25 мкм КНИ, обеспечивающей достижение экстремальных уровней радиационной стойкости не менее 6Ус», шифр «Схема-12».
ОКР «Разработка СФ-блоков серийно выпускаемых микропроцессоров и микроконтроллеров серий 1867, 1830, 1874 для радиационно-стойкой КНИ технологии», шифр «Схема-13». Это контролеры НИИЭТ, копии интеловских. Значит будут делать на «Микроне» или в НИИСИ радстойкие версии.
ОКР «Разработка энергонезависимой радиационно-стойкой однократно программируемой пользователем логической матрицы ёмкостью 30-50 тыс.вентилей», шифр «Алмаз-5».
ОКР «Разработка ряда радиационно-стойких БМК: БМК-400 и БМК-1000», шифр «Алмаз-6». Это дизайн-центр «Союз» почти наверняка. Те самые два БМК выше.
ОКР «Разработка ряда радиационно-стойких БИС цифрового синтезатора частоты», шифр «Цифра-16».
ОКР «Разработка микросхемы аналогового ключа с полосой частот не менее 1…2 ГГц», шифр «Цифра-17».
ОКР «Разработка и освоение спецстойких DC-DC преобразователей напряжения», шифр «Питание-7». А вот два примера, очень далеких от микропроцессоров. То есть разрабатывается и другая элементная база, что очень хорошо.
ОКР «Разработка радиационно-стойкого квадратурного модулятора для диапазона рабочих частот 30-40ГГц», шифр «Высотка-13».
ОКР «Разработка мощных радиационно-стойких быстродействующих СВЧ переключателей, модуляторов, фазовращателей и защитных устройств на pin-диодах на SiC для дм- и см-диапазонов длин волн», шифр «Высотка-14».
ОКР «Разработка модельного ряда специализированных СБИС для применения в унифицированных узлах служебной аппаратуры КА», шифр «Схема-11». Это не «Мультиборт» ли?
ОКР «Разработка серии оптоэлектронных приборов, предназначенных для эксплуатации в экстремальных условиях, на основе широкозонных полупроводниковых структур, многослойных гетероструктур и их соединений», шифр «Оптрон-4». Вот такое совсем не знаю кто делает, в обзоре выше точно нет. Может быть «Светлана»? www.svetlanajsc.ru/index.php/ru
ОКР «Разработка сложнофункциональной СБИС 16-разрядного микроконвертера со встроенной аппаратной реализацией алгоритмов кодирования/декодирования информации», шифр «Сложность-12».
ОКР «Разработка комплекта СБИС типа «система на кристалле» для навигационного приемника Глонасс/GPS с низким энергопотреблением», шифр «Сложность-13». Это почти наверняка НИИМА «Прогресс».
ОКР «Разработка комплекта микросхем управления взрывательными устройствами малокалиберных боеприпасов», шифр «Сложность-14». А вот чисто военная разработка.
ОКР «Разработка микросхемы контроллера периферийных интерфейсов КПИ-2 для многоядерных микропроцессоров с архитектурой «Эльбрус» с суммарной пропускной способностью ввода/вывода не менее 16 Гбайт/с», шифр «Процессор-8».
МЦСТ и их собственная архитектура «Эльбрус». К космосу отношения не имеет, но попало в ту же самую программу закупок.

На этом, пожалуй, всё.

habr.com

«Новые микросхемы. Программируемые матричные кристаллы» в блоге «Перспективные разработки, НИОКРы, изобретения»

ОАО «НИИМА «Прогресс» и ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон» представляют программируемые матричные кристаллы (ПМК) с ускорителями ЦОС, микроконтроллерами,  встроенной памятью и интерфейсными схемами, сочетающие в себе достоинства ПЛИС и БМК. Микросхемы разработаны в дизайн центре ОАО «НИИМА «Прогресс» (г. Москва) и  изготовлены на заводе ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон» (г. Зеленоград) по технологии КМОП 180 нм. Корпусирование и испытания СБИС ПМК обеспечивает НИИЭТ, г.Воронеж.

Назначение:

  • замена современных зарубежных ПЛИС (FPGA),
  • ускорение и удешевление процесса разработки, изготовления и испытаний СБИС,
  • радикальное уменьшение номенклатуры применяемых электронных компонентов.

Рис 1. Обобщенная блок-схема ПМК. Все указанные на рисунке ресурсы программируются по желанию заказчика.

Рис 2. Корпуса микросхем

Технические характеристики ПМК_1:

  • Технология  – КМОП 180 нм.
  • Программирование -  2-4 слоя металла.
  • Статус – изготовлен, готов к тестовым прошивкам.
  • Число эквивалентных вентилей  – 0.7 миллиона.
  • Суммарный объем реконфигурируемого ОЗУ  –  2 Мбит.
  • Суммарный объем реконфигурируемого ПЗУ  –  1.4 Мбит.
  • Число ускорителей ЦОС  – 9.
  • Суммарная производительность ускорителей ЦОС:

- 2.7 ГФЛОПС (32-разрядная плавающая точка),

- 2.7 Гоп/с (32-разрядная фиксированная точка),

- 5.4 Гоп/с (16-разрядная фиксированная точка).

  • Возможность организовать на кристалле до 9 универсальных микроконтроллеров (цифровых процессоров сигналов), работающих параллельно (ассемблер, компилятор языка С, среда разработки и отладки программ предоставляются).
  • Производительность каждого микроконтроллера:

–  150 МИПС для контроллерных задач,

–  600 МИПС или 300 МФЛОПС для задач ЦОС.

  • Тактовая частота:

–  до 1 ГГц (счетчики, сдвиговые регистры),

–  300 МГц – конвейерные схемы,

–  150 МГц – ускорители ЦОС, микроконтроллеры, встроенная память (ОЗУ, ПЗУ).

  • Гигагерцовый последовательный интерфейс (1-1.25 ГГц) по дифференциальным линиям (6 дуплексных каналов) суммарной пропускной способностью 12 Гбит/с.
  • LVDS интерфейсы для подключения высокоскоростных АЦП и ЦАП.
  • Возможность организовать PCI  33/66 МГц и DDR RAM 100 МГц интерфейсы.
  • Число выводов на кристалле ~  600.
  • Кристалл будет упаковываться в корпуса с числом выводов   180, 325, 448,  602 (CPGA180, CPGA325, PBGA448, CPGA602).
  • На основе ПМК могут строиться гигагерцовые системы передачи данных Fibre Cannel, Gigabit Ethernet и подобные.
  • На базе ПМК БПФ с фиксированной точкой (16 разрядов с блоковой нормализацией) выполняется за время Т = N*log2(N) нс, где порядок БПФ   N=16 – 16К  (при N = 1К  Т = 10 мкс).
  • По характеристикам  (быстродействие, потребление) ПМК соответствует  зарубежным ПЛИС, реализованным по технологическим нормам  65 нм (серии Virtex-5, Spartan-5 фирмы Xilinx).

 

 

Технические характеристики ПМК_2:

  • Технология  – КМОП 180 нм.
  • Программирование -  2-4 слоя металла.
  • Статус – изготовление в конце 2013 года, возможно совмещение изготовления с прошивкой пользователя.

Приглашаются к сотрудничеству потенциальные пользователи.

  • Число эквивалентных вентилей  – 2 миллиона.
  • Суммарный объем реконфигурируемого ОЗУ  –  2 Мбит.
  • Суммарный объем реконфигурируемого ПЗУ  –  нет.
  • Число ускорителей ЦОС  – 30.
  • Суммарная производительность ускорителей ЦОС:

–  9 ГФЛОПС (32-разрядная плавающая точка), –  9 Гоп/с (32-разрядная фиксированная точка), –  18 Гоп/с (16-разрядная фиксированная точка).

  • Возможность организовать на кристалле до 30 универсальных микроконтроллеров (цифровых процессоров сигналов), работающих параллельно (ассемблер, компилятор языка С, среда разработки и отладки программ предоставляются).
  • Производительность каждого микроконтроллера:

–  150 МИПС для контроллерных задач, –  600 МИПС или 300 МФЛОПС для задач ЦОС.

  • Тактовая частота:

–   до 1 ГГц (счетчики, сдвиговые регистры), –   300 МГц – конвейерные схемы, –   150 МГц – ускорители ЦОС, микроконтроллеры, встроенная память (ОЗУ, ПЗУ).

  • Гигагерцовый последовательный интерфейс (1-1.25 ГГц) по дифференциальным линиям (12 дуплексных каналов) суммарной пропускной способностью 24 Гбит/с.
  • LVDS интерфейсы для подключения высокоскоростных АЦП и ЦАП.
  • Возможность организовать PCI  33/66 МГц и DDR RAM 100 МГц интерфейсы.
  • Число выводов на кристалле ~  700.
  • Кристалл будет упаковываться в корпуса с числом выводов   180, 325, 448,  602 (CPGA180, CPGA325, PBGA448, CPGA602).
  • На основе ПМК могут строиться гигагерцовые системы передачи данных Fibre Cannel, Gigabit Ethernet и подобные.
  • На базе ПМК БПФ с фиксированной точкой (16 разрядов с блоковой нормализацией) выполняется за время Т = 0.5*N*log2(N) нс, где порядок БПФ N= 16 – 32К  (при N = 1К  Т = 5 мкс).
  • По характеристикам  (быстродействие, потребление) ПМК соответствует  зарубежным ПЛИС, реализованным по технологическим нормам  65 нм (серии Virtex-5, Spartan-5 фирмы Xilinx).

Технические характеристики радиационно-стойкого ПМК_3:

  • Технология  – КНИ 180-240  нм.
  • Программирование -  2-4 слоя металла.
  • Статус – изготовление в конце 2013 года (при готовности технологии), возможно совмещение изготовления с прошивкой пользователя.

Приглашаются к сотрудничеству потенциальные пользователи.

  • Число эквивалентных вентилей  – 1 миллион.
  • Суммарный объем реконфигурируемого ОЗУ  –  2 Мбит.
  • Суммарный объем реконфигурируемого ПЗУ  –  1 Мбит.
  • Число ускорителей ЦОС  – 9.
  • Суммарная производительность ускорителей ЦОС:

–  2 ГФЛОПС (32-разрядная плавающая точка), –  2 Гоп/с (32-разрядная фиксированная точка), –  4 Гоп/с (16-разрядная фиксированная точка).

  • Возможность организовать на кристалле до 9 универсальных микроконтроллеров (цифровых процессоров сигналов), работающих параллельно (ассемблер, компилятор языка С, среда разработки и отладки программ предоставляются).
  • Производительность каждого микроконтроллера:

–  100 МИПС для контроллерных задач, –  400 МИПС или 200 МФЛОПС для задач ЦОС.

  • Тактовая частота:

–  до 500 МГц (счетчики, сдвиговые регистры), –  200 МГц – конвейерные схемы, –  100 МГц – ускорители ЦОС, микроконтроллеры, встроенная память (ОЗУ, ПЗУ).

  • LVDS интерфейсы для подключения высокоскоростных АЦП и ЦАП.
  • Число выводов на кристалле ~  600.
  • Кристалл будет упаковываться в корпуса с числом выводов   180, 325, 448,  602 (CPGA180, CPGA325, PBGA448, CPGA602).
  • На базе ПМК БПФ с фиксированной точкой (16 разрядов с блоковой нормализацией) выполняется за время Т = 2N*log2(N) нс, где порядок БПФ N = 16 – 16К  (при N = 1К  Т = 20 мкс).

Планируемые к использованию корпуса представлены на рис.2.

Способы применения ПМК:

  1. Список цепей (нетлист)  прототипа на ПЛИС в формате Xilinx или Altera в полуавтоматическом режиме переводится в ПМК (режим БМК).
  2. Заказчик, имея модель будущей системы на языке С, компилирует ее в систему команд микроконтроллеров, используемых в ПМК, определяет необходимое количество микроконтроллеров, требуемых для построения системы, находит критичные места, которые нужно реализовать с помощью аппаратных блоков, и  формирует спецификацию на систему в кристалле (число микроконтроллеров, конфигурация памяти, аппаратные блоки, интерфейсы и т.д.). Спецификация передается на завод-изготовитель, и в течение полугода Заказчик получает требуемую СБИС. Поскольку львиную долю системы (70-100%), как правило, можно будет реализовать программным путем, трудоемкость разработки СБИС радикально сокращается. При этом СБИС может модифицироваться в процессе отладки подобно ПЛИС путем загрузки нового программного обеспечения в микроконтроллеры. В итоге у разработчиков систем исчезает необходимость работать с ПЛИС, поскольку работать уже можно будет на уровне модулей, а не ПЛИС. Выпуск серийных изделий радикально упрощается, поскольку ПМК – это наполовину серийное изделие, а сам процесс доведения ПМК до полностью серийного изделия с требуемой приемкой будет формализован и отлажен.
  3. В полностью заказной СБИС (независимо от технологии), проектируемой с помощью  библиотеки стандартных элементов, отдельные блоки разрабатываются на базе вентильной матрицы  ПМК. В результате появляется возможность с минимальными затратами исправлять возможные ошибки в СБИС, а также модифицировать ее на аппаратном уровне на этапе тестирования или эксплуатации.

Дальнейшее развитие ПМК. Программируемый матричный кристалл (ПМК) – это гораздо более широкое понятие, чем БМК или ПЛИС в их классическом варианте.  ПМК – это:

-  новый современный способ проектирования и изготовления заказных СБИС на базе библиотеки стандартных элементов, позволяющий радикально снизить затраты на разработку и изготовление СБИС,

- платформа, оптимизируемая под конкретный класс применений и легко портируемая на любую технологию,

- мультипроцессорная вычислительная система, имеющая возможность модификации не только на программном, но и на аппаратном уровне.

Способы программирования ПМК:

-   слоями металлов (2-4 слоя) подобно БМК,

-  одним слоем переходных отверстий подобно матричным кристаллам компании eASIC,

-  программирование пользователем подобно ПЛИС (FPGA). Последние 2 способа значительно хуже используют площадь кристалла и уступают в быстродействии первому способу. Поэтому их применение становится оправданным, начиная с технологии с нормами 90 нм и ниже, когда стоимость изготовления СБИС значительно возрастает, а схемотехнические ресурсы кристаллов (число вентилей, быстродействие) становятся избыточными для большинства применений. В настоящее время разрабатывается проект ПМК, в котором будут использоваться все 3 указанных способа программирования.

sdelanounas.ru

Подготовка к лабораторным работам с ПЛИС

Подготовка всего необходимого к лабораторным работам с платами ПЛИС (FPGA) - это будут:

- Лабораторная работа2:  Дизайн цифровой логики на языке SystemVerilog с реализацией на платах ПЛИС (FPGA) от Xilinx или Altera
- Лабораторная работа3: Конечные автоматы и дизайн с адресуемой памятью
- Лабораторная работа4: Что такое процессор?

Для их проведения необходимо:
- Подобрать литературу (в качестве необходимого минимума должно быть достаточно будущих инструкций)
- Подобрать и установить необходимое программное обеспечение
- Подобрать подходящую плату ПЛИС (FPGA)

Подобрать подходящую плату ПЛИС (FPGA)

Т.к. Юрий Панчул прислал нам для обучения плату Digilent Basys2 еще в первой посылке, лично мне ничего выбирать не пришлось, но вообще в общем случае могут быть варианты.

Насколько я успел понять, в мире существует как минимум два основных производителя чипов ПЛИС (FPGA) - это Xilinx и Altera. Плюс к ним есть платы Malta, которые компания MIPS использует для тестирования собственных процессоров (и производит тоже?).

Кроме того, я смог найти российского производителя чипов ПЛИС - это Открытое Акционерное Общество
"Воронежский Завод Полупроводниковых Приборов-Сборка" (ОАО "ВЗПП-С").

На их главной странице http://www.vzpp-s.ru/about.htm написано:
ОАО "ВЗПП-С" осуществляет серийную поставку изделий специального назначения:
- ПЛИС 5576ХС1Т на 50 тыс. вентилей в 240-выводном металлокерамическом корпусе;


плюс к этому чуть больше информации можно найти в каталоге изделий (ссылка на pdf на их главной странице):

Про розничную продажу сходу найти ничего не удалось, но есть еще вот такой небольшой диалог на одном форуме датированный 01.03.2012:

-Ребята.
Если кого-нибудь интересуют вопросы (схемы включения, технические условия (ТУ), методы испытаний ПЛИС, программное обеспечения для программирования, отладочные платы) по ПЛИС отечественного производства (5576ХС1Т, 5576ХС1Т1, 5576ХС2Т, 5576ХС3Т, 5576ХС4Т), выпускаемых ОАО "КТЦ "ЭЛЕКТРОНИКА" г.Воронеж пишите. С удовольствием отвечу на все вопросы.

-А Вы попробуйте "ребятам" озвучить цены (и желательно по сравнению с алтеровскими аналогами). Вопросы сами-собой и отпадут...
-Цены на ПЛИСы отличаются в РАЗЫ, качество - тоже, но в обратную сторону. Но есть люди, которые работают только с ПЛИСами отечественного производства.

Платы с чипом Xilinx можно купить в магазине Digilent, платы с чипом Altera видимо в магазине Altera.

Еще интересную плату собственного производства с чипом ПЛИС (FPGA) Altera делают в Таганроге - проект Марсоход. Можно купить всего за 1000руб без стоимости почтовой пересылки. На сайте кроме всего прочего собрано большое количество разнообразных проектов на основе их платы с подробным описанием, видео и исходным кодом на верилоге - например Летающая Тарелка.

больше разной информации о разных способах покупки плат ПЛИС в России в этой ветке обсуждения оригинального поста с описанием проекта курса у Юрия Панчула. В частности cyber_school пишет:

3. В Москве, если что, те же самые Digilent-ы можно приобрести, например, в Терраелектронике: http://www.terraelectronica.ru/catalog.php?ID=1282&ClearParam=1
а также в других местах
.
Из распространителей Xilinx могу посоветовать
инлайн-груп на Беговой:
http://www.plis.ru/page.php?id=177


и вроде в Москве еще есть представительство cilica:
http://www.silica.com/products/tools.html (там нуджно пролистать до xilinx)
но если Вы не организация, то могут возникнуть затруднения.
Я лично имел как-то дело (по другому правда поводу)с дельта-электроникой, они тоже пишут, что торгуют digilent-ом:
http://www.deltel.ru/shop/products/search?title=Digilent&search_type=1

ну и вообще есть такой сайт www.efind.ru там можно поискать, где, чего, почем.
(Многие компании из Санкт-Перербурга в Москву шустро доставляют доставкой).
Но опять же лучше быть организацией.


Моя Digilent Basys2 на сайте digilent стоит 60$ академическая цена или 80$ обычная.









Подобрать литературу

Для знакомства с FPGA, языками HDL в лице Verilog и теоретическими основами области проектирования электронных приборов Юрий Панчул прислал мне две книжки:

Digital Design and Computer Architecture David Money Harris & Sarah L. Harris






и Digital Desing Using Digilent FPGA Boards Verilog / Active-HDL Edition Richard E. Haskell, Darrin M. Hanna



Из этих двух книг однозначное предпочтение можно отдать 1й от Harris & Harris - во-первых, ее содержание полностью покрывает содержание Haskell & Hanna и в общем ее практически достаточно почти для всего курса - в ней есть и основы комбинаторной логики начиная с логических примитивов, основы процедурной логики, стейт-машины, основы HDL Verilog и VHDL сразу (все примеры кода приведены в две колонки - Verilog и VHDL) и даже пример живого процессора с исходным кодом на верилоге. Она также оказалась полезной для упражнений с макетными платами, т.к. в ней например на пальцах разжеван механизм работы RS-триггера и D-триггера, схемы которых приведены в tron.ix без объяснений.

В Haskell & Hanna также покрыто большинство основ, перечисленных выше, но тема процессоров уже не затронута. Примеры кода приведены только на Verilog (для VHDL нужна специальная редакция книги). Изначально плюсом в Haskell & Hanna показалось то, что в ней для всех примеров сразу показывается скриншот с результатом выполнения в симуляторе, а в приложении A есть даже подробная инструкция по установке и настройке необходимого программного обеспечения (комбинация Active HDL + Xilinx WebPack), но в конечном итоге получилось так, что Active HDL я использовать не смог (у него нет версии для Linux), а потом выяснилось, что дистрибутив Xilinx WebPack (который доступен и для Linux и для Windows) уже содержал внутри себя вполне нормальный симулятор ISim, поэтому Active HDL и инструкция по его установке оказались вообще не нужны (см ниже).

Ну и субъективно, в Harris & Harris даже одни и те же базовые темы раскрыты гораздо глубже и фундаментальнее - в конечном итоге я ознакомился в Haskell & Hanna с введением и несколькими первыми упражнениями, потом перешел на Harris & Harris и больше к Haskell & Hanna не возвращался.

Для сравнения - содержание Digital Design and Computer Architecture David Money Harris & Sarah L. Harris:

содержание Digital Desing Using Digilent FPGA Boards Verilog / Active-HDL Edition Richard E. Haskell, Darrin M. Hanna




Начало раздела про процессоры в Harris & Harris:


Verilog против VHDL

Почти во всех источниках пишут, что нет никакой принципиальной разницы между языками Verilog и VHDL - программу, написанную на Verilog, можно легко один-в-один переписать на VHDL и наоборот, почти любая среда разработки поддерживает оба языка и позволяет делать "смешанные" проекты. Выбор одного или другого - дело вкуса или традиции, которая сложилась в определенном месте работы. Исторически сложилось так, что Verilog популярен в коммерческих фирмах в США, а VHDL - у военных в США, в Европе и в России.

Для ведения курса мы выбрали Verilog, т.к. насколько я понял именно он используюется в MIPS, поэтому Юрию Панчулу будет проще нас консультировать в процессе подготовки к лабораторным работам. По моим первым впечатлениям как Java-программиста, привыкшего к синтаксису Java/C/C++, это было однозначно правильное решение, т.к. визуально конструкции Verilog довольно близко напоминают базовые конструкции С или Java (конечно только визульно, их "физическое" значение и контекст выполнения абсолютно разные - про команды Verilog наверное даже не очень корректно говорить про "выполнение" - это скорее декларация логики определения текущего состояния). При этом от первого примера кода на VHDL у меня сразу зарябило в глазах из-за того, что в нем похоже принято набирать код и инструкции в верхнем регистре - у человека, привыкшего иметь дело с фортраном, вероятно были бы другие впечатления.

Ну и еще один важный и вполне объективный критерий особенно для учебного курса (на ознакомительной лабоработорной работе содержимое первых модулей было удобнее писать на доске) - это многословность - Verilog качественно лаконичнее VHDL - это особенно хорошо видно как раз в книге Harris & Harris, в которой все примеры приведены на двух языках рядом в два столбика. Ниже пример реализации простого однотактового процессора (на каждой странице две колонки - в левой код на Verilog, в правой - на VHDL) - хорошо видно, что весь код на Verilog легко уместился бы максимум на 2х страницах, для кода на VHDL понадобилось 4.




Подобрать и установить необходимое программное обеспечение

Во-первых необходимо сформулировать круг задач, которые должно решать выбранное программное обеспечение (в момент знакомства с этой областью он был не очень очевиден и потребовалось некоторое время, чтобы разобраться во всех нюансах).

Короткий вариант списка:
- Генерация прошивки для выбранной модели ПЛИС (FPGA)
- Программирование (заливка) прошивки на выбранную модель ПЛИС (FPGA)
- Симуляция

Чуть более подробная разбивка этого же списка по подзадачам:
- Редактор кода HDL (Verilog/HDL) - желательно (но не обязательно) с подсветкой синтаксиса языка и желательно (но не обязательно) с проверкой корректности синтаксиса набранной программы.
- Для конкрентного чипа/платы ПЛИС (FPGA) - инструмент синтеза (synthesis) прошивки для выбранной модели ПЛИС из кода на HDL.
- Для конкретного чипа/платы ПЛИС (FPGA) - инструмент для программирования (заливки) синтезированной предыдущим инструментом файла прошивки на подключенное (например чере кабель USB) устройство ПЛИС.
- В общем случае (безотносительно конкретного устройства ПЛИС) - инструмент для генерации данных симуляции кода, написанного на HDL.
- В общем случае (безотносительно конкретного устройства ПЛИС) - инструмент для просмотра результатов данных симуляции в наглядном графическом интерфейсе (в окошке в виде графика сигналов с линией времени).

Все эти задачи могут решаться или внутри одной интегрированной среды разработки или же для каждой задачи можно найти свой отдельный независимый инструмент.

Кроме того, дополнительное условие для нашей ситуации на кафедре прикладной математики (и мое личное предпочтение) - инструменты должны работать в операционной системе GNU/Linux, т.к. в учебной лаборатории установлена сеть компьютеров под управлением дистрибутива Mandriva 2010.

Сразу - для текущего курса был выбран следующий набор инструментов:

1. Интегрированная среда разработки Xilinx ISE WebPack (WebPack - вариант бесплатной лицензии) - содержит:
- Редактор кода HDL - Verilog и VHDL - с подсветкой и проверкой синтаксиса
- Инструмент синтеза прошивки для ПЛИС Digilent Basys2 (Spartan 3E) - генерирует файл с расширением ".bit" в проекте - это важно
- Симулятор ISim входит в комплект дистрибутива и интегрирован в среду разработки (позволяет сразу просматривать графики сигналов модулей в удобном графическом интерфейсе)
- Встроенные средства программирвоания (заливки) прошивки на ПЛИС Digilent Basys2 отсутствуют (точнее требуют дополнительной настройки, без которой можно обойтись).

2. Инструменты Digilent Adept2 - позволяют программировать устройства ПЛИС Digilent (в том числе Basys2) файлами с расширением ".bit", сгенерированными средой Xilinx из программы на HDL (Verilog или VHDL - не важно).

Этого набора оказалось достаточно для того, чтобы:
- написать программу на Verilog
- увидеть результат работы вживую на ПЛИС Digilent Basys2
- проверить возможный результат работы на графике сигнала в симуляторе без запуска на живом ПЛИС
- для обеих программ доступны официальные версии для ОС GNU/Linux

т.е. все минимальные потребности для проведения запланированных лабораторных работ им удовлетворены.

Но возможны и другие комбинации ПО, которые могут дать аналогичный результат:

- Набор инструментов от Altera Quartus II - среда разработки аналогичная Xilinx + программатор ПЛИС Altera + что-то еще - у меня есть сильное подозрение, что среда Xilinx не сможет генерировать прошивки для ПЛИС от Altera, т.е. при наличии ПЛИС от Altera придется рядом (или вместо) Xilinx ставить полную версию Quadrus II, но я этот вопрос пока подробнее не проверял. Есть родная версия для Linux.

- Среда разработки + симулятор Aldec Active HDL - рекомендуется к использованию в книге "Digital Desing Using Digilent FPGA Boards Verilog / Active-HDL Edition Richard E. Haskell, Darrin M. Hanna" в связке с Xilinx WebPack (некоторые инструменты, умеющие работать через командную строку, из Xilinix интегрируется в Active HDL через специальные настройки) - очевидно для того, чтобы Xilinx WebPack генерировала (синтезировала) прошивки для ПЛИС Xilinx из кода Verilog, набранного в Active HDL. Но т.к. Xilinx WebPack уже содержит и редактор кода для HDL (Verilog и VHDL) и симулятор ISim и тем более ситезатор прошивки для ПЛИС Xilinx, потребность в Active HDL в рамках поставленных минимальных задач курса автоматически отпадает. Тем более, что Active HDL доступна только для операционной системы Windows.

Свободные инструменты (инструменты, исходный код которых доступен под свободной лицензией, а не просто бесплатные)

Некоторое количество свободных инструментов, необходимых для автоматизированного проектирования электронных приборов (EDA), собрано на сайте проекта gEDA geda-project.org (после предыдущего сообщения стал понятен смысл аббревиатуры в названии проекта).

В частности в рамках задач курса могли бы оказаться полезны проекты:

- Icarus verilog - инструмент для симуляции и синтеза кода Verilog. Генератор файла симуляции работает совершенно точно (для его просмотра см ниже).

- GTKWave - программа для удобного графического просмотра диаграмм с резульатами симуляции программ на HDL.

- В качестве среды для написания программы на Verilog можно использовать любой текстовый редактор - в штатном редакторе KDE kwrite есть подсветка синтаксиса Verilog/VHDL.

Итого: свободных инструментов должно быть полностью достаточно для процесса симуляции кода на Verilog:
- код Verilog пишется в любом текстовом редакторе
- Icarus Verilog генерирует из него файл с результатами симуляции
- GTKWave показывает результаты из файла в виде красивой диаграммы в графическом окне.

Хорошая инструкция по использованию Icarus Verilog + GTKWave есть также на сайте проекта Марсоход.

По поводу задач синтеза и прошивки для ПЛИС (FPGA) - в этой области видимо все немного сложнее, т.к. от разработчика инструмента помимо всего прочего потребуются знания деталей внутреннего устройства каждой модели чипов ПЛИС, с которыми его инструмент должен работать.

- Icarus Verilog позиционирует себя не просто как симулятор, но и как инструмент для синтеза. Про работоспособность синтезатора прошивок FPGA ничего сказать не могу - кое-какие намеки на вероятную работу с чипами ПЛИС Xilinx есть в FAQ, но детали нужно изучать отдельно.

- Для решения проблемы программирования ПЛИС сгенерированной прошивкой - например bit-файлом (т.е. в частности замены инструментов Digilent Adept2) существует другой свободный проект FPGALink, но прошивка Digilent Basys2 этим инструментом на данный момент точно не поддерживается, поэтому для платы Digilent Basys2 свободной альтернативы Adept2 видимо нет.

ДОБАВЛЕНИЕ: ramlamyammambam: Из свободных инструментов я бы еще отметил Verilator - компилирующий симулятор Verilog, с генерацией кода на С++. Многие известные коммерческие фирмы его используют.

1i7.livejournal.com

Современные отечественные ВК для оборонщиков и не только

Статьи

Опубликовано: 17.04.2011

Автор: Михаил Ровнягин

Содержание

  1. МЦСТ на распутье
  2. Эльбрус-90микро
  3. Эльбрус-3М1
  4. Подведем итоги

В предыдущей статье были рассмотрены тенденции развития отечественной вычислительной техники, упомянуты некоторые моменты, связанные с процессом создания архитектуры E2K.Также мы познакомились с разработками компании МЦСТ в области процессорных архитектур. Сегодня мы продолжим развивать эту тему.

Помню, лет эдак восемь назад ехал ваш покорный слуга в метро и увидел красиво оформленный рекламный лист, на котором сочными голубыми буквами было написано: «Depo Ego — мы их сделали!», а чуть ниже красовалась надпись «Depo — отечественный производитель персональных компьютеров». Из вагона я тогда вышел, радостно пританцовывая и бормоча себе под нос, что-то типа «Накася-выкуси, дядя Сэм — не один ты умеешь компы делать!»

Где-то около недели я продолжал делиться с друзьями сей радостной вестью, пока не позвонил мне один знакомый и не поблагодарил за то, что я посоветовал ему просто-таки отличную фирму. Поинтересовавшись, что именно ему так понравилось в «депошном» компьютере, я был просто сбит с толку. Как такое может быть, чтобы в отечественном компьютере процессор был интеловским? Проследовав на сайт изготовителя и убедившись, что друг ничего не попутал, я начал изучать остальные модели «отечественных» ПК. Убедившись, что никаких отечественных железяк в красивых корпусах не наблюдается, я вдруг понял, что ребята из Depo никаких «отечественных» компьютеров не изобретали, а просто очень грамотно организовали рекламу своей продукции.

МЦСТ на распутье

Собственно, для чего я это всё вам рассказал? А для того, чтобы вы, товарищи железячники, поняли, что у компании МЦСТ был выбор — изначально «приспособить» свои процессоры и материнские платы под иностранные комплектующие или разрабатывать вычислительные комплексы исключительно на отечественной схемотехнической базе.

В итоге выбор пал на второй вариант. Такое решение было обусловлено пожеланием основного заказчика МЦСТ — Министерства Обороны. Вояки, как обычно, перестраховывались и ратовали за полное отсутствие вредоносных «закладок». Правда, «с нуля» всё проектировать, конечно, не стали, потому как некоторым «сомнительным» элементам и узлам ЭВМ всё-таки можно доверить выполнение боевых задач. Например, достаточно легко можно проверить работоспособность и отказоустойчивость запоминающих устройств, однако провести глубокий анализ логических схем чипсета довольно проблематично.

Очевидно, исходя из подобных рассуждений, разработчики составили «черный список» компонентов ЭВМ, в которых недопустимо использование иностранных схемотехнических элементов. В него попали процессор, материнская плата, графический адаптер, почти все платы расширения (ввиду ограниченности сферы применения периферийных устройств), блок питания и корпус ЭВМ.

Напомню, что на дворе — середина 90-х, страну всё ещё лихорадит после недавних потрясений, поэтому никто денег на разработку высокотехнологичной аппаратуры выделять не собирается. Разработчикам МЦСТ пришлось находить выход из положения, рассчитывая лишь на собственные силы.

И выход из положения был найден, он был оригинален, прост, как всё гениальное, а главное устраивал основного заказчика — Министерство Обороны. ПЛИС. Те, кто понял всё сразу, прочитав эту аббревиатуру, могут тихо порадоваться, для остальных же я сейчас поясню суть этого нестандартного технического решения.

Микросхемы программируемой логики, или ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы) — одно из наиболее быстро развивающихся направлений современной цифровой электроники. Популярность данной технологии объясняется востребованностью в настоящий момент узкоспециализированной аппаратуры для автоматизированного управления производством.

Основным достоинством ПЛИС принято считать возможность перепрограммирования оных в зависимости от решаемых задач. Благодаря этой особенности цикл разработки устройств на ПЛИС занимает в разы меньше времени и несоизмеримо дешевле (из-за того, что изменение принципиальной электрической схемы не подразумевает выпуска нового тестового образца на этапе отладки) по сравнении с традиционными методами.

В наиболее типичном варианте ПЛИС состоит из прямоугольной матрицы конфигурируемых логических блоков (configurable logic blocks, CLB), между которыми располагаются программируемые трассировочные линии. Как известно, любую логическую функцию можно описать таблицей истинности. Например, функция четырёх переменных может быть описана таблицей, состоящей из 16 строк. Поэтому каждый CLB включает в себя несколько ЗУ (обычно с организацией 16×1 или 8×1 ячеек), в которые разработчик через САПР загружает таблицы истинности выбранных им логических функций. Для объединения между собой нескольких CLB используются блоки PSM (programmable switching matrix), построенные на полевых транзисторах — ключах.

В зависимости от того, какая память (энергозависимая или нет) используется для хранения информации о конфигурации CLB и PSM, ПЛИС делят на два вида. Первый — FPGA (field programmable gate array), который требует инициализации каждый раз после включения питания, — отличается сравнительно невысокой стоимостью. Чипы CPLD (complex programmable logic device) от синдрома под названием «девичья память» спасает энергонезависимое ЗУ типа flash или EEPROM. Они наиболее часто используются в специализированных системах управления и обработки информации.

Несмотря на такие очевидные недостатки ПЛИС, как низкое быстродействие или необходимость инициализации перед началом работы (в случае FPGA), чипы с надписями «ALTERA» и «Xilinx» всё чаще можно встретить внутри специализированных компьютеров.

 

Используя ПЛИС можно построить любую логическую схему (например, различные контроллеры, графические чипы и схемы управления). При этом экономятся гигантские средства, которые обычно разработчики тратят на проектирование оригинальных чипов, разводку элементов и выводов схемы. С ПЛИС всё становится в разы проще. Схему можно создать в специальном редакторе САПР (система автоматизированного проектирования), а потом загрузить в ПЛИС. Конечно, сильно страдает быстродействие, зато существенно упрощается процесс создания и уменьшается тепловыделение разработанных узлов ЭВМ.

Итак, чипы, как мы выяснили, можно создать, используя программируемые логические схемы, однако проектирование и разводку печатных плат сотрудникам МЦСТ пришлось осуществлять самостоятельно. Эту задачу проектировщики, среди которых было большое количество опытных конструкторов, выполнили достойно, разработав целое семейство платформ для различных вычислительных комплексов (ВК), о которых мы сейчас и поговорим.

Как вы узнали из предыдущей статьи, компания МЦСТ разрабатывает две линейки микропроцессоров — Elbrus и МЦСТ-R. Процессоры первой линейки являются просто-таки воплощением оригинальности и спроектированы на основе архитектуры советских ЭВМ серий «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». МЦСТ-R базируются на открытой архитектуре SPARC V8, имеют меньшую производительность, но значительно дешевле и легче в производстве, так как построены на базе стандартной библиотеки элементов. Поэтому, когда Министерство Обороны решило начать переоснащение армии новыми ВК, выбор пал на ЭВМ с «каменным сердцем», построенным на основе технологий SPARC. Название новый комплекс получил «Эльбрус-90микро».

Эльбрус-90микро

На настоящий момент существует около десятка вариантов исполнения данного ВК, которые в значительной степени отличаются друг от друга не только размерами корпуса, но и его наполнением. Изначально все комплексы выпускались на базе процессоров R-150, но с появлением новых производственных мощностей (об этом было рассказано в предыдущей статье) устаревшие «стопятидесятки» заменили на R-500. Перейдём к рассмотрению ВК на основе микропроцессоров МЦСТ-R.

Наиболее востребованными в настоящее время являются перебазируемые вычислительные комплексы. Дело в том, что с развитием ЭВМ и переходом их на микропроцессорную базу, появилась возможность построения мобильных ВК. Конечно, некоторые из вас сейчас, наверное, улыбнулись, вспомнив про своего раскладного плоского помощника (то бишь ноутбук), но в армейском деле всё опять-таки не так просто и очевидно, как кажется. Представьте себе картину: на позиции в степи Поволжья выдвигается дивизион С-300, а в кузовах военной техники, набитых суровой радиоэлектроникой, в качестве вычислительных модулей установлены ноутбуки или, скажем, баребоны.

Во-первых, сии девайсины могут просто не доехать до пункта назначения: от тряски могут отказать НЖМД, нарушиться цепи питания или целостность системы охлаждения. Во-вторых, в виду того, что корпуса устройств гражданского назначения, как правило, не являются герметичными, возможно попадание пыли или влаги внутрь ЭВМ, что может сильно повредить работе ВК. В-третьих, аппаратура, устанавливаемая на военную технику, должна иметь мощную защиту от электромагнитных импульсов, чем гражданская продукция похвастаться не может. По этим причинам возникает необходимость построения особенной, не похожей на обычные компьютеры и ноутбуки системы, способной выдерживать серьёзные нагрузки.

Перебазируемый вычислительный комплекс «Эльбрус-90микро» выпускается в двух исполнениях: шкафном и в конструктиве Евромеханика. Шкафной вариант предназначен для использования в мобильных системах управления и обработки информации. Такой комплекс представляет собой герметичный, теплоизолированный шкаф, обеспечивающий пыле- и влагозащиту, а также имеющий системы подогрева и термостатирования.

Электронное оборудование ВК размещено в высокопрочных шасси конструктива, обеспечивающего стойкость к вибро- и ударным нагрузкам. Система электропитания комплекса устойчива к перебоям электроснабжения со стороны первичной электросети. Комплекс включает четыре микропроцессора R-150, соединённых с контроллером памяти 64-битной шиной MBus с частотой 50 МГц. Объём оперативной памяти может ВК варьируется от 256 до 1024 МБ, а дисковой — от 2 до 36 ГБ.

С помощью моста высокопроизводительная шина MBus взаимодействует с менее скоростной шиной расширения SBus, к которой (через соответствующие контроллеры) подключаются различные периферийные устройства. В комплектацию ВК входят 17-дюймовый ЭЛТ-монитор с разрешением 1024×768, принтер и суровая клавиатура с не менее суровым указательным устройством — трекболом. Кстати, выбор такого необычного устройства ввода информации обусловлен опять же областью применения данного перебазируемого комплекса: «Эльбрус-90микро» входит в состав средств управления зенитной ракетной системы С-400, где оператору приходится работать в условиях недостатка места и наличия вибрации, поэтому выбор трекбола в качестве указательного устройства вполне оправдан. Комплекс обеспечивает возможность работы под управлением операционных систем «Эльбрус90», «Эльбрус», МСВС («Мобильная система вооружённых сил»), разработанных на основе GNU/Linux. Масса всего ВК составляет 420 кг (привет, восьмидесятые :-), а энергопотребление — 400 Вт.

На этом с первым вариантом «Эльбрус-90микро» мы закончили, а вот прежде чем перейти к описанию ВК, собранных в констуктиве Евромеханика, необходимо обсудить саму концепцию построения подобных комплексов.

Система Евромеханика представляет собой конструктив, предназначенный для размещения стандартных плат, модулей (кассет) и прочих конструкций, унифицированных по высоте (U), ширине (TH) и глубине. В данной системе принят интерфейс на базе разъемов стандарта DIN 41612, которые устанавливаются либо винтами непосредственно на профилях корзины, либо на печатных платах — в один ряд (для плат высоты ЗU) или в два ряда (для плат высоты 6U). Таким образом, совмещая различные модули формата 6U, можно конфигурировать систему в соответствии с поставленными задачами. Используя одновременно Евромеханику и шину cPCI, можно достичь отличных показателей «гибкости» и ремонтопригодности (разъём compactPCI позволяет использовать «горячее подключение» плат) конструкции.

Теперь можно и перейти к описанию «евромеханического» перебазируемого ВК, вобравшего в себя все достоинства модульного принципа построения.

Эта версия «Эльбрус-90микро» не имеет практически ничего общего с предыдущей и отличается от ней как снаружи, так и изнутри. Корпус непосредственно ВК (без учёта короба с монитором и печатающего устройства) в десять раз меньше, чем корпус перебазируемого ВК в шкафном исполнении. Несмотря на значительное сокращение объема корпуса, производительность оного не только не снизилась, но даже выросла примерно в 3,5 раза.

Столь серьёзный рост производительности объясняется тем, что четыре устаревших во всех отношениях микропроцессора R-150 уступили место более совершенным R-500. Два процессора из четырёх установлены непосредственно на микропроцессорном модуле MV/C, а оставшаяся пара нашла себе пристанище на мезонинном модуле, подключаемом к системной шине MBus.

Сама шина MBus (имеющая частоту 100 МГц) осуществляет связь с шинами расширения посредством северного моста, включающего в себя контроллер памяти SDRAM. Всего комплекс может поддерживать до 1024 МБ оперативной и не менее 36 ГБ дисковой памяти. Модули графических карт (до двух) и интерфейсные модули соединяются с основным системным модулем MV/C, используя протоколы шин PCI и SBus. Остальные периферийные устройства подключаются через локальную шину EBus к южному мосту. Потребление всего комплекса подросло, составив в полной нагрузке 650 Вт. Однако его система питания может не только справляться с большими перепадами напряжения, но еще и осуществлять электроснабжение ВК, получая на входе либо 220 В переменного, либо 27 В постоянного тока.

«Эльбрус-90микро» в конструктиве Евромеханика существует в 4- и в 8-слотовом вариантах. Они различаются лишь объемом корпуса, мощностью потребления (которая у последнего в два раза больше) и системой охлаждения. В 8-слотовом исполнении СО как в реакторе — двухконтурная, что позволяет сохранить герметичность отсека, содержащего основные вычислительные узлы.

Стационарные вычислительные комплексы «Эльбрус-90микро» бывают трёх видов: в шкафном исполнении, в конструктиве Евромеханика и PC ATX. ВК в конструктиве Евромеханика практически полностью аналогичен рассмотренному ранее перебазируемому комплексу на базе процессора R-500. Он предназначен для использования в системах управления и обработки информации и, несмотря на то, что корпус этого ВК не является герметичным, возможно применение данного комплекса в системах с жёсткими условиями эксплуатации.

«Эльбрус-90микро» в конструктиве Евромеханика имеет две разновидности: встраиваемую и настольную. В шкафном исполнении ВК имеет архитектуру основных вычислительных узлов, схожую с архитектурой построения микропроцессорного модуля MV/C. Количество центральных процессоров R-500 может варьироваться от одного до четырёх. Такой комплекс предназначен для использования в стратегических оборонных системах, системах непрерывного действия, работающих в реальном масштабе времени, в научных и промышленных центрах коллективного пользования. Входящая в его состав аппаратура включает в себя сетевое оборудование для обмена информацией с другими ВК. На платформе данного комплекса создан также ВК в конструктиве автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора ЭВМ, то есть в виде корпуса форм-фактора desktop ATX.

Вычислительный комплекс в конструктиве PC ATX внешне напоминает самый обыкновенный компьютер в корпусе midi tower. Однопроцессорный ВК включает в себя процессор R-500, до 1024 МБ оперативной памяти объемом и жесткий диск объемом не менее 36 ГБ. Дисковод, блок питания, память, монитор и даже графический PCI адаптер — иностранного производства. Столь нестрогие правила подбора комплектующих можно объяснить назначением данного ВК — он, в отличие от своего «шкафного» собрата, не предназначен для использования в системах стратегического назначения.

Высокой производительностью сие творение наших инженеров похвастаться не может: она у него находится на уровне первого рассмотренного нами перебазируемого ВК в шкафном исполнении. Зато потребляет комплекс всего 100 Вт, что не может не радовать. Его старший двухпроцессорный брат «кушает» ровно столько же, зато производительность имеет в два раза больше.

В архитектурном плане двухпроцессорный ВК сильно отличается от предыдущих комплексов серии «Эльбрус-90микро». Так, шина SBus у него просто отсутствует — роль системной шины, соединяющей между собой процессоры, память и северный мост, по традиции играет MBus. Помимо контроллеров шин MBus, EBus и PCI, северный мост включает в себя контроллеры мыши и клавиатуры. Через шину EBus к ВК подсоединяются различные периферийные устройства. Роль основной шины расширения выполняет PCI, соединяющая между собой северный и южный мост, аудиоконтроллер и графический адаптер. Существует ещё одно немаловажное нововведение: появились контроллеры USB и соединители IDE,входящие в южный мост.

Помимо разработки перебазируемых и стационарных ВК, МЦСТ занимается проектированием и носимых компьютеров. Первым реализованным в этом направлении проектом является разработка вычислительной аппаратуры для ноутбука в конструктиве фирмы «Элинс». Основным вычислительным узлом этого устройства является модуль МПЯ (микропроцессорная ячейка), обладающий высокой плотностью размещения компонентов и низким энергопотреблением, которое обеспечивает микропроцессор R-500.

Ноутбук имеет 512 МБ оперативной памяти DDR (открою военную тайну — фирмы Kingston :-). В качестве ЗУ используется 4 ГБ флэш-памяти, потому как в жестких условиях эксплуатации НЖМД могут отказать. Эта носимая ЭВМ имеет 15-дюймовый 18-битный дисплей с разрешением 1024×768 пикселей. Устройство оснащено встроенным GPS/ГЛОНАСС-приёмником, внутренней и внешней аккумуляторными батареями. Дисплей оснащён встроенным подогревом, а сам ноутбук способен работать в температурном диапазоне от –20 до +50 градусов цельсия. Прочный герметичный корпус позволяет устройству выдерживать падения с высоты 0,75 метра, предохраняет внутренности ноутбука от агрессивных сред, статической и динамической пыли и соляного (морского) тумана. Чудо-машина потребляет 27 Вт электроэнергии, что позволяет продлить автономную работу до 7,5 часов.

Эльбрус-3М1

Семейство вычислительных комплексов, построенных на базе микропроцессоров Elbrus, пока состоит лишь из одного ВК «Эльбрус-3М1», выполненном в двух вариантах: серверном и cPCI. На основном вычислительном модуле ВК уютно располагается два микропроцессора Elbrus с частотами работы по 300 МГц каждый, и три ПЛИС фирмы ALTERA, выполняющих функцию главного системного контроллера, коммутаторов данных и контроллера памяти. Комплекс имеет большой объём оперативной (до 32 ГБ) и дисковой (от 80 ГБ) памяти. Система охлаждения «Эльбрус-3М1» — принудительная, воздушного типа. Корпус выполнен в соответствии со стандартом Евромеханика 6U. Потребляет вся система относительно немного — порядка 120 Вт.

Вычислительные комплексы на основе микропроцессоров серии Elbrus по своей сути являются уникальными и, как модно сейчас говорить, инновационными во всех отношениях. Оригинальная архитектура E3K, основанная на технологии явного параллелизма, позволяет, не увеличивая частоты, повысить производительность в несколько раз. Почему же тогда до сих пор в новейших военных и гражданских разработках применяют SPARC-процессоры серии МЦСТ-R?

По разным причинам. Первая, типичная для всех новаторских проектов, состоит в том, что заказчик, перестраховываясь, не спешит переходить на платформу нового типа и отказываться от старой, но хорошо зарекомендовавшей себя, системы. Вторая причина — требовательность процессоров Elbrus к техпроцессу. Если последний будет недостаточно «миниатюрен», тепловыделение процессора резко возрастёт, что сделает невозможным построение герметичных перебазируемых ВК. В настоящий момент техпроцесс освоенного в отечественном производстве процессора Elbrus составляет 130 нм. Это позволяет достичь частоты 300 МГц, не выходя за допустимые рамки рассеиваемой мощности (6 Вт). Перейдя на технологические нормы 90 нм, можно повысить частоту до 500 МГц. А чтобы достичь заветного гигагерца, придётся налаживать 65-нм производство.

Тем не менее в июле 2008 года процессор впервые показали прессе. ВК «Эльбрус-3М1» при частототе 300 МГц в режиме совместимости с IA-32 обогнал Pentium III (500 МГц) в тестах SPEC. При работе в «родных» кодах Эльбруса процессор показал скорость, сравнимую с Pentium 4 (2 ГГц). Насколько можно судить по результатам тестов технология явного параллелизма работает и работает достаточно хорошо. На данный момент для различных организаций произведена сравнительно маленькая партия ВК «Эльбрус-3М1» — около 100 штук. Однако если идея достижения частоты в 1 ГГц будет воплощена в жизнь, то в скором времени мы сможем получить отечественный сверхвысокопроизводительный ВК, востребованный различными заказчиками.

Подведем итоги

Как мы видим, электронно-вычислительная аппаратура выпускаемая компанией МЦСТ способна удовлетворить потребности даже такого привередливого заказчика как Министерство Обороны. Несмотря на то, что МО является основным заказчиком предприятия, свою продукцию МЦСТ способен адаптировать для решения практически любых вычислительных задач.

Опубликовано: 17.04.2011

Автор: Михаил Ровнягин

topmods.net

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *