Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2010 №8

Процессор RAD750 в системах с ограниченным бюджетом мощности

Попович Александр


В последнее время благодаря усилиям официального представительства фирмы BAE-Electronics для отечественных производителей бортовой аппаратуры стал доступен радиационно-стойкий процессор RAD750. Однако многие разработчики отказываются от использования этого процессора в системах управления повышенной надежности, ошибочно полагая, что потребление этого процессора слишком высоко. На самом деле это не так…

«Предрассудок есть мнение, не основанное на рассудке».

Вольтер



Рис. 1. Внешний вид микросхемы процессора RAD750

Если обратиться к документации на RAD750 [1], то мы увидим, что максимальное заявленное потребление мощности составляет 5 Вт. Да, действительно, такая мощность потребления может показаться высокой людям, привыкшим иметь дело с маломощными процессорами. Но не будем забывать о том, что максимальное потребление мощности этого процессора гарантируется в рабочем температурном диапазоне от –55 до +125 °C, при поглощенной дозе до 1 Мрад. Кроме того, RAD750 имеет полностью троированные регистры, что увеличивает потребление, но позволяет получить беспрецедентную устойчивость к сбоям, вызванным радиацией. Для оценки относительного уровня потребления RAD750 давайте обратимся к таблице 1, в которой собраны характеристики процессоров, часто применяющихся в системах управления.

Таблица 1. Сравнительные характеристики процессоров

Производитель Процессор Троированная логика Стойкость к ТЗЧ Тактовая частота, МГц Потребление, Вт Производительность
Dhrystone 2.1, MIPS
Удельная производи-
тельность, DS MIPS/Вт
BAE RAD750 да да 132 5 260 52
Aeroflex UT699 да 66 5 53 11
Intel 486DX 33 4,5 25 6
AMD Am29200 16 1,1 7 6
Freescale MPC555 40 1 62,59 63
Motorola MC68349 25 0,96 8 8
Freescale MCF5272 66 0,9 63 70
ARM ARM7500FE 40 0,8 36,4 46
ARM ARM7500 33 0,68 30 44
ARM ARM7TDMI 20 0,04 14 389

Мы специально выбрали процессоры, потребляющие не больше, чем RAD750, и отсортировали данные таблицы по потребляемой мощности, чтобы яснее проиллюстрировать тот факт, что сравнивать надо не абсолютное потребление процессоров, а их удельную производительность. Под удельной производительностью здесь подразумевается отношение быстродействия процессора, измеренное в тесте Dhrystone 2.1 [2], к потребляемой мощности. В этом соревновании лидеры очевидным образом меняются: получается, что на 1 Вт потребляемой мощности RAD750 может выполнить больше вычислений, чем большинство из представленных процессоров. Явный лидер — ARM7TDMI, но для выполнения того же объема вычислений, что и RAD750, за то же время потребуется 19 процессоров ARM7TDMI. Надежность такой системы будет значительно ниже, чем надежность системы на одном процессоре, не говоря уже о том, что ARM7TDMI вообще не может работать сколь-либо заметное время в условиях облучения рентгеном, нейтронами или тяжелыми заряженными частицами.

Кто-то может сказать: «Но мне не нужна такая высокая производительность, меня может устроить и меньшая вычислительная мощность». На этот случай существует два пути снижения потребления системы на процессоре RAD750. Первый путь — это снизить тактовую частоту процессора. Например, снижение внутренней тактовой частоты со 133 до 33 МГц позволит уменьшить потребляемую мощность в два раза. Второй путь — переводить процессор в низкопотребляющий режим на время простоя, ведь если вам не нужна полная вычислительная мощность, процессор может выполнить необходимый объем вычислений и «заснуть». Внутренняя логика работы позволяет без изменения внешних сигналов понизить потребление RAD750 более чем в 14 раз (рис. 2). Такой «рваный» режим работы позволяет почти линейно снижать потребляемую мощность по мере уменьшения производительности. Системы, использующие один из предложенных путей, будут иметь запас производительности, а ведь «Излишек — вещь крайне необходимая» (Вольтер), и при этом потреблять малую мощность, сравнимую с потреблением мощности малопроизводительных процессоров.



Рис. 2. Зависимость мощности потребления RAD750 от тактовой частоты в различных режимах работы

Для тех, кто нуждается в полной вычислительной мощности процессора, но хочет снизить потребляемый им ток, у RAD750 [3] есть очень интересный режим работы, который называется Dynamic power management (DPM). Процессор, работающий в режиме DPM, выключает те блоки, которые простаивают в настоящий момент. Например, если в потоке команд нет команд плавающей точки, блок, ответственный за их выполнение, выключается. Для этого выключается тактовая частота блока, а поскольку КМОП микросхемы практически не потребляют тока в статическом режиме, снятие тактовой частоты аналогично снятию питания.

Нужно отметить, что в последние несколько лет появились микропроцессоры с рекордной удельной производительностью, значительно превышающей 600 DS MIPS/Вт. Такие результаты стали возможны за счет уменьшения топологической нормы и снижения напряжения питания, однако о радиационной стойкости этих процессоров не стоит и говорить. Ведь и сам RAD750 ведет свою родословную от процессора PowerPC 750, который в свое время стоял в компьютерах Apple и успешно соперничал с процессорами других производителей для ПК по удельной производительности.

Сравнение радиационно-стойких процессоров с обычными коммерческими процессорами не совсем корректно, так как они отличаются по схемотехнике. В радиационно-стойких процессорах крайне желательно использовать аппаратно троированные регистры. Это означает, что на том месте, где у обычного процессора стоит триггер, в радиационно-стойком должны стоять три триггера, соединенные параллельно по входам, и мажоритарная схема сравнения. Мажоритарная схема сравнивает выходные уровни у всех трех триггеров, выбирает, каких уровней больше, выдает этот уровень на выход и асинхронно перекидывает ошибочно установленный триггер в правильное состояние. Это решение позволяет значительно снизить вероятность одиночных ошибок в регистрах. Существуют и другие обязательные схемотехнические решения, повышающие радиационную стойкость микросхем, и все они так или иначе ведут к увеличению потребления микросхем. Поэтому в таблице 2 производится сравнение RAD750 с другими радиационно-стойкими процессорами [4].

Таблица 2. Радиационно-стойкие процессоры

Производитель Процессор Потребление, Вт Производительность
в тесте DS2.1, MIPS
Удельная производи-
тельность, MIPS/Вт
Архитектура Доза, Мрад SEL LETth, МэВ·см2/мг
Atmel AT697F 0,7 82 117 SPARC V8 Leon2 0,2 95
eASIC Corp Leon4 5 340 68 SPARC V8 0,3
BAE RAD750 5 266 53 PowerPC 750 1 120
Maxwell 750FX 12 600 50 PowerPC 750 0,1 92
Aeroflex UT699 5,5 75 14 SPARC V8 0,3 108

Как видно, две микросхемы из представленных показывают лучшие, чем у RAD750, характеристики по удельной производительности. Это AT697F производства Atmel и Leon4 производства eASIC Corporation. Если сравнить характеристики AT697F и RAD750, то выяснится, что, во-первых, радиационная стойкость AT697F составляет 200 крад, что значительно ниже, чем у RAD750; кроме того, в документации на AT697F содержится загадочная фраза, что после 100 крад потребление микросхемы начинает расти, но может быть снижено до прежнего уровня высокотемпературным отжигом [5]. Возникает вопрос: а правильно ли сравнивать удельную производительность RAD750, когда она нормируется при поглощенной дозе 1000 крад, с удельной производительностью AT697F, нормированной при дозах ниже 100 крад? С другой стороны, абсолютная производительность процессора BAE более чем в три раза превышает производительность процессора Atmel. Процессор Leon4 [6] составляет конкуренцию RAD750 на западном рынке, но надо отметить, что он анонсирован в марте 2010 года, поэтому поставка его в Россию в настоящее время, скорее всего, невозможна. Известно также, что разработчики этого процессора отказались от использования троированных регистров, пытаясь защитить проект от ошибок, вызванных радиационным облучением, путем модификации RTL-модели. Такое решение ведет, конечно, к уменьшению потребляемой мощности, но эффективность его в защите от сбоев вызывает сомнения.

Заключение

Сегодня процессор RAD750 корпорации BAE Systems является единственным радиационно-стойким процессором, работающим при дозе поглощенного излучения в 1000 крад. Отношение потребляемой мощности к производительности у этого процессора не хуже, чем у значительного числа коммерческих продуктов. Максимальная потребляемая мощность процессора нормируется в температурном диапазоне от –55 до +125 °C и при поглощенной дозе 1000 крад, в то время как мощность потребления обычных коммерческих процессоров нормируется в отсутствие поглощенной дозы и в более узком температурном диапазоне. Для снижения потребляемой мощности могут использоваться различные режимы работы процессора, что может снизить его потребление в системе более чем в десять раз. Все это позволяет применять RAD750 в космических системах и аппаратах.

Литература

  1. http://www.bae-radhard.ru/gpage2.html
  2. http://en.wikipedia.org/wiki/Dhrystone
  3. Попович А. Технология R25 против радиации: новые продукты на российском рынке электроники для космических аппаратов // Компоненты и технологии. 2009. № 12.
  4. http://www.aerof lex.com/ams/pagesproduct/datasheets/UT699LEON3FTDatasheet.pdf
  5. http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/cometletter_1106.pdf
  6. http://www.eetimes.com/news/latest/showArticle.jhtml?articleID=223101459

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке