Процессор RAD750 в системах с ограниченным бюджетом мощности

«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

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

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