CC BY
83Александр ПОПОБИЧ
Info@BAE-RH.ru
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 °С, 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.
Мы специально выбрали процессоры, потребляющие не больше, чем RAD750, и отсортировали данные таблицы по потребляемой мощности, чтобы яснее проиллюстрировать тот факт, что сравнивать надо
Рис. 1. Внешний вид микросхемы процессора RAD73G
Процессор RAD750
в системах с ограниченным бюджетом мощности
«Предрассудок есть мнение, не основанное на рассудке».
Вольтер
В последнее время благодаря усилиям официального представительства фирмы BAE-Electronics для отечественных производителей бортовой аппаратуры стал доступен радиационно-стойкий процессор РАР750 (рис. 1). 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...
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 процес-
соре 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.
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
Таблица 1. Сравнительные характеристики процессоров
Производитель р о ф о р П Троированная логика ч Т к ь ос к той Ст Тактовая частота, МГц Потребление, Бт Производительность Dhrystone 2.1, MIPS Удельная производительность, DS MIPS/Бт
BAE RAD73G да да 132 3 26G 32
Aeroflex UT699 - да 66 3 33 11
Intel 486DX - - 33 4,3 23 6
AMD Am292GG - - 16 1,1 6
Freescale MPC333 - - 4G 1 62,39 63
Motorola MC68349 - - 23 G,96 8
Freescale MCF3272 - - 66 G,9 63 7G
ARM ARM73GGFE - - 4G G,8 36,4 46
ARM ARM73GG - - 33 G,68 3G 44
ARM ARM7TDMI - - 2G G,G4 14 389
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 8 '2010
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].
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 потре-
Таблица 2. Радиационно-стойкие процессоры
Производитель Процессор Потребление, Вт Производительность в тесте DS2.1, MIPS Удельная производительность, MIPS/Вт Архитектура Доза, Мрад s 's ah s Ш _i Ш S
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 6 о о 50 PowerPC 750 0,1 92
Aeroflex UT699 5,5 75 14 SPARC V8 0,3 108
бление 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 АТ697Б, нормированной при дозах ниже 100 крад? С другой стороны, абсолютная производительность процессора ВАЕ более чем в три раза превышает производительность процессора А^е1. 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 °С 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.aeroflex.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
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 8 '2010
www.kit-e.ru
