Agli occhi dei non esperti, gli Sbc sembrano essere diventati una sorta di commodity e in una certa misura ciò è vero. Rispetto al passato, i progettisti di Sbc si trovano di fronte a un maggior numero di decisioni già prese; nei suoi modelli 8640 e 8640D, ad esempio, Freescale ha integrato il processore, controllo della memoria e controllo degli I/O in un unico componente in silicio, privando i progettisti dell'opportunità di dimostrare la propria bravura nell'ottimizzare l’integrazione fra tali elementi. Analogamente, Intel offre da tempo manuali di riferimento per le configurazioni il cui funzionamento è garantito, a condizione di seguire alla lettera la procedura indicata; oltre a indicazioni sui dispositivi da utilizzare e sulle relative combinazioni, queste procedure comprendono istruzioni dettagliate sull'instradamento dei collegamenti più sensibili ad alta velocità, come il bus fra la memoria e il suo controllore. Questi manuali aiutano molto nella progettazione, anche se ai profani potrebbe sembrare che le attività di progettazione, un tempo stimolanti, si siano ormai ridotte a "unire fra loro i puntini". L'integrazione su silicio migliora le prestazioni e riduce i costi ma può dare l'impressione di limitare le opportunità di cui chi progetta le schede, di distinguere i suoi prodotti da quelli della concorrenza, poiché tutti usano gli stessi chipset. Da dove nasce quindi la diversificazione? La spiegazione risiede nel fatto che anche gli approcci basati su componenti in silicio altamente integrati o su "manuali" offrono prestazioni e funzioni non tanto reali, quanto potenziali. La diversificazione nasce, non dalla capacità di fare funzionare le schede, ma da quella di sfruttare al meglio le funzioni disponibili, estrinsecando tutte le prestazioni offerte e mettendo il tutto a disposizione degli utilizzatori in modo facilmente accessibile da un punto di vista sia hardware che software. Per i progettisti di talento esistono ancora possibilità di carriera, in quanto continuano ad esservi numerosi modi per diversificare gli Sbc in termini di strutture integrate, di switch seriali, di fattori di forma e architetture, I/O, sistemi operativi e così via.
La rivoluzione delle strutture integrate di interruttori seriali
L’elemento responsabile, più di ogni altro, della trasformazione del mercato dei computer Sbc è stato forse l'avvento dei switch fabric seriali, soluzione ormai ben conosciuta e apprezzata, rimane però il fatto che soltanto un'esigua minoranza di applicazioni militari ne fa uso. È difficile valutare con esattezza l'importanza di queste strutture, in quanto esse sono ormai divenute, più di qualunque altro parametro di progettazione, il punto di partenza e la forza motrice dello sviluppo dei nuovi computer single-board. Risulta forse meno chiaro, tuttavia, in quale modo ciascuna dei principali switch fabric possa essere applicato al meglio nelle varie tipologie di sistema. Gigabit Ethernet gode, ad esempio, del vantaggio di essere onnipresente e di potersi collegare immediatamente a un numero praticamente infinito di apparati finali (il limite superiore in teoria è quattro miliardi, con la versione IPV4) tramite cablaggi Cat-5e, semplici ed economici. Una soluzione di questo tipo, d'altro canto, utilizza molti cicli di Cpu (fino all'80% in un processore Freescale 8641 a 1 GHz) inoltre, numerose applicazioni richiedono una bassa latenza che Ethernet non è in grado di garantire in quanto la sua latenza è variabile, in generale nell'ordine di centinaia di millisecondi. Pci Express è eccellente per collegare fra loro molte periferiche a banda larga, per le quali è attualmente disponibile un'ampia scelta di componenti; per le comunicazioni peer-to-peer, essa richiede notevoli attività di configurazione software (offrendo ai fornitori un'opportunità di diversificare), mentre per un funzionamento efficiente è comunque meglio mantenere il numero di peer entro un valore modesto, in pratica fra quattro e otto. Serial Rapid IO offre, viceversa, una scalabilità di espansione nettamente migliore per le comunicazioni peer-to-peer, con caratteristiche vantaggiose come le dimensioni limitate dei pacchetti (fino a 256 byte), grazie al quale si ottiene una riduzione, tipicamente di un fattore quattro rispetto a Ethernet, della latenza di accesso alla memoria, doorbell, caselle postali e così via. Risulta inoltre molto più semplice anche la configurazione software, ma la scelta a disposizione dei componenti raggiungerà difficilmente quella disponibile per Pci Express, che ha ormai raggiunto una diffusione a livello di massa. Le tre strutture non si escludono in alcun modo vicendevolmente. È, ad esempio, possibile concepire sistemi ad elevate prestazioni con Pci Express per il collegamento degli Adc ad alta velocità, Serial Rapid IO per i trasferimenti fra i nodi all'interno di un sistema back-end multiprocesso ed Ethernet per l'invio dei risultati a un computer host per la visualizzazione. Con ogni probabilità, quando ha integrato tutte e tre le strutture nei processori 8640 e 8640D, Freescale aveva in mente quest’architettura applicativa altamente tipica.
Fattori di forma e architetture essenziali
La scelta del fattore di forma è essenziale per sfruttare al meglio le strutture integrate disponibili. Molti progettisti di sistemi militari/aerospaziali scelgono attualmente l'architettura di sistema Vpx, in quanto essa è imperniata in modo intrinseco sulle strutture integrate e dispone di connettori con un'ampiezza di banda pari a 6,25 Gbit/secondo, oppure l'architettura Vxs quando è richiesto un ponte immediato con applicazioni preesistenti. Questa transizione dalle architetture a bus a quelle punto-punto è destinata a rendere pienamente disponibili i vantaggi degli attuali processori in termini di prestazioni. La scelta dell'architettura dei processori dipende tuttavia spesso dalla situazione pregressa. La preferenza viene spesso accordata a PowerPc per via dell'enorme numero di sistemi basati su PowerPc già installati, per i quali è impensabile un impegno di conversione di rilievo. Nei mesi scorsi, tuttavia, Intel ha senza dubbio fatto parlare di se con i suoi processori Core 2 Duo e Xeon a quattro core a 2 GHz, basati sul core Penryn e con processo a 45 nm. L'assenza di un supporto per l’architettura Serial Rapid IO ha tuttavia consentito al processore PowerPC di rimanere, a tutt'oggi, la scelta principale nelle applicazioni multiprocesso in cui sono richieste comunicazioni ad alta velocità fra i nodi, anche in ambienti privi di sistemi preesistenti. Freescale, nel frattempo, ha piani ambiziosi per l'architettura PowerPc, proponendo la famiglia di processori QorIQ, basati anch'essi su un processo a 45 nm (con progetti per scendere a 32) e sul core Power Architecture e500mc; stando ai piani, i processori QorIQ saranno in grado di supportare fino a otto core e di assicurare la compatibilità del software con la piattaforma PowerPc. L'obiettivo di Freescale consiste nel portare il consumo dei processori a elevate prestazioni sotto i 30 W, un valore che è musica per le orecchie di molti di coloro che sviluppano elaboratori embedded per scopi militari.
Una questione di I/O
Oltre che sui fattori già ricordati, la diversificazione hardware si concentra in misura crescente sugli I/O, un elemento di primaria necessità per molti clienti, visto che nella maggior parte dei casi il livello delle prestazioni di elaborazione è più che adeguato. Per aumentare al massimo il numero di opzioni a disposizione degli utenti, i progettisti adottano combinazioni innovative di connettori anteriori e posteriori. Fra gli schemi preferiti figurano l'uso di connettori di I/O miniaturizzati a più contatti con un ingombro limitato sul pannello anteriore ma in grado di dare accesso a numerose funzioni tramite un semplice cavo adattatore e l'impiego di funzioni multiplate sui contatti di I/O posteriori; queste funzioni possono essere selezionate per via hardware o software in modo da personalizzare gli I/O delle schede in base al profilo richiesto dall'utente. Alcuni fornitori offrono inoltre moduli che modificano o integrano le funzioni delle schede esistenti. È ad esempio possibile creare un modulo collegabile a una serie di computer Sbc per aggiungere funzioni a norma MIL-STD-1553, SCSI e di grafica, nonché memoria flash supplementare o qualunque altra funzione richiesta dal cliente. Ciò consente di creare facilmente prodotti personalizzati a partire da articoli Cots; il prodotto personalizzato rimane a tutti gli effetti Cots. Un esempio in tal senso è costituito dal modulo Afix (Additional Flexible Interface Extension) di GE Fanuc.
Sistemi operativi: una fonte di differenziazione
La diversificazione dei computer Sbc non riguarda soltanto l'hardware. Le notevoli capacità di quest'ultimo in termini di funzioni e configurabilità offrono un’ottima base per creare ulteriore valore aggiunto con il software, in parte per supportare le soluzioni Cots di terzi, come sistemi operativi o servizi a più livelli e in parte per realizzare una stretta integrazione con l'hardware di un fornitore di Sbc, in modo da offrire la soluzione più efficiente. L'aumento della concorrenza fra i fornitori di dispositivi che operano in tempo reale, la diffusione di Linux per l'implementazione dei sistemi militari/aerospaziali e il marcato spostamento verso le architetture Intel hanno dato vita, nel loro complesso, a una situazione in cui l'ampiezza di ambienti software supportati è essenziale almeno quanto quella degli hardware supportati. I fornitori di hardware hanno la possibilità di diversificarsi per la capacità di mettere in relazione configurazioni e operatività hardware ottimali con i meccanismi interni specifici di qualunque sistema operativo. Analogamente, è essenziale ottimizzare le utility hardware tramite ulteriori Api; i sistemi operativi definiscono in modo formale soltanto un sottoinsieme delle interfacce hardware richieste tipicamente in ambito militare/aerospaziale. Un'ulteriore diversificazione deriva dalla capacità di potenziare il funzionamento di pacchetti a livelli come OpenGL, le suite di visualizzazione di livello superiore, i middleware per le comunicazioni, la configurabilità delle strutture integrate e così via. È inoltre possibile ampliare i firmware di avvio mediante servizi di manipolazione flash, opzioni di avvio rapido, funzioni di protezione o modalità di manutenzione.
Esiste una sola scelta?
È un semplice dato di fatto che per i fornitori di computer Sbc non esiste in realtà un'unica scelta ma una matrice di diverse soluzioni, pertanto privilegiare uno fra i numerosi produttori di processori, fattori di forma, architetture di sistema, sistemi operativi e strutture integrate seriali possibili comporta come minimo il rischio di supportare una scelta perdente oppure, per i fornitori, vincolarsi a servire soltanto nicchie di mercato molto piccole e definite in modo rigido. Per soddisfare la maggior parte delle esigenze del mercato militare, occorre sviluppare nuovi prodotti che coprano l'intera matrice, un'impresa alla portata di un numero relativamente limitato di produttori di Sbc. I principali clienti del settore militare si attendono, e in realtà richiedono, di poter acquistare soluzioni Cots personalizzate in funzione delle loro specifiche esigenze; benché possa sembrare una contraddizione in termini, tale possibilità diventa sempre più reale al crescere dell'ampiezza dell'offerta di prodotti di un fornitore. La scheda multi-processore Vxs DSP220 di Ge Fanuc è stata, ad esempio, una semplice rielaborazione di quella Vpx DSP230, identica a tutti gli effetti, salvo per i connettori edge. Grazie al costante impegno profuso dai fornitori per sviluppare a tutto campo le loro linee di prodotti Sbc, basati su standard e per diversificarle in modo sempre più creativo e appropriato, la situazione è propizia per consentire ai clienti di acquistare anche in futuro computer single-board che rispondono esattamente ai loro requisiti.
