Leistungsunterschied RAD5500 und der RAD750

Hallo,
kann mir jemand die unterschiedliche Leistungsfähigkeit folgender radiation hardened Hardware erklären, vor allem so, dass man sie direkt vergleichen kann?

Die Prozessor-Familie RAD5500 und der RAD750 (der Begriff beschreibt den ganzen Computer)

Laut Wikipedia hat der RAD750 eine "Max. CPU clock rate: 110 MHz  to 200 MHz".
Laut Wikipedia weist der bspw. RAD5545 eine Leistung von "5.6 giga-operations per second (GOPS) and over 3.7 GFLOPS" aus.

Lässt sich das überhaupt sinnvoll (für einen Laien) vergleichen?

Und noch eine Frage: Was ist denn derzeit Leistungs-Stand der Dinge hinsichtlich von "space-proved" Prozessoren?

Gruß

Peter

Hallo,

der RAD750®-Prozessor von BAE basiert auf der 32-Bit PowerPC 750 RISC-Architektur (https://en.wikipedia.org/wiki/PowerPC_7xx) der 3. PowerPC Generation. (Diese kommerziellen Prozessoren wurden z.B. in den bunten iMacs Ende der 90er Jahre verbaut: https://en.wikipedia.org/wiki/IMac_G3).

Im wesentlichen beinhaltet er zwei Level-1 Caches (je 32kBytes), die Unterstützung eines externen L2-Caches von bis zu 1Mbyte, eine zweite Interger-Unit, eine Gleitkomma-Unit usw. Es gibt diesen wiederum in drei Generationen von 132 MHz Taktfrequenz (RAD750® V1) bis zu neuerdings 233 MHz (RAD750® V3): http://www.baesystems.com/en-us/download-en-us/20170302134718/1434554723601.pdf

Die Rechenleistung ist in etwa vergleichbar mit der eines Intel Pentium II-Prozessors aus der gleichen Zeit. D.h. je nach Taktfrequenz und Anbindung des Arbeitsspeichers sollte sie für Integer-Operationen (Ganzzahlen) bei ca. 200...400 MIPS (Million Operations Per Second) liegen - es werden ca. 200000000...400000000 Maschinenbefehle pro Sekunde ausgeführt. Über die Leistungsfähigkeit der Gleitkomma-Unit kann ich nicht viel sagen.

Das Besondere an diesem Prozessor ist, dass er für die spezifischen Weltraumbedingungen ausgelegt wurde, d.h. neben der erhöhten Zuverlässigkeit in dem erweiterten Temperaturbereich von -55°C bis +125°C ist er auch relatv resistent gegen ionisierende Strahlung (V1: 100 krad, V2: 1 Mrad) und Single Event Effects (Latch-up unempfindlich, relativ unempfindlich gegen SEU, SEFI, ...):
https://landandmaritimeapps.dla.mil/Downloads/MilSpec/Smd/08229.pdf
https://landandmaritimeapps.dla.mil/Downloads/MilSpec/Smd/12229.pdf

Im Gegensatz zu dem puren RAD750®-Prozessor ist die 64-Bit RAD5500™-Reihe von BAE eine System-on-Chip-Lösung. D.h. neben dem(n) eigentlichen Prozessorkern(en) gibt es noch diverse I/O und Funktionen auf dem Chip wie DDR2/3 SDRAM-Controller, SRAM/EEPROM-Controller, NAND Flash-Controller, PCI-Interface, 16 SpaceWire Links mit Router, 4 Serial Rapid I/O Ports, SerDes, SPI, Security Encryption Engine, L1/L2/L3-Caches, usw. Das spart aufwendige Peripherie bzw. einen (sehr) teuren FPGA.

BAE gibt für diese Reihe eine etwa 10-mal höhere Rechenleistung im Vergleich zum RAD750®-Prozessor an:
RAD5510™: 1 Prozessorkern, bis zu 700 MIPS / 466 MFLOPS (Millionen Gleitkommaoperationen pro Sekunde)
RAD5515™: 1 Prozessorkern, bis zu 1400  MIPS / 900 MFLOPS
RAD5545™: 4 Prozessorkerne, bis zu 5600 MIPS / 3700 MFLOPS bei optimaler Auslastung aller vier Kerne

Bei Verwendung der "RADSPEED"-Host Bridge kann die Rechenleistung entsprechend bis auf ca. 70 GFLOPS (70000 MFLOPS) skaliert werden. https://en.wikipedia.org/wiki/RAD5500.

Ich habe keine Kenntnis, ob der RAD5500™ bereits irgendwo eingesetzt wird - ich bin mir auch nicht sicher, inwieweit qualifizierte Bauteile bereits verfügbar sind. Dahingegen ist der RAD750® eine Art Standard-Prozessor in der amerikanischen Raumfahrt und wurde/wird in diversen Raumfahrtmissionen eingesetzt (laut Wikipedia):
- Deep Impact comet chasing spacecraft, gestartet im Januar 2005 - erster Einsatz eines RAD750 Computers
- XSS 11, small experimental satellite, gestartet am 22.April 2005
- Mars Reconnaissance Orbiter, gestartet am 12.August 2005
- SECCHI (Sun Earth Connection Coronal and Heliospheric Investigation) instrument package, STEREO spacecraft, gestartet am 25.October 2006
- WorldView-1 satellite, gestartet am 18. September 2007 (2 RAD750-Prozessorten)
- Fermi Gamma-ray Space Telescope (GLAST), gestartet am 11. Junie 2008
- Kepler space telescope, gestartet im March 2009
- Lunar Reconnaissance Orbiter, gestartet am 18.Junie 2009
- Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) gestartet am 14.Dezember 2009
- Solar Dynamics Observatory, gestartet am 11.Februar 2010
- Juno spacecraft, gestartet am 5.August 2011
- Curiosity rover, gestartet am 26.November 2011
- Van Allen Probes, gestartet am 30.August 2012

In Europa ist mir der RAD750® noch nicht untergekommen, geschweige denn der RAD5500™ - ich kann zu deren Nutzung in Europa daher nichts sagen. In der Regel werden hier andere Lösungen bevorzugt. Üblichwerweise wird ein relativ "schmalbrüstiger" Prozessor verwendet. Für aufwendige Datenverarbeitungsaufgaben (z.B. Bildverarbeitung, RADAR...) benutzt man FPGAs. Diese Lösung ist in der Regel kostengünstiger (für den RAD750®-Prozessor werden US$ 200000 genannt) und teilweise auch günstiger im Stromverbrauch (verfügbare elektrische Leistung und Abwärme sind üblicherweise sehr limitiert.) Gängige Prozessoren sind hier:

- ERC32-Prozessor: ESA-Entwicklung, basiert auf SPARC V7-Architektur, als Prozessor von Atmel erhältlich (TSC695F), wird eigentlich nur noch in alten Designs verwendet: 20 MIPS/5MFLOPS @25MHz (25MIPS Peak), 300 krad, Latch-up unempfindlich, mit eingebauten EDAC.

- LEON/LEON2/-FT-Prozessor, ESA-Entwicklung basiert auf SPARC V8-Architektur, als IP-Core frei erhältlich (GNU), von Atmel als LEON2-Prozessor angeboten (AT697)

- LEON3/-FT & LEON4/-FT: Von COBHAM Gaisler entwickelt auf Basis der SPARC V8-Architektur, gibt es als VHDL-Bibliothek als auch als ASIC von Gaisler:
   * LEON3: bis zu 125 MHz in FPGA-Design / 400 MHz in 0.13µm ASIC, bis zu 1.4MFLOPS/MHz (Dhrystone)
   * LEON4: bis zu 125 MHz in FPGA-Design / 1500 MHz in 32nmm ASIC, bis zu 1.7MFLOPS/MHz (Dhrystone)
   * LEON-RTG4: Enticklungskit zur Integration von LEON3- und LEON4-Cores in den strahlungsgehärteten RTG4-FPGA von Microsemi
   * UT699: ein von COBHAM Aeroflex gefertigter LEON3-Prozessor, bis zu 100/300 krad strahlungsfest
http://gaisler.com/index.php/products/processors
https://landandmaritimeapps.dla.mil/Downloads/MilSpec/Smd/08228.pdf

Ansonsten wird auch gerne versucht, kommerzielle Prozessoren zu verwenden. Dabei sind aber durch die verfügbare elektrische Leistung als auch die abführbare Wärmeleistung und natürlich durch Strahlungseffekte (insbesondere Single Event Effects) enge Grenzen gesetzt. Eine Möglichkeit, um kommerzielle Prozessoren einzusetzen ist z.B. die Verwendung von TMR. Dabei werden drei gleiche Prozessoren parallel verwendet, der Output geht durch einen Voting-Mechanismus. Falls einer der Prozessoren von den anderen beiden abweicht, wird dessen Ergebnis verworfen, der betroffene Prozessor mit den anderen beiden synchronisiert. Dies ist technisch ziemlich anspruchsvoll, DDC (früher Maxwell) bietet z.B. einen Einplatinen-Computer auf Basis kommerzieller PowerPC 750FX™ an (SCS750®). Diese werden bis zu 800 MHz getaktet und leisten dann bis zu 1800 MIPS. http://www.ddc-web.com/Products/Microelectronics/images/documents/SCS750_rev8_r6.pdf

Eine interessante Möglichkeit wäre natürlich auch, Smartphone-Prozessoren zu verwenden. Diese zeigten sich leider bisher als ziemlich strahlungsempfindlich, ihr eingeschränkter Temperaturbereich (0°C...70°C) sowie diverse Zuverlässigkeitsprobleme mit den verwendeten Bauteilegehäusen und der Anbindung des Arbeitsspeichers schließen diese praktisch für die meisten Weltraumanwendungen aus. Aber wer weiß was noch kommt?

Man sollte noch betonen das in vielen Weltraumanwendungen einfach nicht sehr viel Leistung erforderlich ist. Bei der Steuerung und Regelung der Systeme eines Raumfahrzeugs aber in der Regel auch für Kommunikationsaufgaben muss man keine großartigen Datenmengen verarbeiten, schon gar nicht zeitkritisch. Rechenleistung auf dem Niveau eines 20 Jahre alten PCs ist meist völlig ausreichend.

Bestimmte spezifische Aufgaben wie etwa das Komprimieren von gesammelten Daten, speziell von Bildern, erfordern relativ viel Leistung, hier wird auch oft mit relativ großen Datenmengen gearbeitet aber diese Aufgaben werden dann eben auf anwendungsspezifische Signalprozessoren oder auf anwendungsspezifisch konfigurierte FPGAs ausgelagert.

Relativ viel Rechenleistung benötigt man fallweise für KI-Systeme die autonom auf ihre Umwelt reagieren, etwa ein Rover dem man nur sagen muss wo er ungefähr hinfahren soll und der dabei selbstständig Hindernissen ausweicht und interessante Objekte auswählt und untersucht auch wenn die Funkverbindung zur Erde gerade sehr schlecht ist. Solche Systeme gibt es ja auch bereits aber sie sind eher die Ausnahme als die Regel. Ein normaler Erdbeobachtungs- oder Telekommunikationssatellit braucht sowas nicht, die meisten Raumsonden auch nicht. Daher ist die Entwicklung leistungsstarker aber gleichzeitig strahlenresistenter Prozessoren für diese Anwendung eine kleine Niesche. Es gibt allerdings auch militärische Systeme die eine reaktionsschnelle KI beinhalten die oftmals auf einer strahlenresistenten Plattform funktionieren soll- das ist vermutlich auch die wichtigste Triebfeder bei der Entwicklung leistungsstarker strahlengehärteter Computer und gleichzeitig einer der Gründe dafür das einige der leistungsfähigsten Systeme auf den ersten Blick nirgendwo eingesetzt werden.

Naja, es gäbe genug Interesse an mehr Leistung, denn das erlaubt eine höher Abstraktionsstufe beim Programmieren was automatisch einfacheren, billigeren und weniger fehlerbehafteten Code bedeutet. Was fehlt, ist der Massenmarkt. Mit den paar Abnehmern für strahlungs- und temperaturunempfindliche Chips sind die Entwicklungskosten pro Stück einfach viel zu hoch. Das sieht man ja gut an den von TheMarvin genannten Spezifikationen. Ein geeigneter Prozessor mit der Leistung, die man vor 20 Jahren im Consumer Bereich hatte für 200.000 Dollar. 

Der größte Kostentreiber ist wohl der Umstand das die "strahlengehärteten" Chips in der Regel in angepassten Herstellungsprozessen in eigenen Fertigungsanlagen hergestellt werden (müssen). Diese Fertigungsanlagen sind sehr teuer.

Was man auch nicht vergessen sollte ist allerdings der Umstand das sich die Strahlenresistenz normaler Consumer Chips zum Teil erheblich unterscheidet. Da gibt es wesentlich bessere und schlechtere. Und auch (in dieser Hinsicht) wesentlich bessere und schlechtere Fertigungsverfahren. Leider existieren dann in der Regel keine entsprechenden Spezifikationen und die Tauglichkeit nachträglich zu verifizieren ist aufwendig und teuer. Dennoch gibt es immer mehr Firmen die diesen Weg gehen wenn sie relativ viel Rechenleistung benötigen, bekannt ist etwa SpaceX.

Auch bedenken sollte man das es durch Abschirmung möglich ist die Strahlenbelastung der Komponenten stark zu reduzieren.

Der größte Kostentreiber ist wohl der Umstand das die "strahlengehärteten" Chips in der Regel in angepassten Herstellungsprozessen in eigenen Fertigungsanlagen hergestellt werden (müssen). Diese Fertigungsanlagen sind sehr teuer.

Prinzipiell wird jeder mikroelektronische Chip mit "angepassten" Herstellungsprozessen (Recipes) gefertigt. Es gibt auch keine dedizierten Fertigungsanlagen die speziell für Radiation Hardening ausgelegt sind. Derartige Schaltkreise werden genau wie andere Halbleiterprodukte auf existierenden Standardanlagen gefertigt.
Was die Kosten vielmehr treibt, ist die geringe Anzahl gefertigter Chips im Vergleich zu den Herstellungskosten (Design, Fotomasken, mehr oder weniger exotische Substrate und Packagingverfahren, etc.).
Das macht die Dinger so teuer und Massenprodukte wie Speicherchips und selbst Cutting-Edge-Mikroprozessoren (trotz der teilweise mehrmonatigen Fertigungszeit in der Linie) letztlich ja auch so günstig.

Zitat von: Dominic am 22. September 2017, 13:28:54

Der größte Kostentreiber ist wohl der Umstand das die "strahlengehärteten" Chips in der Regel in angepassten Herstellungsprozessen in eigenen Fertigungsanlagen hergestellt werden (müssen). Diese Fertigungsanlagen sind sehr teuer.

Prinzipiell wird jeder mikroelektronische Chip mit "angepassten" Herstellungsprozessen (Recipes) gefertigt. Es gibt auch keine dedizierten Fertigungsanlagen die speziell für Radiation Hardening ausgelegt sind. Derartige Schaltkreise werden genau wie andere Halbleiterprodukte auf existierenden Standardanlagen gefertigt.
Was die Kosten vielmehr treibt, ist die geringe Anzahl gefertigter Chips im Vergleich zu den Herstellungskosten (Design, Fotomasken, mehr oder weniger exotische Substrate und Packagingverfahren, etc.).
Das macht die Dinger so teuer und Massenprodukte wie Speicherchips und selbst Cutting-Edge-Mikroprozessoren (trotz der teilweise mehrmonatigen Fertigungszeit in der Linie) letztlich ja auch so günstig.

Jein... man kann natürlich auch auf Basis normaler Prozesse einiges machen um die Strahlenresistenz von Chips zu verbessern, etwa Fehlerkorrekturmechanismen um single event Effekte zu korrigieren oder eine etwas angepasste Materialwahl, etwa Verzicht auf Bor-10 oder Wolfram.

Ein großes Verbesserungspotenzial liegt aber auch in Prozessen und Materialien die in der konventionellen Mikroelektronik relativ unüblich sind. SoI anstelle von konventionellen Schaltkreisen auf Silizium-Wafern, Halbleitermaterialien mit größerer Bandlücke wie etwa SiC oder GaN können der Strahlenbelastung besser dauerhaft widerstehen. Natürlich: Vielfach kann man immer noch auf die selben Geräte zurückgreifen wie in der normalen Fertigung. Ein Reinraum als solcher ist etwa ebenso gleich wie die Belichtungstechnik oder Geräte zum Auftragen von Materialschichten. Aber das Verfahren ist am Ende fallweise doch erheblich angepasst und kann nicht ohne weiteres mal eben nebenbei in einer normalen FAB die primär normale Schaltkreise herstellt umgesetzt werden.

Ich hatte selbst bereits die Ehre in einer dieser Fabs längere Zeit zu arbeiten.
Wie du schon gesagt hast, sind die Fertigungsprozesse prinzipiell identisch (Schichtaufbau, Belichtung, Ätzen, etc.) aber angepasst. Trotzdem sind die Fertigungsanlagen für strahlungsresistente Halbleiter keine besonderen, die es nur für für diesen Anwendungsbereich gibt. In einer modernen Fab, in der die Linie ja auch schon ständig zwischen unterschiedlichen Produkten umgeschaltet wird, wird man solche Schaltkreise trotzdem eher nicht finden.
Das liegt aber primär daran, dass der Bedarf solcher Chips (bezogen auf die Stückzahl) so gering ist, dass es sich aus Kostengründen nicht einmal lohnt, auf der aktuellen Wafergröße zu fertigen (wegen ein oder zwei Losen rüstet man heute keine Linie um) und man dabei eher auf die letzte bis vorletzte Generation zurückgreift. Gleiches gilt für die Anforderungen an die Fertigungsanlagen. Prozesstechnisch möglich wäre es aber auch in einer modernen Fab solche Schaltkreise herzustellen, da es eben keiner Spezialanlagen bedarf. Darauf wollte ich eigentlich hinaus.