Российская электроника на марше

Введение

Ещё со времён перестройки стало общим местом упоминать о российской электронике исключительно в рубриках «Легенды и мифы» или «Курьёзы». Более того, широко распространялась точка зрения, согласно которой эта отрасль вообще России не нужна, поскольку в рамках международного разделения труда она сосредоточена существенно юго-восточнее наших краёв. Жизнь, впрочем, поправила эти воззрения, и медленно, но верно российские компании отвоёвывают своё место на различных уровнях рынка радиоэлекроники – от микросхем до готовых к применению аппаратных платформ. ЗАО «НПФ «ДОЛОМАНТ» – один из лидеров этого поступательного движения, достижениям которого по направлению заказных разработок и посвящена данная статья.
Электроника проникла во все сферы жизни человека. От выполнения вспомогательных функций искусственный интеллект давно шагнул к равноправному сотрудничеству с человеком, а кое-где и полностью его заменил.
С каждым годом растёт уровень сложности автоматизируемых функций, ужесточаются требования к скорости и точности исполнения, а на саму электронику отводится всё меньше места. Разработчикам автоматизированных систем как воздух необходимы вычислители для выполнения специализированного набора функций в далёких от комфорта условиях – от ледяных торосов до песков пустынь.

Как шьют электронику «по фигуре»

ЗАО «НПФ «ДОЛОМАНТ» – российская компания, коллектив которой уже более 15 лет трудится на ниве разработки и производства современной высокопроизводительной электроники для жёстких условий эксплуатации – АСУ ТП, транспорта и спецприменений. Сверхзадачей руководства и клю­чевых сотрудников все эти годы было находиться на переднем крае высоких технологий, создавая защищённые вычислительные модули и системы, способные конкурировать с лучшими зарубежными образцами. Компания ориентирована на мелко- и среднесерийное производство высокотехнологичной электроники для ответственных применений, как по собственной конструкторской документации, так и по КД заказчика (контрактная сборка). Для разработки изделий и оформления документации в соответствии с правилами, установленными системой государственных стандартов России, в компании создано специальное конструкторское бюро (СКБ) и выстроена система менеджмента качества, проходящая регулярный аудит у аккредитованных организаций. Заказные разработки «ДОЛОМАНТ» ведутся специально выделенным подразделением СКБ, ориентированным на плотную работу с заказчиками, максимальный учёт специфики прикладной задачи и тщательную проработку технических требований к конечному изделию. Деятельность отдела заказных разработок осуществляется в тесном контакте с другими подразделениями СКБ, отвечающими за разработку серийных аппаратных платформ в стандартизованных форм-факторах, таких как РС/104, COM Express, CompactPCI и других (рис. 1). 

Для минимизации сроков выполнения работ и сокращения рисков, связанных с неизбежными ошибками при проектировании сложной радиоэлектронной продукции с нуля, специалисты компании всегда сначала стараются решить задачу путём модификации уже существующего изделия с литерной конструкторской документацией, в том числе техническими условиями. В этом случае опытный образец поступает заказчику уже через 2–3 месяца, а ещё через квартал проект может быть выполнен целиком. Минимальная партия выпуска модифицированного изделия, как правило, приравнивается к аналогичной цифре для базового исполнения и для модулей стандартных форм-факторов составляет 50 штук. 
Типовыми вариантами модификации являются:

• удаление части компонентов (без изменения печатной платы) для снижения стоимости модуля;
• удаление части разъёмов для обеспечения механической совместимости модуля с другими компонентами системы;
• замена разъёмов с общеиндустриальных на специальные (как правило, винтовые);
• изменение номинала входного питания (для корпусированных изделий);
• изменение комплекта поставки с включением в него ответных частей интерфейсных разъёмов.

Модификация совершенно не обязательно бывает связана с какими-либо аппаратными изменениями. Очень распространены обращения с просьбой внести изменения в BIOS для обеспечения совместимости с существующим программным обеспечением или выполнения специальных функций.
В этом случае после тестирования на стороне заказчика версия BIOS фик-сируется в номере заказа и при последующих заказах не меняется вне зависимости от текущих обновлений на серийном устройстве. Зачастую неизменность BIOS (и прошивок других микросхем, входящих в комплектацию изделия) сама по себе является требованием конечного заказчика, реализация этих требований также возможна по описанной схеме, плюс создание складских запасов электронных компонентов для гарантии неизменности комплектации на весь срок жизни изделия. 
Все изделия «ДОЛОМАНТ» выпускаются в строгом соответствии с техническими условиями, где устанавливаются требования как к их функциональным возможностям, так и к условиям эксплуатации: диапазону рабочих температур, стойкости к механическим воздействиям и тому подобному. Как правило, вычислители и платы расширения по ТУ должны оставаться работоспособными в так называемом индустриальном диапазоне температур от –40 до +85°C. Для многих реальных применений этого недостаточно, например, на железной дороге часто встречается ситуация вымораживания, когда локомотив стоит в нерабочем состоянии в течение нескольких дней при температуре существенно ниже –40°C, но при подаче энергии он должен поехать в течение 20–30 минут со всеми бортовыми системами, работающими как ни в чём не бывало… Для подобных случаев «ДОЛОМАНТ» выпускает для заказчиков заказные модификации модулей и корпусированных систем, отличающихся от серийных набором и параметрами приёмо-сдаточных испытаний, гарантирующими применимость электроники в особо жёстких условиях эксплуатации.
Технические условия распространяются только на зафиксированные в них исполнения изделия, поэтому при создании модифицированного варианта между заказчиком и ЗАО «НПФ «ДОЛОМАНТ» подписывается специальный документ – «Решение о поставке», в котором фиксируются все отличия заказного исполнения от предусмотренных ТУ. Номер заказного исполнения формируется слиянием одного из серийных с уникальным суффиксом \Тххх, что в сочетании с «Ре-шением о поставке» позволяет однозначно определять и производить изделие в соответствии с требованиями заказчика.
Обсуждая тему жёстких условий эксплуатации, нельзя не упомянуть о наиболее распространённом факторе, быстро выводящем из строя любую бытовую электронику, – выпадении росы при резкой смене температур или высокой влажности. 
Защита от этой неприятности обеспечивается покрытием печатных плат модулей специальным лаком, устойчивым к смене температур и гарантирующим изолированность контактов микросхем вне зависимости от наличия влаги на их поверхности. С учётом широкого распространения требования влагозащиты компания «ДОЛОМАНТ» перевела эту модификацию в разряд штатных. Опция\COATED доступна практически для всей номенклатуры изделий и не рассматривается как заказное исполнение. Тем не менее, в силу технологических особенностей процесса нанесения защитного покрытия минимальная производственная партия изделий \COATED составляет 10 штук.
Вторым по привлекательности подходом к проектированию заказных изделий является использование мезонинных решений на основе систем на модуле. 
Компания «ДОЛОМАНТ» имеет в своей номенклатуре «джентльменский набор» СОМ-модулей различных типоразмеров, испытанных как по ТУ, так и в многочисленных клиентских приложениях (рис. 2).

Применение их в новых проектах проходит по накатанной схеме с гарантированными сроками (6–9 месяцев) достижения нужного результата. 
Ускорению разработки также способствует наличие специальных комплектов разработчика, позволяющих специалистам заказчика, во-первых, заранее оценить возможность применения того или иного СОМ-модуля, а во-вторых, вести полноценную разработку прикладного программного обеспечения параллельно с разработкой базовой платы. С учётом необходимости проводить ОКР по разработке базовой платы типовая минимальная серийность проектов по мезонинной технологии нахо­дится на уровне 100 штук. 

Не Интелом единым…

Особенностью стратегии развития «ДОЛОМАНТ» с момента основания компании была ориентация на наиболее современные технологии и элементную базу, доступную на рынке. Технологии автоматического монтажа за прошедшие годы удалось перенести на российскую почву, создав в Москве современное производство; изготовление печатных плат по большей части пока заказывается в Южной Корее, а вот комплектация практически полностью закупается импортная. 
Однако благодаря усилиям органов государственной власти и таланту оставшихся в стране разработчиков уже появились альтернативы в части самого критичного компонента, мозга любого радиоэлектронного изделия – процессора. Такие компании, как МЦСТ, «Байкал-Электроникс» и «Элвис», смогли закрепиться на этом рынке и предложить чипы, сравнимые с импортными аналогами, а где-то даже превосходящие их. Это не осталось без внимания СКБ «ДОЛОМАНТ», и в конце 2015 года стартовали сразу две опытно-конструкторские работы по созданию вычислителей с отечест­венными «мозгами». В рамках первой ОКР планируется разработать две процессорные платы на процессоре «Байкал-Т1»: СРС313 в формате StackPC и СРС312 в формате PCI-104. Первое изделие предполагается сделать максимально совместимым по функциональности с вычислителем СРС309 (на процессоре Intel Atom). Совместимость позволит российским разработчикам систем высокой ответственности относительно безболезненно перейти с импортной элементной базы на оте­чественную платформу. В частности, появление СРС313 будет автоматически означать выход в свет нового исполнения бортового компьютера МК300, где новый вычислитель придёт на смену СРС309 практически без изменения спецификации. Выпуск макетных образцов СРС313 ожидается в конце 2016 года. СРС312 появится примерно на 6 месяцев позже и займёт место в номенклатуре «ДОЛОМАНТ» в качестве «русифицированной» альтернативы популярных вычислителей СРС304 и СРС310.
Разработка вычислителя на процессоре МЦСТ «Эльбрус-4С» займёт существенно более длительный период времени: макетные образцы модуля СРС514 в формате CompactPCI Serial 3U ожидаются только к концу 2017 года. Это обусловлено как большей сложностью выбранного форм-фактора, так и нестандартностью процессора, который имеет уникальную архитектуру, ориентированную на многопоточные вычисления. С появлением модуля СРС514 новую жизнь обретёт линейка высокопроизводительных гетерогенных бортовых компьютеров ГРИФОН, активно продвигаемых компанией «ДОЛОМАНТ» для спецприменений. СРС514 позволит формировать вычислительные возможности компьютеров ГРИФОН на основе российских процессоров, что поднимет уровень импортозамещения до приемлемого для многих заказчиков из госструктур. 

Бортовые суперкомпьютеры

Платформа ГРИФОН (рис. 3) была создана в ответ на многочисленные запросы разработчиков автоматизированных систем высокой степени ответственности на бортовые компью­теры производительностью выше 1 Tфлопс/с.

Для удовлетворения максимального количества требований в основу архитектуры платформы были положены идеи модульности и гетерогенности. Благодаря модульному подходу на основе стандарта CompactPCI® Serial 3U разработчики прикладных АСУ могут быстро подобрать набор серийных модулей, необходимых для выполнения стоящих перед ними задач.
В частности, модульность позволяет масштабировать вычислительную мощ-ность ГРИФОН, раскладывая выполнение прикладной задачи на несколько вычислителей, взаимодействующих друг с другом по каналам связи PCI Express и Gb Ethernet с суммарной пропускной способностью в сотни гигабит в секунду. При необходимости блоки могут каскадироваться и работать в единой информационной сети Gb Ethernet или 10 Gb Ethernet. Гетерогенность – применение в составе одной системы вычислителей различных архитектур (х86, ARM, ПЛИС, GPU и других) – позволяет использовать существующие программные наработки, существенно сокращая общие сроки разработки. 
Для обеспечения взаимодействия ГРИФОН с другими бортовыми системами и периферийными устройствами в набор базовых модулей был включён носитель мезонинов DIC551. Заказчики могут использовать его совместно с мезонинами «ДОЛОМАНТ» MIC10xx, реализующими типовые функции, такие как дискретный и аналоговый ввод-вывод, последовательные порты, ИРПС, а могут разработать собственный мезонин благодаря наличию подробной документации и несложной архитектуре. 
Такой подход позволяет свести адаптацию платформы ГРИФОН к конкретной прикладной задаче по разработке простейших плат, с которой способны справиться специалисты многих российских коллективов. 
Особое внимание при создании платформы ГРИФОН было уделено вопросам стойкости изделия к неблагоприятным воздействиям окружающей среды, в которой изделие должно функционировать, – перепадам температур, механическим ударам и многим другим факторам. Полностью герметичный фрезерованный корпус и кондуктивный теплоотвод от устанавливаемых внутрь модулей позволяют гарантировать бесперебойную работоспособность компьютеров ГРИФОН по существующим стандартам. Поставки макетных образцов ГРИФОН уже осуществляются, перевод изделия в серию запланирован на конец этого года. 

Защищённые планшеты

Потребности российских заказчи-ков не ограничиваются одноплатными или корпусированными вычислителями, требованием времени стали интегрированные решения с человеко-машинным интерфейсом, неотъемлемой частью которых в последние годы стало сенсорное управление. Отвечая на эти запросы рынка, компания «ДОЛОМАНТ» разработала линейку планшетных компьютеров ОНИКС с экранами 8 и 12 дюй­мов (рис. 4). 

В соответствии со спецификой возлагаемых на эти уст­ройства задач, основной упор при разработке делался не на носимый, а на бортовой сценарий применения, хотя оба устройства можно использовать аналогично привычным в быту «таблеткам». Бортовое применение означает, во-первых, питание от бортовой сети, а во-вторых, необходимость коммуникации с различным оборудованием, расположенным на транспортном средстве. Обе функции реализованы посредством док-станции, объединяющейся с компьютером ОНИКС через разъём высокой плотности с подпружиненными контактами. В док-станции располагается источник питания, преобразующий входное напряжение в стабилизированное питание для внутренней электроники, разъёмы интерфейсов промышленных шин (RS-232/422/485, CAN, Ethernet) и разъём для подключения внешних антенн GSM и ГЛОНАСС. 
Дополнительно на корпус ОНИКС08 выведены интерфейсы: USB 2.0, сов-мещённый с питанием, и Gb Ethernet, что позволяет в ряде приложений обеспечить интеграцию с внешним оборудованием без применения док-станции. Разъёмы указанных интерфейсов снабжены интегрированными в корпус заглушками, обеспечивающими пыле- и влагозащиту в полевых условиях.
Разработка полного цикла, от создания схемотехнического решения до готового изделия, обеспечивает отсутствие в изделиях аппаратных закладок и недокументированных функций. Ком­пьютеры ОНИКС прошли все требуемые по техническим условиям испытания, что гарантирует их безотказную работу, как на борту транспортных средств, так и на открытом воздухе в полевых условиях при температурах от –30°C. Более того, благодаря наличию внутренней системы подогрева ОНИКС12 может стартовать при температуре окружающей среды от –50°C. Поддержка российских операционных систем AstraLinux и КПДА позволяет разработчикам ПО быстро перенести существующее программное обеспечение на планшет и применить изделие в реальной оперативной обстановке. Для тех заказчиков, которым не принципиально наличие у операционной системы российской сертификации, компьютеры ОНИКС могут работать под широко распространённым Android 5.1 или Linux Ubuntu. Для разработчиков программного обеспечения помимо стандартного набора аппаратных средств доступен широкий набор цифровых датчиков: компас, акселерометр, термометр, что позволяет контролировать условия эксплуатации изделия, вести журнал событий и передавать при необходимости важную информацию на другие уровни системы автоматизации и управления.
Технические характеристики планшетов соответствуют мировому уровню требований, предъявляемых к изделиям такого класса для жёстких условий эксплуатации. ОНИКС08 выполнен на мощном четырёхъядерном процессоре Freescale iMX6 с частотой 1 ГГц и имеет оперативную память до 4 Гбайт. Этого достаточно, например, для быстрой загрузки различных карт и работы с ними. Операционная система и прикладное программное обеспечение размещаются на напаянном твердотельном диске объёмом до 32 Гбайт, а дополнительные данные могут располагаться на съёмном носителе MicroSD. ОНИКС12 «приводится в движение» процессором Intel Atom D510 с 2 Гбайт ОЗУ.
Диагональ экрана ОНИКС08 составляет 21 сантиметр, что является разумным компромиссом между размером/массой изделия и информативностью экранных форм. Для управления планшетом предусмотрен сенсорный экран с поддержкой технологии multitouch, а также четыре аппаратные кнопки. Дисплеи обоих планшетов имеют антибликовое покрытие, что позволяет использовать их в условиях прямой солнечной засветки. Защитное стекло предохраняет от ударов, а боковые накладки помогают выдерживать падение с высоты до 1 метра на бетонный пол.
Навигационные возможности компьютеров ОНИКС включают Wi-Fi, Bluetooth, поддержку ГЛОНАСС/GPS и сетей GSM 900/1800. ОНИКС08 поддерживает две sim-карты, что позволяет ему оставаться на связи практически в любой точке России. Время автономной работы ОНИКС08 на одной зарядке составляет не менее восьми часов, а в режиме ожидания – до 150 часов. Показатель автономной работы ОНИКС12 намного скромнее, но это устройство в силу своих габаритов не претендует на роль носимого, задача встроенного аккумулятора – обеспечить работу планшета во время перерывов в бортовом питании или на период регламентных работ, проводимых вне штатного транспортного средства.
Дополнительные требования заказчиков по модификации аппаратной «начинки» планшета могут быть реализованы в рамках согласованного технического задания. В компании «ДОЛОМАНТ» накоплен большой опыт по адаптации своих изделий к специфическим требованиям конкретных задач, позволяющий оперативно модифицировать серийные изделия. Для ОНИКС08 типовыми модификациями являются доработки док-станции: замена крепёжной консоли, изменение номинала входного питания, изменения типов разъёмов, вывод дополнительных интерфейсов. Образцы обоих компьютеров доступны для тестирования заинтересованными организациями.
Описанные в статье компетенции ЗАО «НПФ «ДОЛОМАНТ» по разработке разнообразных аппаратных платформ не имели бы такой ценности, если бы не налаженная система постановки изделий на производство и мощная собственная производственная база. Благодаря им компания имеет возможность воплощать идеи своих инженеров в готовую продукцию с серийностью поставок, измеряемой тысячами штук в год, при 100% соблюдении технологии производства и контроле качества как со стороны собственной службы ОТК, так и приёмки заказчика. ● 

Автор – сотрудник
ЗАО «НПФ «ДОЛОМАНТ»
Телефон: (495) 232-2033
E-mail: info@dolomant.ru