La informática embebida, de uso industrial, dispone de un tiempo a esta parte de procesadores multi-núcleo: cabezas con dos cerebros, que se usarán masivamente

Tendencias en informática industrial

Joan Sánchez Sabé15/11/2006
Cualquier actividad industrial moderna comprende sistemas que se controlan por medio de sistemas informáticos. No siempre se trata de ordenadores como los que hay encima de las mesas de los despachos. Además, existen todo tipo de equipos con informática “embebida”, desde controladores de procesos en una planta química o la industria alimentaria, hasta equipos de control numérico en cualquier máquina con partes móviles, pasando por una amplia colección de dispositivos de todo tipo, dimensión y función. Todos ellos tienen chips de silicio, soldados a tarjetas de circuito impreso, que a su vez se agrupan en sistemas, y que son controladas por software. Las firmas Intel, Kontron y Wind River organizaron el 17 y 18 de octubre una presentación para la prensa internacional en la que nos pusieron al día en todo lo relacionado a las tendencias en uso de tecnologías multi-núcleo para informática embebida, automatización y telecomunicaciones. Las firmas Intel, Kontron y Wind River fabrican silicio, tarjetas, sistemas y software para informática embebida, y forman parte del mismo “ecosistema” empresarial.
Estamos acostumbrados a ver ordenadores en las mesas de los despachos, e igualmente en nuestros hogares. Pasan más desapercibidos cuando el ordenador no es el todo, sino sólo una parte; es decir, cuando está “embebido” dentro de un aparato, máquina o sistema. Así, un teléfono móvil contemporáneo es un ordenador de pleno derecho, ligeramente especializado en realizar llamadas telefónicas. Lo mismo puede decirse de un navegador GPS, o de una agenda electrónica. En el ámbito industrial, nos encontramos con el mismo fenómeno cuando nos acercamos a una máquina relativamente sofisticada (pongamos por caso, un centro de mecanizado); o a otra mucho más mundana: la máquina del café. Nos encontramos rodeados de ordenadores. ¿Cuáles son las tendencias de dicho fenómeno?

Uno de los primeros elementos: la diferenciación entre PCs industriales y ordenadores “embebidos” está desapareciendo. Están pensados para durar más que los ordenadores convencionales (un mismo equipo estará disponible durante más de cinco años; mientras que, en el PC del escaparate de la tienda se renueva cada pocos meses); para trabajar en condiciones más duras (variaciones de temperatura, vibraciones, etc.) y para hacerlo, en muchas ocasiones, de forma desatendida.

Gracias a la proliferación de memorias de tipo flash (las que usan las tarjetas de las cámaras de fotografiar digitales), se está consiguiendo fabricar ordenadores sin partes móviles. El disco duro se ha sustituido por una tarjeta flash. Los ventiladores se han sustituido por sistemas de refrigeración totalmente pasivos; en parte gracias al aumento de prestaciones por vatio de calor generado. Todo ello tiene dos consecuencias inmediatas: los equipos son cada vez más pequeños (o, en el mismo sitio, caben más), y más fiables.

Por otro lado, el incremento de prestaciones de los equipos está permitiendo que un mismo ordenador se ocupe del control de una máquina, a la vez que posee una interfaz gráfica con el utilizador altamente sofisticada. Es posible que funcione simultáneamente con dos sistemas operativos. Uno, dedicado a las tareas de control en tiempo real, y el otro dedicado a las tareas de visualización y comunicación.

Los sistemas CompactPCI de Kontron, por ejemplo, son un ejemplo en tal sentido. Se trata de ordenadores “robustecidos”, dotados de procesadores con dos núcleos, y con tarjetas que pueden albergar más de un procesador. No tienen elementos móviles. Están especialmente pensados para aplicaciones intensivas.

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El ThinkIO tiene el aspecto de un autómata programable avanzado; y puede serlo gracias a un SoftPLC bajo RT-Linux. Pero es también un ordenador con interfaces Ethernet, USB y DVI. La convergencia está servida.

Estándares abiertos

Wind River es bien conocido por ser el fabricante de un sistema operativo especializado denominado VxWorks. Su especialidad: ser el soporte sobre el que se construyen sistemas de control en tiempo real. Puede parecer sorprendente que Wind River, que ya posee su propio sistema operativo, apueste también por otro: Linux.

Se trata de otra de las tendencias en el mundo de la informática embebida: abandonar las soluciones exclusivas de un proveedor en favor de estándares abiertos. Así, el mercado ofrece ya bloques estándar a partir de los cuales se pueden construir los sistemas; con diferentes estándares soportados por un amplio grupo de fabricantes. Varios estándares lo demuestran: ETX, CompactPCI, ETX Express,...

De esta forma, los dispositivos en sí mismos están perdiendo especialización. Cada uno de ellos es más versátil, más potente y se fabrica en mayores cantidades. Así, es también más barato. La especialización llega en la parte alta del software. Los bloques básicos de software serán, también, estándar. “Tenemos que focalizarnos en las aplicaciones para sobrevivir”, sintetizó Ralf Rachet, jefe de desarrollo de negocio de Wind River para Europa, Oriente Medio y África.

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El entorno de desarrollo Eclipse es de código abierto, en cuya elaboración ha contribuido activamente Wind River.

Cabezas con varios cerebros

El elemento clave de cualquier sistema informático es el procesador: aquel elemento que es capaz de ejecutar una lista de instrucciones (un programa) y de, a partir de un conjunto de informaciones de entrada, evaluar resultados. Los ordenadores en su mayoría, tienen un sólo cerebro. Hasta ahora.

Intel ha presentado hace algunos meses sus procesadores “Core Duo”. La denominación hace referencia al hecho de que tienen “dos núcleos”. Algo así como meter dos cerebros en una sola cabeza. Así pues, los ordenadores del futuro inmediato tendrán varios cerebros.

Hasta hace poco, para conseguir aumentar las prestaciones de los procesadores, la técnica utilizada se basaba, en buena medida, en hacerlos funcionar más rápido. Los procesadores con varios núcleos se basan en otro principio: el paralelismo real. ¿Quiere hacer el doble de trabajo? Ponga dos trabajadores. Esto, por supuesto, tiene un precio: los trabajadores deben coordinar su trabajo, y quien planifique las tareas ha de tenerlo en cuenta si pretende sacar el máximo partido del conjunto. La tarea de planificación e intercomunicación acabará poniendo límite a la estrategia de crecimiento en prestaciones. Sin embargo, hasta que no se alcance este límite, las prestaciones de los microprocesadores seguirán creciendo al mismo ritmo que hasta ahora (siguiendo la conocida ley de Moore).

Dentro de la amplia gama de productos de la empresa, según comentó Markus Gabler, jefe de ventas de Intel para Europa Central, existe un segmento especialmente dedicado a las aplicaciones embebidas. Se caracteriza por tener un ciclo de vida mucho más largo que el correspondiente a los ordenadores empresariales, acorde con los ciclos de vida de los productos industriales. Si se monta un sistema de control en una central nuclear, se debe estar seguro de que habrá piezas de recambio dentro de diez años. Así, Intel se compromete a ciclos de vida de 5 a 7 años para su gama de productos para sistemas embebidos.

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En el mundo específico de los microprocesadores, también existen diferentes tendencias. Básicamente, se resumen en dos: mantener la ley de Moore en cuanto al incremento de prestaciones y hacerlo sin que los procesadores se calienten cada vez más (es decir, incrementando no solo las prestaciones, sino también las prestaciones por vatio consumido). Para conseguir incrementar el número de núcleos en un solo chip, lógicamente, es necesario hacer las cosas cada vez más pequeñas. Intel fabrica procesadores con elementos de 65 nm, y sus previsiones son conseguir los 45 nm el año 2008, y 32 nm el 2010. Simultáneamente, se prevé disminuir la disipación de potencia en un factor 10 en 2 años. El primer ejemplo práctico: la introducción del procesador Intel Core 2 Quad este mes de noviembre de 2006.

En resumen: se prevé multiplicar por diez la potencia de cálculo en cuatro años, sin multiplicar por diez el consumo de energía (y las necesidades de refrigeración). Norbert Hauser, vicepresidente de marketing de Kontron, presentó todo tipo de aplicaciones para este incremento de prestaciones.

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Norbert Hauser, responsable de marketing de Kontron, presentando las tendencias en PCs industriales.
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Procesador con cuatro núcleos de Intel, comercializado desde noviembre de 2006.

Hablando por los codos

Los ordenadores industriales han estado conectados con el resto del mundo desde hace tiempo. Sin embargo, siempre ha sido una conexión parcial, limitada, con algún interlocutor especializado. La tendencia actual es la integración total en dos niveles: los sistemas embebidos se conectarán a la red de la empresa (y, probablemente, a través de la misma a Internet), y lo harán no sólo vía cable, sino también de forma inalámbrica.

Ralf Rachet, jefe de desarrollo de negocio de Wind River para Europa, Oriente Medio y África, sintetizó el porqué en una sola frase: “Es más preciso sincronizar dos ejes por medio de dos controladores interconectados que por medio de ruedas dentadas”.

Durante varios años, la informática industrial se conectaba por medio de sistemas y reglas especializados, los denominados buses de campo: ProfiBus, InterBus, DeviceNet, ModBus, entre otros. Sin embargo, el ganador es... Ethernet: el mismo sistema de red con el que se conectan los ordenadores de sobremesa, con algunas variaciones y variantes. Los motivos son obvios: el hecho de que se haya convertido en el estándar de facto para comunicación empresarial, el gran volumen (es decir, bajo coste) y el amplio depósito de conocimiento adquirido.

Sin embargo, la Ethernet industrial tiene algunos requerimientos específicos: robustez, ciclos de vida largos, necesidades de comunicación en tiempo real (con latencia predictible), facilidad de intercambio en caliente, retrocompatibilidad con los sistemas existentes, fiabilidad, disponibilidad, seguridad y redundancia.

La solución a tales especificidades, de momento, no es única: EtherCAT, Ethernet/IP, Ehernet Powerlink, Modbus TCP/IP, PROFInet y Sercos III son las principales opciones disponibles en la actualidad.

Por otro lado, las posibilidades de cálculo de los nuevos procesadores permiten implementar sofisticados esquemas de cifrado de datos. Ello salva una de las objeciones más frecuentes en relación con las comunicaciones sin hilos: la seguridad de las transmisiones. Por este motivo, entre otros, cabe esperar un gran aumento en el uso de las mismas, incluso en entornos industriales. Es posible que uno de los dos núcleos de un procesador “Duo” se dedique de forma exclusiva a las comunicaciones (inalámbricas o no), mientras que el otro se encargue del resto de funciones del sistema operativo (o de un sistema operativo diferente al usado para la gestión de las comunicaciones).

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Tecnologías como el controlador de red netX, de Hilscher GmbH, permiten incorporar amplias capacidades de comunicación.

Y todo esto, ¿para qué?

Las tendencias explicadas llevan a dos resultados: más capacidad de cálculo y mayor y mejor interconexión. En la práctica, esto quiere decir que las máquinas que incorporan informática (dentro de poco diremos simplemente, las máquinas) tendrán cada vez más prestaciones: una interfaz de usuario más sofisticada que permitirá el uso de las mismas a personal menos especializado (pero cada vez más acostumbrado al mundo digital); más funciones incorporadas a un sólo aparato (el sistema CNC incorporando sofisticadas capacidades CAD/CAM para poder efectuar modificaciones a pie de máquina, por ejemplo; o el sistema de visión o medida incorporado a los sistemas de manufactura, para un control de calidad durante la fabricación, o ...), y una comunicación más fluida e inmediata entre la planta y la oficina, y entre el suministrador y el cliente
¿Quién es quién?

Kontron: sinónimo de informática embebida

Hannes Niederhauser, CEO de Kontron, AG, empresa líder global de informática embebida y soluciones móviles robustas, presentó el contexto del mercado y la situación de su empresa en el mismo. Según él, el mercado para las tecnologías de informática embebida se duplica cada cinco años. Se trata de un mercado completamente global, con grandes empresas multinacionales que exigen que sus socios tengan también una aproximación global al mercado, trabajando junto a ellos en todo el planeta. Para responder a tal exigencia, Kontron se sitúa en el mercado americano (su principal cliente), europeo (de donde es originario) y el de los países emergentes (Rusia y China, esencialmente); con importancias relativas del 48, el 33 y el 19%.

Las áreas de crecimiento son, tal como era de esperar, los mercados emergentes. Así, de una cifra de negocio el año 2002 de 18 millones de dólares de EE.UU., se pasará, según las últimas estimaciones para el presente año, a una cifra que superará los 130. Los países en los que Kontron focaliza sus esfuerzos son Rusia (sector energético, principalmente) y China. El mercado de la India se ha dejado para más ade lante. La manufactura de sistemas se ha centralizado en Malasia, que se ha preferido a China por motivos de protección de la propiedad intelectual, facilidad lingüística, movimiento de capitales y alto nivel educativo. Sin embargo, la configuración final y el software añadido, probablemente, se realizarán en Europa o los EE.UU. La empresa prefiere la ingeniería de Europa del Este por su bajo coste y por la baja rotación laboral (del orden del 10 por ciento anual, versus un 30 por ciento en China o India), que es aún menor en la propia Alemania (2 por ciento). Así, la empresa tiene en plantilla más de 800 ingenieros, con unos 250 de ellos en Alemania, y 300 en Europa del Este. Hannes Niederhauser hizo especial énfasis en la necesidad de proteger el principal activo de su empresa: la propiedad intelectual. La idea de que sus productos o actividades puedan ser copiados con facilidad es un elemento muy tenido en cuenta a la hora de decidir qué se hace donde.

Kontron basa su modelo de negocio en la utilización de tecnologías informáticas estandarizadas para aplicaciones industriales. Lo denominan tecnologías “COTS” (“Commercial Off The Shelf”) para aplicaciones profesionales. Se trata de un mercado dirigido por la ingeniería: personalizar tecnologías existentes para aplicaciones particulares. El mercado para un sistema concreto puede ser relativamente pequeño, pero tiene un amplio componente de I+D. El posicionamiento de la empresa en el mismo comprende toda la cadena: desde la fabricación de módulos estandarizados (los “ladrillos” con los que se comienza la construcción) hasta el suministro de soluciones completas, pasando por el área intermedia de “sistemas”. Parte de la estrategia de marketing se basa en abrir la puerta a nuevos clientes comenzando con los módulos, para pasar a ofrecer más adelante los sistemas, y acabar, cuando la confianza adquirida por parte del cliente lo permite, con soluciones completas.

El crecimiento de la empresa se fundamenta en dos ejes: la tecnología, que permite la creación de nuevos productos, y la tendencia hacia la subcontratación: “Cuando la industria está bajo presión, los subcontratistas salimos beneficiados”, indicó Hannes. Así, el crecimiento principal se debe a que un constructor de material móvil ferroviario, pongamos por caso, decide subcontratar los sistemas de control de las locomotoras, en lugar de fabricarlos él mismo.

Intel: el rey de los procesadores

La empresa Intel es conocida sobre todo por ser el fabricante de los procesadores que equipan la mayor parte de los PCs de sobremesa. Menos conocida es su vertiente dentro de la informática industrial. Markus Gabler, jefe de ventas para Europa Central, explicó la dedicación de Intel al mundo “embebido”, segmento de mercado en el que entró hace treinta años, y cuya dimensión ha hecho surgir en la empresa un grupo de ventas dedicado al mismo.

El plan de ruta tecnológico de la empresa incluye, además de los procesadores multi-núcleo, la tecnología de memoria de 64 bits, la tecnología de virtualización, la tecnología de gestión activa y la aceleración de operaciones de E/S. Todas estas tecnologías tienen aplicaciones directas en aplicaciones industriales. Así, por ejemplo, la gestión activa facilitará las funciones de mantenimiento y actualización remotas. El control a distancia de máquinas será cada vez más asequible.

Wind River: la informática funciona con software

Es perfectamente posible que, a lo largo de un día, usted interactúe con un amplia cantidad de dispositivos que incorporan software de una empresa que probablemente desconozca: Wind River. Así, televisores, teléfonos móviles, impresoras, sistemas de navegación, ... y un montón de máquinas, varios cientos de millones, funcionan en parte gracias al software de esta empresa. Se definen como los líderes en Optimización de Software para Dispositivos. Socios estratégicos de muchas empresas, de cuyo “ecosistema” forman parte, y cuyos productos ayudan a diferenciar incorporando una programación específica a un hardware cada vez más estandarizado.

Andreas Pabinger, responsable de ventas, afirmó que su cuota de mercado es mayor del 30 por ciento, con diferentes mercados finales: infraestructura de redes, industria de defensa y aeroespacial, productos digitales de consumo y aplicaciones industriales y para automoción. Tiene presencia global, y una plantilla próxima a las 1.300 personas.

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Hannes Niederhauser: CEO de Kontron.

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