ПРЕСС-ЦЕНТР

VPX: Технология будущего для сегодняшних приложений

МКА: мир ВКТ, 2/2009

Винсент Чафарт (Vincent Chuffart), Kontron

В настоящее время модульные последовательные коммутируемые структуры, отличающиеся очень высокими параметрами нечувствительности к электромагнитным помехам и целостности сигнала, пользуются весьма высоким спросом даже в таких прикладных областях, для которых характерны крайне неблагоприятные условия эксплуатации. Организация VITA (VMEbus International Trade Association/международная ассоциация производителей устройств в стандарте VME) разработала соответствующие базовые и вспомогательные спецификации чрезвычайно надёжных последовательных коммутируемых структур для VPX-систем (серии VITA 46). Основной документ уже является стандартом ANSI (ANSI/VITA 46.0-1997). Это значит, что данная спецификация, обеспечивая очень высокую степень электромагнитной совместимости и целостности сигнала, перспективна. Предполагается, что новый стандарт встраиваемых COTS-устройств окажется полезным не только для нынешних, но и для будущих пользователей VME-приложений.

Производительность, производительность и ещё раз производительность

Современные радиолокационные установки, эхолоты, системы ультразвуковой диагностики и обработки изображений генерируют потоки данных, которые необходимо накапливать, анализировать и распределять по потребителям без единой ошибки. Авиационные приложения и транспортные системы контроля безопасности тоже отличаются значительными объёмами информации, пользуясь которой оператор становится более осведомлённым о текущей обстановке и может принимать более обоснованные решения. Необходимость массового распространения данных по информационным сетям (в некоторых случаях с топологией «все со всеми») порождает потребность в более высокой производительности обработки и широкой полосе пропускания каналов связи.

Вместе с этим изменяются и требования к техническому обслуживанию и сопровождению эксплуатируемых систем: в оборонном секторе, например, планируется переход от трёх- и четырёхуровневого обслуживания в двухуровневому (Two Level Maintenance, TLM). От типовых элементов замены (ТЭЗ) требуется очень высокая механическая надёжность, для того чтобы замену можно было осуществлять в любых – даже самых суровых – условиях эксплуатации. Идеальным решением в случае отказа компьютерной системы считается замена не всей системы целиком, а только отказавшего компонента: процессорного модуля, платы ввода/вывода или источника питания. Это также порождает повышенные требования к эксплуатируемым в неблагоприятных условиях системам на основе серийных компонентов.

Будущее за последовательными коммутируемыми структурами связи

Потребность в повышении вычислительной мощности может быть сегодня – и, вероятно, в будущем – наиболее эффективно удовлетворена путём использования каналов последовательной передачи данных, таких как Multigig-Ethernet, PCI Express и SRIO (Serial RapidIO). Дифференциальные каналы связи отличаются лучшими по сравнению с параллельными шинами типа PCI характеристиками:

  • более высокой производительностью выполнения транзакций,
  • более высокой совокупной пропускной способностью,
  • меньшими задержками передачи данных по линии связи,
  • поддержкой разнотипных шинных систем,
  • более высокой степенью масштабируемости,
  • меньшей потребностью в площадях печатной платы для трассировки проводников.

При использовании модульных систем на основе объединительных плат появляется возможность разработки ТЭЗов меньшего размера, применения только тех модулей, которые необходимы для решения прикладной задачи, и существенного уменьшения количества соединительных кабелей. На сегодня стандартными сетевыми топологиями являются «звезда», «сдвоенная звезда» и «все со всеми». Таким образом, архитектурные принципы должны допускать реализацию в прикладной системе любой из этих топологий. Согласно существовавшим до настоящего времени стандартам построения встраиваемых вычислительных систем повышенной прочности, сетевые соединения могли быть созданы только на основе кабелей, подключаемых к передней панели устройства. Существующие модули в стандартах VME, CompactPCI и Rugged MicroTCA в качестве ТЭЗов для военных приложений выступать не могут: в неблагоприятных условиях эксплуатации соответствующие гнёзда на объединительных панелях быстро забиваются песком и пылью, что приводит к истиранию элементов разъёма и отсутствию электрического контакта при установке ТЭЗа. Кроме того, неумелая вставка модуля может привести к изгибанию штырьков его соединителя. Очень часто неисправности подобного рода устранить на месте нет никакой возможности. Таким образом, налицо необходимость в разработке нового стандарта.

Нужен чрезвычайно прочный разъём для объединительных плат

Мелкие детали часто имеют большое значение. Эта становится всё более понятным по мере роста потребности в новых разъёмах для объединительных плат. К механическим параметрам будущих соединителей – к надёжности соединения, износоустойчивости, жёсткости контактов – предъявляются чрезвычайно высокие требования. Электрические свойства также должны быть «на пять»: высокая степень подавления перекрёстных помех от соседних дифференциальных пар, необходимая для обеспечения целостности сигнала, максимально допустимая электрическими свойствами скорость передачи данных по линии, нечувствительность к электростатическим разрядам и токовым перегрузкам. Кроме того, такие устройства должны быть в наличии несколько лет, а ещё лучше десятилетий, иметь высокую плотность контактных групп для реализации всех существующих и будущих шин при соблюдении нынешних физических ограничений форматов 3U и 6U.

В спецификации VPX (VITA 46) определено именно то, что нужно: высоконадёжный разъём с указанными характеристиками для установки на объединительные платы.

От штырьков к гребёнке

Разъём MultiGig RT2 обладает всеми требуемыми характеристиками и уже используется в спецификации VITA VME64. Разъём состоит из двух частей: штекерной части, монтируемой на печатной плате электронного модуля и состоящей из ряда гребёнок по 7 рядов контактных элементов в каждой, и гнездовой, отличающейся идеальной изоляцией контактных гребёнок друг от друга и устанавливаемой на объединительной панели. Эта совершенная конструкция, например, для реализации каналов PCI Express Gen2, для передачи данных по которым со скоростью до 5 млрд пересылок в секунду необходимо расположить дифференциальные пары как можно дальше друг от друга, реализовав при этом практически идеальное заземление. Современные штырьковые разъёмы с одинаковым разнесением контактных групп в двух направлениях неспособны обеспечить подавление перекрёстных помех до уровня не более 3%, которое требуется для передачи данных на скоростях до 6,25 Гбит/с в системах без коррекции ошибок. Даже небольшие отклонения в составе материалов, используемых для производства разъёмов, могут существенно ухудшить характеристики передаваемого сигала, что недопустимо, особенно при использовании подобных разъёмов в приложениях с определёнными требованиями к обеспечению безопасности данных. Аналогичные требования к обеспечению надлежащего качества сигнала действительны и при создании систем другого типа, например контрольно-измерительных приборов или средств высокоточной калибровки.

Для облегчения очистки контактов гребёнки монтируются на вставляемом модуле, а не на объединительной плате.

Рис. 1. Разъём MultiGig RT2 обладает всеми требуемыми характеристиками и уже используется в спецификации VITA VME64


До 464 сигналов в модуле толщиной 6НЕ

Наряду с высокими электромагнитными и частотными характеристиками разъёмы MultiGig RT2 обладают еще одним достоинством: их применение в VPX-модулях формата 6U обеспечивает наличие в общей сложности 464 сигнальных контактов, что достаточно для организации до 160 высокоскоростных дифференциальных канала. В модулях формата 3U число сигнальных контактов составляет 280. В настоящее время определено назначение не всех контактов. Это значит, что технология VPX обладает достаточным «запасом прочности» для реализации дополнительных последовательных коммутируемых структур, о которых сегодня еще ничего не известно.

Потребление энергии

Даже учитывая существующие тенденции снижения энергопотребления, запас по мощности всё равно обеспечивает запас по надёжности. По этой причине спецификация VPX допускает повышенное энергопотребление: максимальное потребление при напряжении питания 5 В постоянного тока составляет 115 Вт, при 12 В – 384 Вт и при 48 В – 768 Вт. Таким образом, электрические параметры технологии VPX идеально рассчитаны для создания новых систем.

Коммутационные возможности объединительной панели

На объединительной панели могут быть реализованы самые разные топологии связи: сеть типа «звезда» с коммутацией каналов, «двойная звезда» и даже «все со всеми», что позволяет строить сети с резервированием каналов передачи данных. В Таблице приведены рекомендации по выбору типа соединений в системах формата 3 U. Возможные типы сигналов передачи последовательных данных определены в подспецификациях VPX 46.2-46.7.

Рекомендации по выбору типа соединений для систем формата 3 U

Стандарт
Содержание
VITA 46.0
Базовый стандарт VPX
VITA 46.1
Отображение сигналов VMEbus в сигналы VPX
VITA 46.3
Serial RapidIO вразъёме VPX
VITA 46.4
PCI Express вразъёме VPX
VITA 46.7
Ethernet в разъёме VPX
VITA 46.9
Отображение сигналов PMC/XMC/Ethernet для форматов 3U/6U в сигналы VPX
VITA 46.10
Тыльные интерфейсные модули для VPX-систем
VITA 46.11
Системное управление для VPX-систем
VITA 46.12
Оптоволоконные интерфейсы для VPX-систем
VITA 46.20
Определение слота коммутатора для VPX-систем

Спецификация VITA 46.10 определяет тыльные интерфейсные модули, использование которых открывает новые области применения компактных VPX-систем формата 3U. Ограничения на ввод/вывод, связанные с подключением соединительных кабелей только к передней панели, отныне снимаются. Это позволяет создавать сверхнадёжные и быстродействующие системы на основе COTS-компонентов с большим числом периферийных устройств, не затрачивая на это больших усилий. В частности, таким образом можно строить различные коммутационные системы, контрольно-измерительную аппаратуру и так далее.

Высокие механические характеристики

В новых стандартах VPX учтены самые высокие требования к механическим параметрам разрабатываемых систем: к механической прочности, к сопротивляемости механическим нагрузкам и коррозии, устойчивости к изгибанию и неправильной вставке электронных плат. Однако новшеств как таковых не очень много: корпуса VPX-систем аналогичны корпусам VME-систем. Вместе с тем это можно рассматривать как одно из достоинств нового стандарта: если говорить о механических характеристиках, то в технологии VPX нет ничего такого, что не использовалось бы в технологии VME, так что надёжность компонентов можно считать очень высокой. Нового изучать ничего не надо, а проект системы можно использовать в качестве основы. Поставщики уже знают, что нужно интегратору, поэтому новый стандарт можно считать очень надёжным.

Двухуровневое обслуживание с REDI

Эксплуатационники уже поняли, что применение нового разъёма превращает электронный модуль в типовой элемент замены. Такого изначально не планировалось, поскольку VPX стала бы чисто военным стандартом. Нужно было обеспечить расширение области применения, поэтому новая спецификация была дополнена стандартом REDI (Ruggedized Enhanced Design Implementation/усовершенствованная конструкция повышенной прочности), определявшим способ замены отдельных компонентов. Дополнительный стандарт обеспечивал возможность разработки VPX-систем с двухуровневым обслуживанием, в которых VPX-модули определялись как типовые элементы замены. Создаваемые в стандарте REDI системы характеризуются очень высоким уровнем надёжности и могут выполняться в варианте с воздушным, кондуктивным или жидкостным охлаждением. Кроме того, согласно новой спецификации модули закрываются специальными экранами для защиты от воздействия внешней среды. Системы в стандарте REDI отличаются от обычных VPX-систем бóльшим расстоянием между платами (что является следствием применения защитных экранов).

Рис. 2. Создаваемые в стандарте REDI VPX-системы характеризуются очень высоким уровнем надёжности

Заключение

Применение нового разъёма позволило VITA создать образцовый проект. Для реализации модульных последовательных коммутируемых связных структур был разработан принципиально новый стандарт, отличительной особенностью которого являются совершенные электромагнитные характеристики, превосходная целостность сигнала и высочайшая надёжность контактного соединения, ставшая следствием применения проверенной опытом механической конструкции. Благодаря этому спецификация VPX превращается в перспективный стандарт разработки надёжных встраиваемых вычислительных систем с максимально возможным коэффициентом готовности и пропускной способностью объединительной панели, требующих минимально возможного техобслуживания. Многие производители встраиваемого компьютерного оборудования, осознав предоставляемые новым стандартом широкие возможности, вкладывают в разработку соответствующих прикладных модулей значительные средства. Одним из таких производителей стала компания Kontron. Сразу после опубликования стандарта VPX компания выпустила на рынок два процессорных VPX-модуля в формате 3U: VX3020 с процессором Intel Core2 Duo и более дешёвый VX3230 с 32-разрядным процессором Freescale PowerPC MPC8544. Появление многофункционального VPX-модуля VX3020 для высокопроизводительной обработки и модуля VX3230 со сверхнизким энергопотреблением для выполнения специализированных задач открывает двери разработке широкого класса приложений с повышенными требованиями к механической прочности, пропускной способности и возможностям межсоединений, применение последовательных коммутируемых связных структур в которых позволяет сразу же реализовать требуемые качества. Обе модели выпускаются также в модификации RC (Rugged Conduction cooled/усиленного исполнения с кондуктивным охлаждением), рассчитанной на эксплуатацию в соответствии со стандартом VITA 47 в расширенном диапазоне температур от -45°С до +85°С. Разрабатываются также и другие модули. Компания Kontron может поставлять заказчику полностью укомплектованные VPX-системы для их оценки. Возможна также разработка и производство специализированных решений. Компания планирует постепенно расширять номенклатуру VPX-устройств для построения прикладных систем, аналогичных CompactPCI- и MicroTCA-приложениям. От «компьютеров-на-модуле» до серверов ATCA Blade Servers – у компании Kontron есть всё, что необходимо для разработки нужной прикладной системы. Никакая другая компания не имеет на рынке таких крепких позиций, как Kontron, которая не привязана к какому-либо одному типоразмеру. Что особенно важно в нынешних экономических условиях – это то, что широкая номенклатура означает устойчивость. Благодаря этому компания Kontron значительно меньше подвержена влиянию колебаний рынков встраиваемых вычислительных технологий, чем другие производители.

VITA о деятельности Kontron

«VPX представляет собой проект стандарта ANSI, который отходит от использования традиционной для VME схемы соединений, объединяя в себе последние достижения как технологий соединений и упаковки, так и технологий шин и последовательных связных структур, – говорит исполнительный директор VITA Рэй Олдерман (Ray Alderman). – Поддержка со стороны таких международных поставщиков, как Kontron, позволит реализовать достоинства технологии VPX во многих вертикальных рынках и позиционировать её как ведущую технологию с длительным сроком жизни».