ПРЕСС-ЦЕНТР

MicroTCA претендует на современные военные приложения

МКА: мир ВКТ, 2/2009

Дэвид Пёрсли (David Pursley), Kontron

Технология MicroTCA, характеризующаяся конструктивной прочностью наряду с малым размером, высокой степенью готовности оборудования и поддержкой многопроцессорной архитектуры, оказалась достойным конкурентом традиционным CompactPCI и VME, а также многообещающей VME-совместимой технологией VPX.

Даже по сравнению с «динозаврами» встраиваемых технологий в области оборонной промышленности – CompactPCI и VME, а также новым стандартом VPX, «новичок» MicroTCA доказывает свою состоятельность при использовании в проектных решениях для «жёстких» условий эксплуатации, демонстрируя высокую пропускную способность при небольших размерах и доказанную прочность при возможности поддержки многоядерных архитектур и высокой доступности оборудования. Кроме того, разработка новых стандартов ускоряет движение MicroTCA в качестве основы проектных решений от центров управления в действующие защитные оборонные сооружения.


Технология MicroTCA подходит для использования в наземных подвижных средствах

Программы стандартизации в области оборонных технологий оказывают влияние на комплексное тактическое управление, заставляя разработчиков уходить от устаревающих архитектур по направлению к стандартным же, но более мощным решениям, сравнительно недорогим и простым во внедрении. Основная тенденция разработок в этой области – технологии и решения, внедряемые в рамках чётко определяемых временных периодов и бюджетов. Время и затраты на переоборудование работающих оборонных комплексов должны быть хорошо контролируемы, особенно если предполагается дальнейшее финансирование серийного выпуска новых разработок.

В то же время программы высокотехнологичного оснащения вооружённых сил на базе сетецентрической модели, такие как американские Боевые системы будущего (Future Combat System FCS), Объединённые тактические радиосистемы (Joint Tactical Radio Systems) и система скоростной мобильной сети для защищённой голосовой связи и обмена данными WIN-T (Warfighter Information Network – Tactical), жёстко привязаны к процессу обмена информацией в реальном времени и требуют в десятки раз большей пропускной способности оборудования, чем системы предыдущих поколений. Прибавим к этому растущие требования к уменьшению размера, массы и энергопотребления (Size, Weight and Power SWaP) и получим основные тренды развития технологий оборонного применения – малый размер, мобильность и высокая производительность. Основная компетенция в разработке оборудования для оборонного применения сосредоточена вокруг традиционных архитектур CompactPCI и VME, поэтому перед разработчиками встаёт задача изучения функциональных различий между ними, в том числе и недавно стандартизированной VPX, и новой MicroTCA. На сегодняшний день SWaP-сберегающий стандарт MicroTCA с отличными характеристиками пропускной способности, прочности конструктива, поддержкой многоядерных процессоров и высокой производительностью отвечает самым современным требованиям ассматриваемой области применения.

Пропускная способность в контексте место-, массо- и энергосбережения

Стандарты VME и CompactPCI предполагают обмен данными по системной шине и реализуются в основном при помощи конструктивов 3U и 6U. Скорость обмена данными между логическими устройствами шин (320 мегабит/сек для VME 64) достаточна для использования этих технологий в компьютерных системах многих воздушных, морских и наземных подвижных средств, однако новейшие программы требуют всё большей пропускной способности. Расширения в виде коммутируемых связных структур (VITA 31, VITA 41, PICMG 2.16) позволяют увеличить общую пропускную способность шины посредством двойного гигабитного Ethernet, но доступны только в устройствах формата 6U, который невозможно применить в системах небольших размеров. Кроме того, доступное по этим стандартам увеличение пропускной способности может быть недостаточным для многих новейших систем оборонного применения.

Современные требования по уменьшению размера, массы и энергосбережения (SWaP), а также обеспечению высокой пропускной способности вполне по плечу системам на базе стандарта MicroTCA. Он был ратифицирован консорциумом PICMG в июле 2006 году в рамках спецификации MTCA.0 (см. врезку «Новые версии стандарта Micro TCA для систем специального назначения») и характеризуется высокой производительностью и исключительной для малого формфактора 2U пропускной способностью каналов связи. По сравнению с 6U-системами в решениях на базе MicroTCA достигается большая пропускная способность при меньших размерах, тем самым обеспечивается соответствие требованиям SWaP для военных систем повышенной сложности. Стандарт MicroTCA предусматривает до 21 высокоскоростного канала последовательного соединения в отличие от двух в VME и CompactPCI – со скоростью передачи данных 2.5 Гб/с каждый.

Увеличению пропускной способности и оптимизации процесса обработки данных MicroTCA систем способствует также возможность использования нескольких процессоров на одной объединительной плате. Эта возможность реализуема и в системах архитектур VME 6U и CompactPCI, однако использование меньшего формфактора 3U приводит к сокращению пропускной способности по сравнению с MicroTCA. Стандарт MicroTCA можно назвать наибольшим формфактором среди решений малого размера, однако системы 2U x 3-6HP x 183,5 мм выигрывают по размерам даже у 3U VME и CompactPCI.

Системы ответственного применения: VPX или MicroTCA?

Рассматривая MicroTCA в качестве возможной системной архитектуры, большинство разработчиков наверняка обращало внимание на стандарт VITA 46, известный также как VPX. Системы непрерывного действия, функционирующие в сверхсложных условиях, например, подвижные наземные радиостанции с кондукционным охлаждением – вот идеальная среда применения для уникальных вычислительных мощностей стандарта VPX. Результат направленности технологии VPX на высокотехнологичные оборонные применения в экстремальных условиях окружающей среды определяет высокую цену соответствующих решений. Таким образом, MicroTCA представляет собой более универсальную технологию с точки зрения цены и в то же время удовлетворяет требованиям немного менее «жёстких» применений.

Краткие характеристики системных архитектур

 
CompactPCI
VME
PICMG 2.16
VPX
MicroTCA
Формфактор
3U x 160 мм
6U x 160 мм
6U x 160 мм
3U x 160 мм
73,5 мм x 181,5 мм
Взаимодействие процессоров
Обычно один процессор
VMEbus
GbE
GbE, 10 GbE
GbE, 10 GbE
Взаимодействие с периферическими устройствами
PCIbus
VMEbus
PCIbus
PCI Express, Serial Rapid IO
PCI Express, Serial Rapid IO
«Горячая замена»
Только периферия
Нет
Да
Нет
Да
Специальное применение
Да
Да
Да
Да
В разработке
Применение
Широкое
Широкое
Широкое
Оборонная сфера
Широкое

Выбор системной архитектуры для нового проекта, будь то VPX или MicroTCA, достаточно разнообразен (см. Таблицу). По большому счёту, MicroTCA и VPX направлены на решение одних и тех же задач для оборонного применения с различных точек зрения: VPX – это стандарт «жёсткого» исполнения, и системы на его базе не могут быть удешевлены или стать решениями общего назначения. Технология MicroTCA, напротив, исходит из менее жёстких требований к исполнению и более экономична. В новых версиях спецификации MTCA возрастает степень жёсткости исполнения для отдельных элементов. Тем не менее, находятся применения для каждого из стандартов.

В случае, когда времени на разработку достаточно (год и более), и область применения системы ограничивается наземными, а не воздушными подвижными средствами, технология VPX будет наилучшим выбором проектного решения за счёт исключительных характеристик устойчивости и защищённости. Для систем коммуникации на гражданских и военных самолётах лучшей альтернативой будет такая платформа, как высокоскоростная и устойчивая MicroTCA.

Сегодня использование архитектуры MicroTCA для ответственных применений находит всё большее распространение. По результатам испытаний, проведённых британским оборонным предприятием BAE Systems, технология MicroTCA достаточно устойчива и для использования в наземных подвижных средствах (см. Рисунок). Краевой разъём платы формата MicroTCA отвечает требованиям виброустойчивости для радио стандарта JC4ISR (Joint Command, Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance/Объединённое командование, управление, коммуникации, вычислительные системы, информация, надзор и разведка) в рамках системы WIN-T. Испытания показали отсутствие коммуникационных разрывов и актуальность контактов между устройствами в течение периода, эквивалентного 25 годам работы.

Многоядерность и высокая готовность для ответственных применений

Высокоскоростные телекоммуникационные и вычислительные системы формата MicroTCA могут вмещать до 12 блоков на одной объединительной панели. Теперь представим, что на каждом из 12 блоков 2U-системы установлен мультиядерный процессор. При современном уровне развития технологий системы формфактора 3U или 4U могут вмещать до 24 процессорных ядер. Возможность размещения такого количества ядер на маленькой площади – это уникальное преимущество описываемого стандарта. Пропускная способность систем MicroTCA варьируется от 40 Гб/с до более чем 1 Тб/с в зависимости от исполнения, тогда как системы стандартов PICMG 2.16 или VITA 31 в среднем достигают 2 Гб/с.

В дополнение к широчайшим возможностям, реализуемым при помощи многоядерных процессоров в MicroTCA-системах, необходимо упомянуть и высокую готовность оборудования, выполненного на базе этого стандарта. Для ранних оборонных систем данное условие не было основным, но в современных системах комплексного тактического управления характеристика непрерывного функционирования становится критичной. Мониторинг состояния системы и «лечение» её в полевых условиях представляется немалым достоинством MicroTCA (высокая готовность появилась как само собой разумеющаяся при разработке стандартов AdvancedTCA и MicroTCA, изначально поддерживаемая системной инфраструктурой). При помощи интеллектуального интерфейса управления платформой (IPMI) пользователь может быть уведомлён о недостаточной загрузке устройства. Система охлаждения включается и выключается автоматически при изменении температуры окружающей среды, вышедшую из строя плату можно заменить без остановки всей системы. Мониторинг системы на основе IPMI вместе с функцией полного резервирования предотвращают отказ системы при любых условиях.

MicroTCA на поле боя

Среди основных требований к современным оборонным системам можно выделить высокие возможности обработки и передачи данных между собственно участниками, наземными, морскими и воздушными подвижными средствами и командными центрами. Наиболее важными свойствами оказываются пропускная способность и малый размер. Это означает, что основное направление разработок технологий в оборонной сфере – высокая производительность при малом формфакторе. Сегодня выбор разработчиков военных систем лежит между традиционными архитектурами VME и CompactPCI, чётким осознанием места их применения и новейшими технологиями, такими как VPX и MicroTCA, отвечающими всем современным требованиям для ответственных применений. При разработке военных технологий становятся всё более актуальными поддержка многопроцессорности и высокая готовность систем.