ПРЕСС-ЦЕНТР

Будущее встроенных систем для жёстких условий эксплуатации на основе COTS-технологий: в экосистеме VPX появились 30 поставщиков изделий на базе стандарта OpenVPX

МКА:ВКС №1/11

Винсент Чаффарт (Vincent Chuffart), Kontron

Платформа VPX (VITA 46) описывается широким набором спецификаций (дюжина документов, часть из которых утверждена, а часть находится в draft-версиях. – Ред.). В связи с этим возникла необходимость в создании ещё одного стандарта, описывающего базовые принципы достижения совместимости (интероперабельности) компонентов VPX-платформы на системном уровне. С появлением сегодня стандарта OpenVPX (VITA 65) интероперабельность в единой системе VPX-компонентов от разных поставщиков (вендоров), придерживающихся требований этой спецификации, стала реальностью. Экосистема отвечающих требованиям стандарта OpenVPX совместимых продуктов прирастает разнообразными изделиями, такими как объединительные панели, оборудование для разработки и испытаний и многими другими. Благодаря появлению группы поставщиков VPX-компонентов, обладающих высокой компетенцией в области этой платформы, тонко владеющих инструментарием стандарта OpenVPX, вопрос о внедрении платформы VPX на рынке военных приложений из плоскости «а будут ли системы на основе платформы VPX?» перешёл в плоскость «как скоро появятся принятые в эксплуатацию системы на основе платформы VPX?».

Длительное время основополагающим стандартом для создания раггедизированных (стойких к жёстким условиям эксплуатации) встроенных систем военного назначения на основе COTS-технологий был VME. Разработчики систем высоко оценили этот стандарт за гибкость, которую не давали другие платформы, за открытость архитектуры на базе шины VME, за доказанную практикой надёжность создаваемого оборудования, за широкую экосистему поставщиков компонентов и системных интеграторов. Но сегодня разработчики систем столкнулись с необходимостью создания встраиваемого компьютерного оборудования, производительность которого должна на порядок и более превосходить ту, что обеспечивают VME-системы. Это нужно для обработки огромных массивов данных, поступающих во встраиваемые системы с современных сенсорных систем, построенных на основе ряда инновационных технологий сбора данных. Разработчики систем сталкиваются также с необходимостью интегрировать инновационные технологии радиосвязи в радары и другие системы визуализации, где используются высокопроизводительные процессоры и чипсеты. Помочь разработчикам решить эти задачи призваны платформы на основе стандарта VPX (VITA 46) – наследника стандарта VME.

Подобный потенциал платформ VPX, где используются объединительные панели на основе интерфейсов с коммутацией пакетов, дополняется в рамках стандарта OpenVPX (VITA 65) возможностью обеспечения широкомасштабной интероперабельности их компонентов от разных поставщиков, которая необходима на системном и экосистемном уровнях. И эта возможность, обеспечиваемая стандартом VITA 65, становится ключевым фактором развития рынка VPX-систем на основе COTS-компонентов. Рынок уже сегодня может предложить более сотни готовых совместимых изделий от свыше трёх десятков поставщиков, позволяющих создавать встроенные системы для военных приложений на базе платформы VPX. Это системы, обладающие при большей (чем могут дать иные платформы) производительности ещё и оптимизированной комбинацией SWaP-параметров – т.е. меньших габаритов (Size), массы (Weight) и энергопотребления (Power). Возникающий спектр предложений новых раггедизированных COTS-продуктов стандарта VPX делает очевидным перспективность широкого распространения стандарта OpenVPX.

Построение прочного фундамента для VPX

Рабочие группы ассоциации VITA объединили свои усилия, преследуя цель обеспечить жизнеспособность стандарта VPX, и смогли заложить под него прочный фундамент. В качестве такового выступают три спецификации: VPX/VITA 46 – базовый стандарт, закладывающий основы платформы на уровне печатных плат (электрические сигналы и механика); VPX-REDI/VITA 48 – спецификация, закладывающая основы механической раггедизации, и OpenVPX/VITA 65 для обеспечения интероперабельности на системном уровне.

Главное достоинство спецификации уровня печатных плат – это возможность формирования на её основе стабильной экосистемы производителей разъёмов и объединительных панелей, развивающейся на принципах конкуренции. Ведь рынку военных систем по-прежнему важны те преимущества, которые дал стандарт VME: возможность защищённой стандартизации низкоуровневого интерфейса на основе разъёмов и объединительных панелей. Без создания подобного гарантированно стабильного фундамента было бы невозможно создание перспективной инновационной платформы VPX.

Следует отметить, что базовые спецификации VPX не рассчитаны на то, что в своих первых экспериментах с платформой VPX разработчики будут в одной системе смешивать модули от разных поставщиков, в то время как стандарт OpenVPX стал той отправной точкой, которая позволила производителям COTS-компонентов запустить разработки отдельных модулей и объединительных панелей на базе стандарта VPX, а также компьютерных систем на их основе. Стандарт OpenVPX стал залогом уверенности в защите инвестиций при внедрении новых технологий на основе последовательного наращивания усилий и накопления опыта. Подобный итерационный процесс – это самая суть процесса разработки открытых масштабируемых модульных компьютеров на основе объединительных панелей, в отличие от создания «закрытых» компьютерных «чёрных ящиков» с ограниченными возможностями расширения. Стандарт OpenVPX позволит также интеграторам разрабатывать модули, удовлетворяющие потребностям специализированных приложений, обеспечивая при этом их гарантированную совместимость с экосистемными требованиями на много лет вперёд.

Элементы жизнеспособной экосистемы

Признаком «здоровья» экосистемы OpenVPX является возможность гибкого обеспечения рынка аппаратными компонентами, среди которых можно найти как объединительные панели класса COTS, так и специализированные объединительные панели, а также модули и системы, программное обеспечение и операционные системы, инструментарий разработчика и другие элементы. В связи с тем, что в основе платформы VPX лежит отказ от параллельных шин и использование вместо них высокоскоростных одноранговых коммуникаций (point-to-point, high-speed links), для создания наиболее эффективных компьютерных решений разработчикам нужны объединительные панели, в которых были бы реализованы специальные технологии коммутации.

В связи с этим «поверх» существующих профилей OpenVPX, определяющих требования к слотам объединительных панелей и модулей, будет возникать базовый спектр компьютерных профилей. Эти профили будут отвечать группам наиболее популярных приложений, вроде компьютерных систем с особыми требованиями к защите вычислений, а также высокопроизводительных компьютерных систем на основе параллельных вычислений, или встраиваемых одноплатных компьютеров, сопряжённых с несколькими модулями ввода/вывода (рис. 1).

Базовый профиль VPX
Рис. 1. Базовый профиль VPX для высокопроизводительной компьютерной системы, дополняющий профили системы OpenVPX, позволяет использовать одну и ту же объединительную панель в разных проектах

Ясно, что внутри базового компьютерного профиля появятся базовые объединительные панели, что заложит фундамент для возможности использования одной и той же объединительной панели в разных проектах. Вендоры модулей, такие как Kontron, объединяются с другими поставщиками, с тем чтобы иметь возможность предложить полные семейства объединительных панелей.

На рынке есть также и гибридные решения, объединяющие унаследованные VME-модули на основе самых современных процессоров с VPX-модулями. Это позволяет удовлетворить требованиям некоторых специализированных заданий на разработку, а также помогает плавно переходить на технологию OpenVPX. На рис.2 представлен пример такой миграции.

Решение на основе гетерогенной объединительной панели формата 3U VPX
Рис. 2. Решение на основе гетерогенной объединительной панели формата 3U VPX для поддержки миграции с системы формата 6U VME на систему 3U VPX

Весьма вероятно, что разработчики систем для военных приложений захотят оценить приемлемость для себя платформы VPX исходя из того, смогут ли поставщики модулей обеспечить плавный переход между поколениями встроенных систем с точки зрения программного обеспечения. В связи с этим рассмотрим следующие два важнейших аспекта: технологии коммуникаций на основе объединительной панели и контроль системных параметров и работоспособности системы.

Обмен данными

Ряд компаний имеет собственные предпочтения для выбора той или иной технологии последовательной передачи данных, и стандарт OpenVPX предусматривает возможность реализации таких предпочтений. Среди явных «лидеров» технологий последовательных коммуникаций, как следует из последнего обзора VITA по OpenVPX, – стандарты PCI Express (PCIe) и Serial RapidIO, а также, в не слишком далёкой перспективе, и 10 GbE. Шина PCI Express является технологией класса «plug-and-play», её реализация достаточно экономична в стоимостном выражении. Этот интерфейс позволяет реализовывать топологии обмена данными, хорошо обслуживающие системы параллельных вычислений, используемые ныне во многих военных приложениях. Важный аргумент «за» или «против» – соотношение «цена/производительность». Весьма привлекательный аргумент – низкая стоимость аппаратного обеспечения. Но игра может не стоить свеч в случае больших затрат (человеческих и временных) на создание очень сложного программного кода на уровне «кремния» для реализации «элементарных» процессов, таких как, например, передача данных в объединительной панели.

Мониторинг состояния системы

В большинстве развёрнутых в настоящее время VME-систем мониторинг состояния обеспечивается работой «закрытых» специализированных приложений на основе низкоуровневого программного обеспечения, создание которого выходит за рамки компетенции вендоров.

В связи с этим рабочая группа по созданию спецификации VITA 46.11 разрабатывает универсальную платформу для мониторинга системных параметров на основе передачи данных по шине SMB, реализованной в объединительной панели. И первым VPX-поставщиком, успешно справившимся с задачей представления рынку полного решения, вероятнее всего будет та компания, которая сможет использовать свой опыт по созданию решений для дистанционного управления компьютерными системами, полученный на другом рынке (например на телекоммуникационном).

Разработчики же встроенных систем должны ориентироваться на сотрудничество с теми поставщиками, которые смогут предложить программные интерфейсы прикладного программирования (API), нацеленные на реализацию приложений системного мониторинга при работе существующих приложений на одноплатных компьютерах стандарта VPX.

Использование экосистемы OpenVPX для проектирования систем на основе платформы VPX

Одно из главных достоинств платформы VPX в задачах разработки систем военного назначения – возможность уменьшения их размеров. Сегодня системы формфактора 6U VME уже не позволяют использовать для снижения габаритов встроенных систем возможности, достигнутые в области уменьшения топологических норм производственных процессов микроэлектроники и интеграции микросхем (успехи последнего 10-летнего периода развития микроэлектроники). Для военных приложений контроля обстановки в понятие «размеры» входят не только габариты, но и масса и энергопотребление, уменьшение которых критически важно для увеличения времени работы системы при выполнении задания по контролю ситуации. При переходе на платформу VPX удаётся создавать весьма мощные компьютеры на базе модулей формфактора 3U. Это весьма значимое изменение, ставшее возможным благодаря появлению жизнеспособной экосистемы OpenVPX.

Оборудование, используемое на борту БПЛА для контроля ситуации включает системы видеонаблюдения, радары, системы разведки на основе электронной оптики и регистрации инфракрасного излучения, системы регистрации работы вражеских радаров и их подавления. Столь широкий спектр необходимых систем заставляет разработчиков авионики для БПЛА балансировать на тонкой грани между требованиями к высокой производительности и SWaP-минимизации. Все упомянутые выше системы предъявляют высокие требования к производительности обработки сигналов, поступающих по каналам на основе дифференциальных пар. А платформа VPX – это как раз тот инструмент, который обеспечивает наивысшую производительность, измеряемую прохождением через каждую дифференциальную пару объединительной панели нескольких гигабайт в секунду. Современные радары позволяют различать всё более тонкие детали, извлекать всё более «тонкие» биты полезной информации на фоне шумового окружения, различать объекты и людей на всё больших расстояниях. Использование платформы VPX для подобных приложений позволяет удовлетворить требованию обработки компьютером всё большего потока данных, а не просто повысить вычислительную производительность вычислительной платформы.

Для приложений визуализации обстановки в боевых условиях важно правильно подобрать компоненты для встроенной системы, которая бы смогла выполнять алгоритмы цифровой обработки сигналов, а также управлять сбором данных с множества разных сенсоров, используя и маршрутизируя данные с них. Залогом успешного проведения оптимизации SWaP-характеристик при этом является возможность интеграции конечных систем на основе интероперабельных компонентов от разных поставщиков, поставки которых отвечают жёстким требованиям графика проведения проектных работ, а конструкция – жёстким требованиям военных в части использования открытых стандартов.

Для систем визуализации в военных приложениях модули формата 3U VPX, отвечающие требованиям стандарта OpenVPX, являются именно «тем, что надо». Решения для хранения данных на основе технологии SATA SSD для подобных приложений оказываются весьма подходящими, и эти решения могут интегрироваться в систему на основе предусмотренного стандартом OpenVPX интерфейса XMC. Подобное решение обеспечивает необходимые требования к производительности ввода/вывода, поддерживаемого объединительной панелью (видеопоток первичных данных с камеры высокого разрешения может достигать 400 Мбайт/с), а также возможность использования интерфейса PCIe для подключения радаров нового поколения и поддержки современных алгоритмов обработки движения на основе видео без каких-либо ограничений.

На основе VPX-платформ при возникновении необходимости легко реализуется сопряжение с наземными системами для передачи «живого» видео в сжатом виде или иной информации. Платформы VPX способны обеспечить более высокие производительности обработки данных в пересчёте на слот и более высокие скорости коммуникаций между модулями ввода/вывода и модулями компьютерной обработки. Для этого можно использовать интерфейсы PCIe, 10 GbE или Serial RapidIO. Ещё одним преимущество платформы VPX – возможность реализации таких кодеков, как ITU-T H.263, H.264 (MPEG-4 part 10) и JPEG2000, обеспечивающие эффективное программное кодирование мультимедийной информации на компьютерных модулях общего назначения.

Раггедизированные VPX-модули с кондуктивным охлаждением с габаритом 0,8 дюйм (измеряемым по ширине передней панели) предпочтительны для построения систем, к минимизации габаритов которых предъявляются повышенные требования. Показательно, что результаты недавнего обзора по перспективам применения платформы VITA VPX указывают на то, что значительная часть запланированных к развёртыванию систем на основе стандарта VPX – это системы на основе кондуктивного охлаждения. И в связи с тем, что функциональные возможности различных компонентов продуктового портфолио экосистемы сами по себе лишь часть «переменных» в «уравнении», решаемом при выборе правильных компонентов, достижимая за счёт использования стандарта OpenVPX интероперабельность также обеспечивает высокую доступность разнообразных компонентов и надёжность их интеграции в системы для подобных военных приложений.