ПРЕСС-ЦЕНТР

Выбор COTS-архитектуры для сонаров и радаров: CompactPCI против VPX

МКА:ВКС 2/2012

Дэвид Пёрсли (David Pursley), Kontron

Для построения решений, реализующих функции радио- и гидролокации, существует много различных COTS-архитектур, включая CompactPCI и VME, а также новые системные стандарты на основе быстрых последовательных соединений (VPX, MicroTCA). На примерах реальных радаров и сонаров автор показывает, как коммуникационная топология может помочь разработчику выбрать оптимальную COTS-архитектуру для конкретного приложения.

Радарные и сонарные приложения относятся к числу фундаментальных областей применения для оборонных платформ по всему миру. В последнее время такие платформы, чей принцип действия основан на цифровой обработке сигналов (Digital Signal Processing – DSP), служат основой для создания систем противоракетной обороны, обеспечивая поиск, ведение и уничтожение целей с высокой точностью. Сегодня, когда средства ПРО должны одновременно решать задачи по обнаружению, опознаванию и отслеживанию целей для принятия эффективных и адекватных контрмер, требования к оборудованию дополнительно повышаются. Параллельно необходимо уменьшать размеры, вес и энергопотребление компьютерных систем (Size, Weight, and Power – SWaP), чтобы та функциональность, которая ранее реализовывалась посредством 19-дюймовых серверных стоек на борту герметичных широкофюзеляжных самолётов, умещалась в корпуса ATR половинных размеров, устанавливаемые на БПЛА. К этому добавляются требования Министерства обороны по поводу гибкости и модернизируемости систем для их возможной последующей переориентации на новые угрозы и новые приложения. Наилучшим вариантом здесь будет использование COTS-технологий, позволяющих модифицировать развёрнутые системы на протяжении их срока службы путём установки новых процессоров и обеспечения поддержки передовых коммуникационных технологий.

В зависимости от прикладной специфики отвечать этим требованиям могут радарные и сонарные DSP-платформы, базирующиеся на практически любой магистрально-модульной архитектуре. Для построения подобных систем можно с успехом использовать и платы CompactPCI 3U/6U, и платы VME, и платы MicroTCA, и платы VPX 3U/6U. Кроме того, подрядчики и производители предлагают широкий спектр технологий для DSP-решений класса High End, включая стандартизированные аппаратные средства CompactPCI и VPX. Высокая производительность является общим требованием, однако не существует такой COTS-архитектуры, которая подходила бы сразу для всех радарных и сонарных приложений. Как правило, та или иная вычислительная архитектура оказывается оптимальной для конкретной задачи с конкретной коммуникационной топологией, что хорошо проявляется в рассмотренных ниже примерах.

Цифровая обработка сигналов

Большая часть вычислений в задачах радио- и гидролокации связана с цифровой обработкой сигналов (DSP). Смысл DSP-обработки состоит в эффективном преобразовании потока данных в релевантную информацию, причём такое преобразование должно осуществляться достаточно быстро. В случае радара или сонара это может быть, например, обработка электромагнитных или акустических сигналов для определения положения, скорости и направления движения потенциальных источников угроз, целей и элементов ландшафта с отбрасыванием ненужных данных, относящихся к небольшим объектам вроде птиц, рыб и т.п.

Обработка больших объёмов данных в приемлемые сроки требует значительных вычислительных мощностей, а также способности вычислительных узлов взаимодействовать друг с другом. Требуемые уровни производительности и пропускной способности сильно зависят от конкретного приложения, варьируются в весьма широких пределах и имеют тенденцию к росту по мере смены поколений технологий. Но коммуникационная топология, как правило, является фиксированной, и потому её можно считать хорошим критерием выбора COTS-архитектуры в практических ситуациях.

На рис. 1 изображены коммуникационные топологии для двух реальных DSP-приложений. Каждый маленький кружочек символизирует вычислительный узел, процессоры которого реализуют последовательность преобразований и фильтров. Стрелками обозначены направления движения (потоки) данных, причём более темному цвету стрелок соответствует большая интенсивность потока. Для простоты показаны только те потоки, которые относятся к высокоскоростному уровню данных (в каждом приложении есть ещё уровень управления на основе каналов Gigabit Ethernet). Топология 1а использовалась в сонарном картографическом приложении, топология 1б – в боевом радиолокационном приложении реального времени.

Рис. 1. У DSP-приложений могут быть очень разные коммуникационные топологии, от простых конвейеров (а) до высокоскоростных иерархических сетей (б)

Рис. 1. У DSP-приложений могут быть очень разные коммуникационные топологии, от простых конвейеров (а) до высокоскоростных иерархических сетей (б)

Для каждой коммуникационной топологии была выбрана та COTS-архитектура, которая наилучшим образом подходила к конкретных прикладным требованиям и обеспечивала при этом приемлемые показатели SWaP (Size, Weight, and Power).

CompactPCI для подводного сонара

Топология сонара, изображённая на рис.1а, соответствует типичному «простому» DSP-приложению. Его потоки организованы конвейерным способом, когда данные последовательно идут от одного узла к другому.

Предварительную обработку поступающих от сенсоров цифровых данных производит левый узел, затем в дело включаются три главных вычислителя, каждый из которых осуществляет серию преобразований типа формирования пучков и фильтрации. Последний узел собирает обработанные данные и обеспечивает их пространственное представление. По главному направлению движения данных (толстые стрелки на рисунке) требуемая пропускная способность не превышает 1 Гбит/с; для обратного направления и служебных коммуникаций уровня управления достаточно гораздо меньших скоростей.

Для создания системы с данной топологией была выбрана COTS-архитектура CompactPCI. В силу своей компактности и относительной простоты кондуктивное оборудование CompactPCI 3U оптимальным образом удовлетворяло требованиям этого конкретного приложения. Стандарт CompactPCI допускал передачу данных не только по параллельной шине PCI, но и по множественным каналам Gigabit Ethernet на объединительной панели, что было очень важно для рассматриваемой сонарной задачи. При построении конечной системы были использованы платы с двухъядерными процессорами, но идеология COTS и стандартизованное назначение выводов должны были позволить наращивать её возможности в будущем (когда от системы потребуется более высокая точность, двухъядерные платы можно будет заменить на четырёхъядерные).

VPX 6U для военного радара

Коммуникационная топология радара, показанная на рис 1б, значительно сложнее. В ней множество узлов, способных обмениваться данными напрямую на высокой скорости.

Данные от сенсоров поступают параллельно по двум быстрым каналам (более 5 Гбит/с) в два кластера, каждый из которых включает шесть узлов. Соединения внутри каждого кластера организованы по принципу «полноячеистой сети», что позволяет его узлам работать быстро и согласованно по принципу суперкомпьютера (узлы взаимодействуют друг с другом на скоростях более 10 Гбит/с). Быстрые межкластерные соединения также организованы по схеме «полноячеистая сеть».

Необходимость поддержки большого числа широкополосных каналов предполагала использование архитектур с последовательными коммутируемыми соединениями, способных обеспечить достаточную пропускную способность для одновременного взаимодействия всех узлов на полной скорости. Выбор стандарта VPX, позволявшего организовывать множественные быстрые внутрисистемные соединения, стал в этой связи вполне логичным шагом, а сужение выбора до формфактора VPX 6U было обусловлено желанием иметь в системе по два высокопроизводительных процессора на один слот, для чего требовались крупные платы с большим допустимым энергопотреблением. В результате каждый кластер занял лишь три слота, и была обеспечена масштабируемость системы по числу кластеров от одного (6 процессоров, 3 слота) до шести (36 процессоров, 18 слотов).

Для реализации системы с иерархической топологией высокоскоростных соединений на уровне данных было использовано несколько технологий. Внутри каждого кластера применялась технология PCI Express, обеспечивавшая большую скорость и детерминированные задержки при взаимодействии отдельных узлов. Обмен данными между кластерами осуществлялся по каналам 10 Gigabit Ethernet, обеспечивавшим требуемую пропускную способность и масштабируемость. На рис. 2 приведена упрощённая схема конечной системы, построенной на платах формата VPX 6U. По