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. Показаны широкополосные соединения уровня данных, а также уровень управления на основе технологии Gigabit Ethernet. Отметим, что данная системная архитектура обеспечивает избыточную коммуникационную функциональность по отношению к требованиям рассматриваемой задачи. Теоретически узлы внутри кластера могли бы взаимодействовать по каналам 10 Gigabit Ethernet, а узлы из соседних кластеров – по линиям PCI Express. Хотя на момент построения системы эти дополнительные возможности не использовались, они создали неплохой задел для будущих модернизаций. Потенциальной проблемой при разработке систем такого типа может быть сложность ПО, обусловленная необходимостью поддержки нескольких различных коммуникационных технологий (PCI Express, 10 Gigabit Ethernet, Gigabit Ethernet). Полностью устранить эту проблему способно программное обеспечение Kontron VXFabric, предоставляя API-средства для реализации программного слоя с IP-транспортом поверх протокола PCI Express. При использовании Kontron VXFabric каждый интерфейс безотносительно к его электрической части начинает выглядеть для ПО как стандартный высокоскоростной IP-сокет.

Рис. 2. Архитектура VPX позволяет строить конфигурации с иерархической полноячеистой топологией, включающие коммуникационные интерфейсы трёх разных типов

Рис. 2. Архитектура VPX позволяет строить конфигурации с иерархической полноячеистой топологией, включающие коммуникационные интерфейсы трёх разных типов

Частные случаи и общие рекомендации

Стандарт VPX и архитектура CompactPCI поддерживают множество иных коммуникационных топологий, не упомянутых в настоящей статье. Но опыт говорит, что реализации сложных топологий с множественными высокоскоростными соединениями тяготеют к сегменту VPX, тогда как более простые в коммуникационном отношении задачи решаются, как правило, в рамках более простых и популярных системных архитектур вроде CompactPCI. Определить оптимальную COTS-архитектуру для конкретного приложения можно лишь в ходе тщательного анализа, при этом хорошим критерием оценки может служить коммуникационная топология. Но какую бы архитектуру вы не выбрали, COTS-подход обеспечит возможность модернизации и простоту технологического обновления ваших систем в будущем.