ПРЕСС-ЦЕНТР

Стандарт VPX: путь к зрелости

Александр Ковалёв, Виктор Синенко, ЗАО «РТСофт»

Начав свой путь сравнительно недавно как преемница технологии VME для новых и перспективных проектов в оборонных приложениях, системная архитектура VPX вступила в пору зрелости. В своем современном виде VPX – это развитый стандарт, пользующийся серьёзной поддержкой на рынке и позволяющий создавать эффективные боевые решения экстра-класса, которые почти невозможно создать ни на какой другой технологической основе.

Строго говоря, под термином «VPX» следует понимать не конкретную спецификацию ассоциации VITA: «VITA 46». Это большая серия связанных стандартов, которые описывают вопросы архитектуры, системотехники, механики, альтернативных системных соединителей, методов охлаждения и обслуживания систем на уровне ТЭЗов для боевых встраиваемых систем. К рассмотрению такого сложного и масштабного явления, как VPX, можно подходить с разных сторон. В том числе с исторической. К началу 21-го столетия технология VME оказалась в эволюционном тупике, исчерпав все существенные возможности развития. Инициатива VME Renaissance ассоциации VITA имела своей основной целью повышение пропускной способности VME-совместимых систем, поскольку именно пропускная способность шины VMEbus являлась на тот момент (и остаётся по сей день) наиболее проблемным местом классической архитектуры VME. На первом этапе «ренессанса VME» был придуман протокол 2eSST (спецификация VITA 1.5), благодаря которому скорость параллельного интерфейса VME удалось поднять до 320 Мбайт/с. Затем была разработана спецификация VITA 31, описывающая реализацию в крейте VME некоего подобия высокопроизводительной системы CompactPCI PICMG 2.16 с подключением плат к быстрым внутрисистемным каналам GEthernet через стандартный разъём VME64x P0 (по два порта GEthernet на один разъём). В дальнейшем появилась возможность привлекать для организации взаимодействия между слотами не только GEthernet, но и другие передовые коммуникационные технологии, такие как InfiniBand, Serial RapidIO, 10 GEthernet и PCI Express. Соответствующий стандарт, получивший название VXS (спецификация VITA 41), определил разъём P0 новой конструкции, который позволил обеспечить поддержку до четырёх быстрых 10-гигабитных портов на одну плату, но привёл к частичной утрате механической совместимости с исходной системной архитектурой VME.

В середине «нулевых» стало окончательно ясно, что традиционная версия системной архитектуры VME со всеми её модификациями не имеет будущего в долгосрочной перспективе. На этом историческом фоне прозвучал заключительный аккорд программы VME Renaissance: ассоциация VITA (http://www.vita.com) одобрила спецификацию VPX (VITA46), окончательно порвавшую с исходной архитектурой VME в плане механики системного разъёма, электрики и протоколов передачи данных.

Операция «Преемник»

Как уже говорилось выше, стандарт VPX должен был подвести логический итог программе VME Renaissance, акцент в которой делался на повышение внутрисистемной пропускной способности для VME-подобных систем. Однако разработчики новой магистрально-модульной архитектуры из числа компаний, входящих в консорциум VITA, желали использовать предоставившийся им шанс по максимуму. Наряду с простым увеличением скоростей обмена между платами, они собирались решить ряд других давно назревших проблем, которые не представлялось возможным решить в рамках классических магистрально-модульных стандартов вроде VME и CompactPCI.

По мысли создателей, архитектура VPX должна была поддерживать те же типоразмеры 3U и 6U (рис. 1, 2), что и её предшественницы, но базироваться на других системных разъёмах, поскольку унаследованные разъёмы VME и CompactPCI обладали рядом неустранимых недостатков. Основной из них – малая полоса пропускания для поддержки современных последовательных технологий обмена данными.

Рис. 1. Кондукционный модуль формата 6U VPX серверного уровня

Рис. 1. Кондукционный модуль формата 6U VPX серверного уровня

Рис. 2. Кондукционный модуль формата 3U VPX с многоядерным процессором

Рис. 2. Кондукционный модуль формата 3U VPX с многоядерным процессором

Кроме того, претендуя на статус ключевой технологии для клиентов из оборонной и аэрокосмической отраслей, VPX должна была быть готовой к применению в проектах с жизненным циклом, исчисляемым десятилетиями. Это обязывало её авторов создать задел на будущее и предусмотреть в новом стандарте поддержку высокоскоростных последовательных внутрисистемных соединений на основе как уже существующих (например, 10 GEthernet), так и перспективных высокопроизводительных коммуникационных технологий (40 GEthernet, 100 GEthernet). При этом системы на основе архитектуры VPX должны были стать комфортной средой обитания для мощных процессоров текущего и следующих поколений, что требовало предусмотреть эффективный отвод тепла от отдельных модулей. Было весьма желательно также, чтобы платформа, идущая на смену VME и CompactPCI, стала ответом на чаяния абсолютного большинства владельцев боевой компьютерной техники, давно мечтавших о возможности безопасной замены хорошо защищённых отдельных модулей в полевых условиях.

Не будет большим преувеличением сказать, что новый системный разъём является центральным структурным элементом всего здания VME и во многом определяет ключевые потребительские свойства этой системной архитектуры. Новый разъём ориентирован на использование высокопроизводительных коммуникационных технологий вроде 10 GEthernet, PCI Express, Serial RapidIO и InfiniBand. Для совместимости с унаследованными системами VME на разъёме «распинована» классическая шина VME. Поэтому поставщики оборудования иногда преподносят VPX как глубокий тюнинг VME-решений, что верно лишь отчасти.

Тем не менее сильная связь между VPX и VME очевидна. Эти системные архитектуры роднит ориентация на одни и те же приложения (преимущественно оборонные и аэрокосмические), а также поддержка со стороны одних и тех же производителей, которые, собственно, и продвигают стандарт VPX на рынок в качестве замены и «продолжателя дела VME». Подобно изделиям VME, изделия VPX могут существовать в защищённых версиях, рассчитанных на эксплуатацию в экстремальных условиях. В данном отношении VPX идёт много дальше VME, поскольку поддерживает такую степень защищённости на уровне плат, которая позволяет заменять отдельные модули «в поле» без принятия особых мер предосторожности и участия высококвалифицированного обслуживающего персонала (стандарт VPX REDI).

Кроме того, системная архитектура VPX близка к VME в том смысле, что она близка к пользователям VME. Существующим пользователям она предлагает наиболее естественный и эффективный путь в будущее на правах официально объявленной преемницы VME. Если же вести речь об освоении с нуля, то есть о новых пользователях, архитектура VPX может оказаться даже проще VME, поскольку технологически гораздо сильнее связана с миром общегражданских систем, наследуя из этого мира наиболее развитые технологии передачи данных.

Стандарт с человеческим лицом

Может показаться, что ввиду отсутствия совместимости между архитектурами VME и VPX на физическом, электрическом и программном уровнях освоение технологии VPX есть дело сложное и дорогое, однако это не так. VPX весьма дружественна к пользователю в силу одного важного обстоятельства: с точки зрения применяемых базовых технологий типичная VPX-система гораздо ближе к миру обычных настольных ПК, чем система VME. В типичной VPX-системе нет экзотической шины VMEbus, а все остальное по большей части заимствовано с рынка настольных компьютеров и серверов. Основная масса оборудования VPX строится на базе тех же x86-совместимых процессоров, модулей памяти и периферии и опирается на те же интерфейсные и коммуникационные технологии (PCI Express, GEthernet, USB, HDMI/DisplayPort), что и настольные системы. Даже мощные мультипроцессорные комплексы в стандарте VPX, при всей их новизне и уникальности, – это, в сущности, не что иное, как привычные вычислительные кластеры, где роль отдельных компьютеров играют VPX-модули, а межмашинное (межмодульное) взаимодействие, как и ранее, осуществляется по каналам GEthernet, выполненным не в виде кабелей, а в виде дорожек на объединительной магистрали. Как следствие, львиная доля труда по созданию типичной VPX-системы не требует каких-то сакральных знаний, которые приобретаются лишь за долгие годы работы в специальных областях над специальными проектами, и может осуществляться экспертами по вполне обычным системам настольно-офисного класса.

Стандарт VPX допускает использование различных коммуникационных технологий для организации взаимодействия между платами. Однако на практике внутрисистемный обмен чаще всего организуется при помощи привычных технологий GEthernet и PCI Express. Легко понять, почему это так: абсолютное большинство выпускающихся в настоящее время VPX-модулей строится на базе современных x86-совместимых процессоров, чьи чипсеты поддерживают технологию PCI Express по умолчанию.

При ближайшем рассмотрении дружественными оказываются даже те аспекты технологии VPX, которые не имеют никаких аналогов на рынке массовых компьютеров. Мы имеем в виду прежде всего стандарт VPX REDI, определяющий использование защищённых модулей в герметичных корпусах с кондуктивным или жидкостным охлаждением. В мире ПК нет ничего похожего на VPX REDI, однако этот стандарт разрабатывался специально для того, чтобы гарантировать предельную простоту и удобство взаимодействия с оборудованием для неискушённого пользователя.

Итак, ни отсутствие обратной совместимости с VME, ни принципиально новая функциональность не могут считаться факторами, осложняющими освоение системной архитектуры VPX. Тем не менее вплоть до недавнего времени сложности с освоением VPX возникали у многих клиентов. И обусловлены эти сложности были несовместимостью оборудования в рамках самой экосистемы VPX.

Свобода или вседозволенность?

Воздух свободы сыграл с авторами стандарта VPX злую шутку. Создатели VPX так сильно стремились вырваться за тесные рамки VME, что несколько переоценили потребности рынка в свободе самовыражения со стороны поставщиков оборудования. Желая обеспечить охват максимально широкого диапазона конечных приложений, авторы нового стандарта сделали его воистину всеобъемлющим – и, как ни странно, именно это стало серьёзным препятствием на пути VPX к широкому признанию. Несколько чрезмерная свобода манёвра, заложенная в спецификацию VITA 46, приводила к тому, что оборудование одного производителя оказывалось несовместимым с оборудованием другого производителя. В результате более-менее законченные проекты удавалось реализовывать лишь на базе изделий одного поставщика: Kontron, GE IP, Curtiss Wright или кого-то ещё.

Энтузиасты – и таких было немало – не видели в этом ничего страшного, однако подавляющее большинство «нормальных» пользователей такое положение дел не устраивало. Разработчики, привыкшие брать лучшие совместимые продукты из разных источников и быстро создавать мультивендорные конечные системы, оптимально «заточенные» под конкретные прикладные задачи, были де-факто лишены такой возможности. Несовместимость между VPX-изделиями разных производителей имела место, главным образом, на системном уровне, более конкретно – в таких важнейших аспектах, как назначение контактов в разъёме и организация тыльного ввода-вывода. Теоретически VPX, как и всякий приличный стандарт, должен был обеспечивать безоговорочную совместимость удовлетворяющих ему продуктов от разных поставщиков, на практике же такой совместимости не наблюдалось, ибо спецификация VITA 46 слишком многое оставляла на усмотрение производителей. Получалось, что свобода творчества поставщика оборудования шла в ущерб рыночной свободе действий клиента. С учётом ориентации технологии VPX на оборонные и аэрокосмические приложения этот момент служил серьёзным сдерживающим фактором на пути внедрения VPX.

Сложилась довольно странная ситуация, когда в целом идеология VPX устраивала всех участников рынка, но практика работы с VPX не устраивала почти никого. Отсутствие совместимости между изделиями разных производителей приводило к тому, что рынок VPX был малоконкурентным, а цены на нём – сравнительно высокими. В итоге в среде разработчиков довольно быстро утвердилась мысль, что VPX – это сложно, неудобно и дорого. Самое грустное, что не все носители подобных представлений были людьми предвзятыми.

Дороговизна оборудования VPX была обусловлена не только слабой конкуренцией между производителями. Далеко не всегда из одного источника можно было получить все комплектующие, необходимые для построения системы с конкретными свойствами. Как правило, в продуктовом портфеле каждого отдельного производителя присутствовало почти всё, что нужно, а остальное он был готов разработать специально для заказчика за отдельную и немалую плату, и то, что должно было выглядеть как закупка плат, превращалось в заказ проектного решения.

В результате страдали как клиенты, лишённые возможности свободно конфигурировать свои VPX-системы, так и поставщики, продающие оборудование стандарта VPX в меньших объёмах, чем им бы хотелось. Недовольство сложившейся ситуацией привело к тому, что компания Mercury Computer Systems и ряд других известных производителей оборудования для оборонных систем предприняли попытку напрямую договориться друг с другом о том, как обеспечить совместимость выпускаемых ими продуктов на уровне систем. Так по соседству с VITA возникла альтернативная организация OpenVPX, провозгласившая своей целью устранение проблемы несовместимости. В эту организацию вошли те производители, которых не устраивали текущие темпы роста рынка VPX и которые были готовы следовать совместно выработанным правилам, направленным на обеспечение совместимости аппаратных средств из разных источников. В результате на свет появилась спецификация OpenVPX, которая первоначально существовала вне рамок VITA, так как, по сути, была создана другим консорциумом. Впоследствии объединение производителей OpenVPX легализовалось в формате одного из комитетов VITA, а стандарт OpenVPX обрёл статус спецификации VITA 65.

Свобода через самоограничение

Стандарт OpenVPX был призван «модернизировать» технологию VPX таким образом, чтобы на её основе могла развиться конкурентная среда, которая бы способствовала снижению цен и обеспечивала совместимость оборудования из разных источников. Подобные экосистемы, возникающие вокруг открытых промышленных стандартов, позволяют пользователям оптимизировать конечные решения за счёт свободного, без оглядки на отсутствующую проблему совместимости, выбора тех изделий, которые наилучшим образом подходят для конкретных задач.

В настоящее время продукты, удовлетворяющие стандарту OpenVPX (VITA65), предлагаются всеми ключевыми игроками сегмента VPX. Сегодня невыгодно разрабатывать и производить новые изделия только по базовому стандарту VPX, без учёта требований OpenVPX.

Границы свободы

Спецификация VITA 65 предлагает набор шаблонов (профилей), которым должны соответствовать части VPX-системы (процессорные модули, платы ввода-вывода, объединительные магистрали), чтобы корректно функционировать в её составе. Фактически, в многомерном пространстве возможностей, предоставляемых базовым стандартом VPX, выделяются и конкретизируются некоторые области с достаточно чётко очерченными границами, соответствующие наиболее распространённым типам продуктов и сценариям их применения. И идея свободы, загнанная в эти рамки, стала наконец конструктивной рыночной силой. Теперь производитель, желающий разработать модуль с некоторой функциональностью, находит в стандарте OpenVPX нужный профиль, создаёт продукт с удовлетворяющей этому профилю разводкой выводов и отражает данный факт в описании изделия в виде буквенно-цифрового кода. На основании этого кода пользователь может определить, с какими продуктами других производителей должно быть совместимо данное конкретное изделие, и принять взвешенное решение относительно его покупки.

Руками трогать!

Ещё одно преимущество технологии VPX, позволяющее расходовать бюджет более эффективно, – это стандарт VPX REDI (VITA 48), определяющий модули в герметичных защитных кожухах (рис. 3). Авторы спецификации VITA 48 стандартизовали различные виды охлаждения: воздушное, кондуктивное, потоком жидкости, разбрызгиванием. В заказных кастомизированных системах всё это использовалось и раньше, но стоило немалых денег. Спецификация VPX REDI впервые позволила реализовывать продвинутые схемы охлаждения на основе стандартных серийных аппаратных средств от разных производителей за гораздо меньшие деньги.

Рис. 3. Универсальная система VPX 3U с защищёнными коннекторами

Рис. 3. Универсальная система VPX 3U с защищёнными коннекторами

Не секрет, что для боевой компьютерной техники, сроки эксплуатации которой исчисляются десятилетиями, общая стоимость владения может многократно превысить начальные затраты на разработку, закупку оборудования, интеграцию и написание программного обеспечения (ПО). Стандарт VPX REDI отражает концепцию двухуровневой поддержки (2-level maintenance), призванной уменьшать стоимость владения за счёт исключения из процесса обслуживания одного этапа. Традиционно пользователи оборонных компьютерных решений заменяли вышедший из строя крейт целиком со всем содержимым. Неисправная система демонтировалась, после чего либо отправлялась к производителю, либо просто выбрасывалась, а на её место устанавливалась исправная. При использовании оборудования, удовлетворяющего стандарту VPX REDI, конечные пользователи могут иметь дело с содержимым крейта и заменять отдельные неисправные модули в его составе, что гораздо удобнее, быстрее и дешевле. Кроме того, благодаря герметичному исполнению модулей VPX REDI с ними можно работать без специальной электростатической защиты в условиях, далёких от лабораторных. Закрытые кожухи, предусмотренные стандартом VPX REDI, надёжно изолируют печатные платы от электрических, механических и климатических внешних воздействий и позволяют осуществлять замену модулей без участия высококвалифицированного технического персонала. Замена может производиться людьми, не имеющими вообще никаких навыков обращения с компьютерной техникой. По сути, стандарт VPX REDI позволяет свести весь комплекс операций по обслуживанию развёрнутых систем к простейшей последовательности действий: извлечению неисправного модуля и установки на его место исправного.

В стандарте VPX REDI нашли свое воплощение давние чаяния военных по поводу того, чтобы типовым элементом замены являлся бы не крейт, а защищённый модуль, для вставки/извлечения которого не требовался бы квалифицированный обслуживающий персонал.

Альтернативы

Технология VPX способна обеспечить преимущество в практически любых приложениях, относящихся к сегментам высокопроизводительных оборонных, аэрокосмических и ответственных систем. Особенно большую пользу VPX приносит в тех задачах, которые хорошо распадаются на отдельные части и могут быть решены путём построения мультипроцессорных конфигураций с широкополосной связью между отдельными центральными процессорами (ЦП). Если обработки очень много и при этом она не обязана быть локализована в одном процессоре, VPX будет прекрасным выбором, поскольку эта технология позволяет создавать хорошо масштабируемые сильносвязанные системы с огромным числом вычислительных узлов.

Хотя во всей красе преимущества VPX проявляются именно в кондуктивных решениях (рис. 4), это не умаляет значения VPX как технологии для построения высоконадёжных высокопроизводительных систем с воздушным охлаждением (рис. 5). Для задач высшей производительности, различных DSP-подобных и кластерных приложений очень важны многочисленные скоростные линии связи между частями системы. Такие системы нельзя построить на оборудовании CompactPCI или VME, которое в принципе не способно обеспечить достаточный уровень внутрикрейтовой пропускной способности. Многопроцессорные комплексы в стандартах CompactPCI или VME всегда будут слабее VPX-систем просто в силу ограниченности соответствующих системных архитектур. При этом системы CompactPCI и VME ещё и будут менее надёжны, что немаловажно с учётом особенностей тех прикладных областей, которые входят в сферу интересов всех трёх стандартов.

Рис. 4. Универсальная кондукционная система VPX 3U

Рис. 4. Универсальная кондукционная система VPX 3U

Рис. 5. Типовые конвекционные платформы VPX 6U

Рис. 5. Типовые конвекционные платформы VPX 6U

На технологической платформе VPX можно решать едва ли не все мыслимые задачи, требующие высокоскоростной связи между компонентами системы и гибкости при организации внутрисистемных соединений (поддержки разнообразных интерфейсов). Стандарт CompactPCI Serial не позволяет создавать мультипроцессорные конфигурации, поскольку технология PCI Express унаследовала от шины PCI архитектурный принцип выделенного хоста. В архитектурном отношении система CompactPCI Serial представляет собой, по сути, обычный компьютер с одним ЦП и периферийными платами. И, разумеется, стандарт CompactPCI Serial допускает использование лишь одного метода организации внутрисистемных соединений, тогда как VPX поддерживает минимум четыре таких метода. Стандарт VPX позволяет строить любые конфигурации: мультимашинные (рис. 6), мультипроцессорные, мультипроцессорные с периферией и даже сегментированные, в которых определённые периферийные платы могут работать через VPX-коммутаторы только с определёнными хостами, а хосты при этом могут взаимодействовать друг с другом по каналам PCI Express или Gigabit Ethernet. Подобного не позволяет делать ни одна другая системная архитектура, включая MicroTCA. Мультипроцессорные системы на основе MicroTCA создавать можно, но коммутаторы MCH не могут обеспечивать сегментацию. Кроме того, стандарт MicroTCA начисто лишён какой-либо преемственности по отношению к VPX, CompactPCI и другим системным архитектурам. В частности, процессорные и периферийные модули в стандарте MicroTCA (AdvancedMC) имеют совершенно иные размеры, не предусматриваемые привычной механикой 3U/6U. Наконец, системы MicroTCA даже в версиях Rugged/Hardened (спецификации MTCA.1, MTCA.2 и MTCA.3 консорциума PICMG (www.picmg.com) не могут обеспечить тех уровней защищённости и удобства в использовании, которые даёт стандарт VPX REDI. Можно долго спорить о том, где здесь заканчиваются объективные технические преимущества и начинается косность мышления, однако правда в том, что самая консервативная часть целевой аудитории VPX воспринимает шумиху вокруг инициатив наподобие Rugged/Hardened MicroTCA в лучшем случае как шутку.

Рис. 6. Двухмашинный компьютерный кластер с многоядерными процессорами, в формате VPX 6U для систем класса РЭБ

Рис. 6. Двухмашинный компьютерный кластер с многоядерными процессорами, в формате VPX 6U для систем класса РЭБ

Две причины для жизни VPX

Сегодня VPX – это зрелый промышленный стандарт для использования в самых ответственных проектах. Системная архитектура VPX в её нынешнем состоянии – хорошая основа для решения сложных задач в реальном мире, а не в мире высоких идей. Хотя, как показывает практика, на поле VPX реальный мир и высокие идеи неплохо сосуществуют...

Стандарт OpenVPX принят на вооружение как ведущими мировыми и отечественными производителями изделий уровня плат и систем, так и их многочисленными клиентами. Причём термин «на вооружение» во многих случаях можно понимать буквально. Проблемы VPX, оттягивавшие начало масштабного внедрения этого перспективного стандарта, решены.

Если года три-четыре тому назад ещё могли быть какие-то сомнения относительно того, «взлетит» ли технология VPX, то сегодня ответ на этот вопрос очевиден. За будущее VPX можно быть совершенно спокойным по двум очень простым причинам:

1. Ни одно развитое государство мира не отказывается от планов создания, покупки или продажи современных средств вооружений, развитие которых требует использования совершенных встраиваемых компьютерных технологий. Бюджеты большинства военных ведомств говорят сами за себя.

2. Ни одна магистрально-модульная компьютерная технология на мировом рынке не обладает сегодня аналогичным совокупным набором свойств и преимуществ, делающих её достойным конкурентом VPX при создании огромного разнообразия перспективных ответственных оборонных систем самого различного назначения: от торпеды до бортовой РЛС истребителя или ЗРК.