שחקני המחשוב המשובץ מציגים: ארבעה אלמנטים פיסיים עם עתיד בטוח ביותר

Ingrid Einsiedler, Kontron

נאמר שאין דבר בטוח יותר מאשר השינוי. דבר זה נכון במיוחד כאשר מדובר בהתפתחויות הראויות לציון שנעשו במחשוב משובץ. ואין עוד מקום שבו עברו בדיקות ונבחנו בקפידה אותן התפתחויות שמומשו באלמנטים פיסיים ובתקנים של מחשוב משובץ, יותר מאשר במערכות צבאיות. יישומים מתאימים לשדה הקרב המודרני מעמידים אתגר בפני מתודולוגיות התכנון הקפדניות, אשר בהם, השורדים בסופו של דבר, יהיו רק האלמנטים הפיסיים החזקים ביותר ובעלי יכולת קיום הטובה ביותר. אך בשל הדרישות המשתנות של יישומים צבאיים, הן אלו המבוססות על טכנולוגיה וגם אלו המבוססות על תוכנית, אין אלמנט פיסי משובץ יחיד שעונה על כל הצרכים. זו הסיבה לכך שפותחו אלמנטים פיסיים מרובים למחשוב משובץ והם ממשיכים לשרת בהצלחה את הצרכים של היישומים המיוחדים.
בהתבסס על חיים מציאותיים, שבהם “אין מידה אחת שמתאימה לכולם”, נוצרו אותן פלטפורמות סטנדרטיות מסחריות מן המדף (COTS) שמפגינות את תכונותיהן פעם אחר פעם, במיוחד בסביבה הצבאית. אם היה עלינו לצמצם את הרשימה לארבעה אלמנטים פיסיים, הייתה הרשימה כוללת מחשבים על מודול (COM) מסוג VME, CompactPCI ו-COM Express, ואת VPX שמצטרף לשורות בתור הפנים החדשות המצליחות, שמהר מאוד הוכיחו מה הן שוות.
יצרני ציוד מקור (OEM) בתחום הצבאי הבינו שיש לקחת בחשבון את כל הגורמים, על מנת לקבוע מהי גישת התכנון הטובה ביותר. לכן, כל דיון בנושא אבטחת עתידם של אלמנטים פיסיים משובצים מסוימים לא ייחשב שלם, מבלי שיילקחו בחשבון הדרישות והמדדים החשובים של המערכת, אשר על פיהם הם נשפטים.
חשיבות מהותית יש להיצמדות לדרישות הגודל, המשקל וההספק (SWaP), ותוכניות צבאיות עוד הוסיפו למשוואה זו את האלמנט החשוב מכל – הלא הוא העלות Cost) – SWaP-C). אמיתות נוספת בעלת ודאות רבה היא העובדה שמערכות ימשיכו להיות קטנות יותר ויותר, ולכן, יהיה צריך לפתח את האלמנטים הפיסיים שיהיו מתאימים למערכות קטנות אלו.
הדרישות של ביצועים ושל יכולת פעולה ביינית (interoperability) העומדות בפני מערכות צבאיות מובילות את האלמנטים הפיסיים של מחשוב משובץ לתמוך במבחר מקורות של נתונים וחיישנים עם טכנולוגיות בעלות רזולוציה של תמונות, שהולכת וגדלה כל הזמן עבור יישומי מעקב ויישומים של כלי נשק טקטיים, המשמשים באוויר בים וביבשה.
דרישות ביצועי המחשוב צועדות יד ביד עם הצורך ברוחב פס ובקישוריות אבטחה מסיביים, לצורך תיאום יעיל שנדרש בשדה הקרב. האלמנטים הפיסיים בעלי יכולת קיום רבה ביותר צריכים לספק יכולות אינסופיות של עיבוד נתונים, בצד תמיכה מתקדמת בפרוטוקולי תקשורת.
ההתאמה לתקן והאינטגרציה הקלה של טכנולוגיות מתקדמות מוכחות, הן בבחינת חובה. אבטחת העתיד של אלמנט פיסי דורשת את הפנייתם של ארכיטקטורות מעבדים, מערכי שבבים ותוכנה המתקדמים ביותר, אל תוך מעגלים ומארזי מערכות מבוססי תקנים.
ולבסוף, חיוני ביותר שמערכות צבאיות יהיו בעלות זמינות ואמינות עליונות. פריצות דרך בלתי פוסקות במתודולוגיות קירור ובניהול חום, נחוצות כדי לעמוד בדרישות מדד זה.
המערכת הסטנדרטית – היא VME
במשך תקופה ממושכת, הפלטפורמה VME הוכיחה עצמה כנושאת התקן של רכיבים מסחריים מן המדף בתחום המערכות הצבאיות, והיא משמשת כתקן הרווח ביותר ביישומים צבאיים מסיבות רבות. מערכת VME העניקה למפתחים היסטוריה מוצלחת של גמישות בתכנון בזכות הארכיטקטורה הפתוחה שלה, האמינות המוכחת והביצועים המוקשחים, וכן בשל מערכת התמיכה הסביבתית המבוססת היטב שלה. ארכיטקטורת VMEbus שלה מספקת רוחב פס גדול עם לוח אם שמאפשר ביצוע בקלות של פעולות תחזוקה וגמישות משופרת בביצוע הגדרות קונפיגורציה. מערכת VME למעשה פתחה את הדלת למחשוב זמן אמת, עם נתיב המיעון והנתונים ב-32 הסיביות שלה, ועם מחבר מוקשח באופן מיוחד.
ובנוסף, התפקיד שיש ל-VME מזה 25 שנים בתכנון צבאי נותר איתן ויציב כשהיא מפגינה את יכולותיה לשדרוג והתאמה, על מנת לענות על הדרישות שמציבות המערכות הצבאיות המתפתחות. עובדה זו מוכחת בפיתוח של VME64X שתומך באפיק 64 סיביות עם תכונות של כניסות ויציאות שכוללות מחבר לוח אם נוסף עם עוד 95 פינים ויכולות חיבור כניסות ויציאות מאחור. מערכת VME גם אימצה טכנולוגיה עיקרית מאלמנטים פיסיים אחרים על מנת לשמור על היתרון שלה, כגון שימוש ב-GETH על לוח האם המפורט בתקן VITA31.1. המפרט הטכני PICMG 2.16 VME שנפוץ בכל מקום, מאפשר למערכת VME למנף את המתגים CompactPCI ETH ולהפוך אותה בזאת תואמת לתקן VITA31.1.
בתוכניות רבות, האלמנט הפיסי של VME מציע אפשרות כדאית מבחינת עלות עבור דרישות מסוימות של ביצועיים, כניסות ויציאות וקשיחות. המתכננים מבינים שאלמנטים פיסיים כגון VPX משלימים את VME, ולא מחליפים אותו, כשהם משמרים את ביצועי התוכנות תוך כדי שמירה על תקציבים וזמן פיתוח מופחתים עד למינימום.

משתתף בעל הוכחות – היא CompactPCI
הפלטפורמה CompactPCI זכתה במקום שלה כאלמנט פיסי מקובל למדי עבור יישומים צבאיים. האלמנט הפיסי בפלטפורמת CompactPCI, אשר תואם לרבות מבין הדרישות של המערכות הצבאיות בכל תחום, לרבות שליטה ובקרה (שו”ב), כלי טייס וכלי רכב קרקעיים, מספק קשיחות, רוחב פס ואורך חיים ארוך בפלטפורמה מודולרית שעומדת בתקן וכדאית מבחינת העלות. הפלטפורמה CompactPCI היא פלטפורמה יציבה ומוכחת שתומכת בקישורים מרובים של תקשורת Gigabit Ethernet דרך לוח האם. היא מספקת ביצועי עיבוד גבוהים ותפוקת כניסות ויציאות באלמנט פיסי מוכח, קטן, ניתן לשדרוג ומוקשח. האלמנטים הפיסיים של CompactPCI בגודל 3U ו-6U זמינים בארכיטקטורות המעבד המתקדמות ביותר לביצועים גבוהים בליבה כפולה ובארבע ליבות ובטכנולוגיות ממשקים מוכרות למשתמש כגון Gigabit Ethernet ו-Serial ATA. הפלטפורמה מציעה פתרון אופטימלי למערכת צבאית עם ניהול מערכות מתוחכמות וביצועי מחשוב צפופים, והכל נתמך על ידי ניהול חום מתקדם מקורר באוויר או בקירור בהולכה.
הפלטפורמה ComapcPCI שמסייעת לעמוד בדרישות עבור מערכות בזמינות גבוהה, מספקת גם תמיכה בהחלפה תחת מתח (hot swap) ובממשק IPMI (ממשק לניהול פלטפורמות חכמות תואם PICMG 2.9). תכונות אלו מאפשרות למפתחים ולמשתמשים לצרף מעגלים נתקעים נוספים כדי להקל על שדרוג המערכת. הגמישות של המערכת משתפרת עוד יותר על ידי רמה גבוהה של אינטגרציה באלמנט פיסי קטן שכולל חריצי התקנה לזיכרון ולרישות, ותמיכה בחיבור אחורי של כניסות ויציאות.
למשל, הפלטפורמה CompactPCI מספקת כמה יתרונות על ידי כך שהיא מאפשרת לקבל אפיק ברוחב של 32 סיביות או אפיק ברוחב מלא של 64 סיביות באלמנט פיסי קטן בגודל של 3U. אנשי תכנון בתחום הצבאי בוחרים ב-CompactPCI גם בגלל הסביבה והכלים לפיתוח תוכנה המקיפים שלה, כשהיא עונה על הדרישות לתמיכה במערכות הפעלה לזמן אמת ובמערכות הפעלה סטנדרטיות ונהנית ממערכת סביבתית עשירה לחומרה ולתוכנה. כניסות ויציאות בלוח אם מספקות יתרון נוסף למערכות צבאיות שצריכות לעמוד בפני רמות גבוהות של הלמים ורעידות.
הגודל, המשקל, ההספק והעלות הטובים ביותר (SWaP-C) – הם COM Express מודולים בעלי אלמנטים פיסיים קטנים נראים בלא הרף כבלוקי בנייה חשובים שעוזרים להקטין את עלויות הפיתוח של יישומים צבאיים, על ידי כך שהם מגינים על ההשקעות בתכנון, וסוללים את הדרך לחסכונות עתידיים עם נתיב הגירה ניתן לשדרוג. מחשבים על מודול נודעים גם בשל הייעול של דרך השדרוג לאינטגרציה של טכנולוגיות עתידיות במקומות שבהם תכנונים קטנים יותר וניידים יותר הופכים להיות הנורמה. באמצעות הפיכת תהליך התכנון לפשוט וקל, ועל ידי הגשת הצעה של פתרונות מבוססי תקנים, המחשבים על מודול תומכים באנשי התכנון עם מערכת סביבתית בריאה, הכוללת משאבים לניהול הגירה וגמישות תכנון חיונית, למען הוספת תכונות חדשות עם מעגלים נושאים ייחודיים ליישום ובהתאמה אישית.
אלמנט פיסי קטן שממשיך להציע למתכננים אפשרויות לטווח הארוך הוא , אשר במשך הזמן סיפק בקביעות חידושים בטכנולוגיה, במונחים של ביצועים, הספק נמוך ופונקציונליות של פעולה בטווח טמפרטורות מורחב. ההיבטים של יכולת השדרוג של מאפשרים להחליף את המודול הקיים במודול אחר, שמתאים לדרישות שלהם. וכך, כאשר על יישום לעבור הגירה לארכיטקטורת מעבד עם ביצועי מחשוב משופרים או למעבד שמספק צריכת הספק נמוכה יותר, השימוש בגישה זו מאפשר למתכננים לשלב את החידושים של מעבד וטכנולוגיה חדשים, תוך כדי שמירה על השקעות בהתאמה אישית. גישה זו גם מפחיתה את הסיכון שבפיתוח ומסייעת בקיצור זמן היציאה לשוק, ומאפשרת ליצרני ציוד המקור לשלוט בנתיב ההגירה.
הפלטפורמה ® היא גם פתרון כדאי מבחינת עלות שתומך בדרישות גבוהות של גרפיקה, ברבות מבין המערכות הצבאיות שקיימות כיום. היא מציעה יחידת עיבוד מקבילי וגרפיקה מרובת עוצמה, אשר תומכת במגוון של ממשקים גרפיים, עובדה שהופכת אותה לפתרון אופטימלי עבור יישומים שדורשים ביצועים גרפיים גבוהים במידה קיצונית. תכונה זו חשובה במיוחד עבור עיבוד נתונים ברמה גבוהה, המקובל בשימוש ביישומים צבאיים שצריכים לבצע עיבוד תמונה, הצפנת נתונים ומודעות סביבתית.
הפלטפורמה תומכת באנשי תכנון עם מערכת סביבתית בריאה, שכוללת משאבים לניהול הגירה, וכן גם גמישות תכנון חיונית להוספת תכונות חדשות עם מעגלים נושאים בהתאמה אישית. זהו יתרון משמעותי כאשר משדרגים תכנון לא רק מדור לדור, אלא גם בתחום של דור יחיד. לדוגמה, ליצרני ציוד מקור יש תחליפים ישירים שמאפשרים שדרוגים למען נצילות אנרגיה גבוהה ולדגמים לשימוש נרחב, על ידי הגירה בקלות למודול הקומפקטי COMe-cPV2 XT COM Express של Kontron. מודול זה מציע תכנון מוקשח המדורג עבור טווח טמפרטורות מורחב שבין -40 לבין +85 מעלות צלזיוס, ומספק ביצועים גבוהים דרך מעבד הליבה הכפולה ™Atom של .

נועד לפעולה
במהירות VPX
אחד היתרונות העיקריים המגביר את הביצועים הגבוהים של VPX הוא היכולת שלו לספק רוחב פס מלא במישור הנתונים על הלוח. הפלטפורמה VPX מאפשרת לכל לוח לקבל גישה לטכנולוגיות בעלות ביצועים גבוהים ביותר, כמו למשל 10GbE ,Serial RapidIO ו-PCI Express, הודות למחבר ולתכנון לוח האם OpenVPX. לוחות אם טוריים אלו בעלי מהירות גבוהה מאפשרים רוחב פס מלא בין כל המעגלים, תכונה שמעניקה למתכננים גמישות בלתי רגילה בעת מימוש חיבורים של נקודה לנקודה בקישור טורי במהירות גבוהה בין המעגלים בהשוואה למגבלות של ארכיטקטורות באפיק מקבילי.
עם מעגלים מבוססי VPX, התאימות לפרוטוקול של המארג (fabric) כבר אינה בעיה. בטכנולוגיית לוחות אם מסוג VPX, ההקצאה של אותות ושל מתח בלוח האם נשארת אותה אחת, ללא קשר לאפשרות טכנולוגיית המארג שנבחרה בסופו של דבר. הפלטפורמה VPX מספקת גמישות מורחבת לאנשי התכנון בתחום הצבאי, ומאפשרת להם להוסיף ישירות לתוך המארג סוגי כניסות ויציאות שונים.
VPX מציעה גם חיסכון בזמן ובעלויות הפיתוח. בתכנון זה, מתבטל מעגל הביניים הייחודי המשמש לשידור נתונים על מנת להעביר את הנתונים ממעגל למעגל, ובכך מופחתות העלויות. בעזרת VPX, ערכת השבבים של הליבה מספקת כעת כניסות ויציאות מהירות על לוח האם, ומייתרת את הצורך בפיתוח של מנהל התקן ייחודי, ובכך מקצרת את זמן הפיתוח. יתרון חשוב נוסף לשדרוגים טכנולוגיים צבאיים, הוא היכולת של VPX לעמוד בדרישות SWaP-C. הפלטפורמה VPX, שמציעה נתיב מעבר מטכנולוגיית VME בגודל בסיסי ענק של 6U המותקנת בטווח רחב של יישומים מסורתיים, מאפשרת למתכננים בתחום הצבאי לשלב מעגלי VPX בגודל 6U ובגודל 3U על לוח האם, על מנת להקטין את עקבת המעגל של מערכות המחשוב. גישה זו מספקת פתרון אופטימלי מבוסס התקני COTS בעל נצילות גבוהה ביותר ובסיכון נמוך לצורך הגירה של התכנון.

תמיכה יציבה במערכות צבאיות
מתכננים של מערכות צבאיות מקבלים את השירות הטוב ביותר עם הערכה מעמיקה של דרישות היישום והתוכנית, כדי לקבוע את האלמנטים הפיסיים הנכונים של מערכת COTS המשובצת עבור תכנון מסוים. האלמנטים הפיסיים המתוארים כאן מייצגים את המערכות הפופולריות ביותר, שאומצו על ידי יצרני OEM רבים, אבל מובן מאליו שהם אינם הפתרונות היחידים הקיימים. הפלטפורמות VME, CompactPCI ,COM Express ו-VPX מייצגות כולן אלמנטים פיסיים מוכחים שיש להם עתיד בטוח ביישומים צבאיים, וזאת בזכות העובדה שהתמיכה שלהן בביצועים והרחבות האמינות שלהן מתאימות לדרישות המורכבות של תעשייה דורשנית זו. החדשות הטובות עבור אנשי תכנון בתחום הצבאי טמונות בעובדה שקיים טווח גדול של פתרונות יציבים שבהם אלמנטים הפיסיים מן הסוג האחד תהיה עדיפות ברורה לעמידה בסדרי העדיפויות של SWaP-C, אלמנטים פיסיים מן הסוג השני יהיו המתאימים במיוחד לביצוע אופטימיזציה ושדרוג תכנון מסורתי, ובנוסף, האלמנטים הפיסיים מן הסוג השלישי יהיו הבחירה הטובה ביותר לתמיכה בדרישות הביצועים הגבוהים ביותר. בעזרת אלמנטים מבוססי פלטפורמות COTS שעברו התאמה לתקנים, מובטח ליצרני OEM שיתקיימו פלטפורמות עם יכולת פעולה ביינית, שמשפרות את תהליך הפיתוח למען הפחתת עלויות והאצת זמן היציאה לשוק, ובכך הן מבטיחות שיפורים עבור שדה הקרב המודרני וגם מבטיחות את עתידנו.

המחברת: אינגריד איינסיידלר (Ingrid Einsiedler), מנהלת מוצר בחברת Kontron