مكونات الأجهزة من MPS على متن الطائرة من مقاتلة الإضراب الموحد F-35

تتركز أولويات الطيران العسكري الحديث على الوعي الظرفي عالي الجودة ، وبالتالي فإن المقاتلة الحديثة هي سرب من أجهزة الاستشعار عالية التقنية. يتم جمع المعلومات من هذه المستشعرات ومعالجتها وتقديمها إلى المستخدم بواسطة نظام معالج دقيق (MPS) على متن الطائرة. بالأمس ، تم استخدام HPEC الهجينة (بما في ذلك وحدة المعالجة المركزية ، GPU و FPGA) لتنفيذه. اليوم ، من أجل تنفيذه ، يتم استخدام أنظمة شركة نفط الجنوب أحادية الشريحة ، والتي ، بالإضافة إلى تجميع جميع المكونات على مجموعة شرائح واحدة ، تنظم أيضًا شبكة داخل الشريحة (NoC) كبديل عن العمود الفقري التقليدي لنقل البيانات. غدًا ، عندما تصبح أنظمة شركة نفط الجنوب أكثر نضجًا ، من المتوقع وصول إلكترونيات النانو متعددة الأشكال ، مما سيعطي زيادة كبيرة في الإنتاجية ويقلل من معدل التقادم.

مقدمة

إذا كانت مؤشرات التفوق القتالي في عصر الجيل الرابع من المقاتلين عالية السرعة واستهلاكًا اقتصاديًا للطاقة ، فيتم قياس درجة التفوق القتالي في عصر الجيل الخامس ، أولاً وقبل كل شيء ، من خلال جودة الوعي الظرفي. [6] لذلك ، المقاتلة الحديثة هي سرب تحلق من جميع أنواع أجهزة الاستشعار ذات التقنية العالية ، وتوفير ما مجموعه "الوعي الظرفي 360 درجة". [5] يتطلب جمع المعلومات من هذه المستشعرات ومعالجتها والأداء سهل الهضم للطيار الحصول على طاقة حوسبة هائلة.

يجب إجراء جميع هذه الحسابات على متن الطائرة ، لأن الكثافة الإجمالية لدفق البيانات المدخلة من سرب كامل من أجهزة الاستشعار (كاميرات الفيديو والرادارات وأجهزة الاستشعار بالأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء ، Lidar ، السونار ، إلخ) تتجاوز عرض النطاق الترددي لقنوات الاتصال الخارجية عالية السرعة بما لا يقل عن 1000 مرة. [2] تعد معالجة الإشارات على متن الطائرة جذابة أيضًا لأنها تتيح للطيار استلام المعلومات ذات الصلة في الوقت الفعلي.

يُقصد بـ "هضم العرض" أن جميع المعلومات ، بغض النظر عن مدى عدم تجانسها ، ينبغي تجميعها في "صورة مسرحية واحدة للعداء" ، [9] يجب ألا يتحول تفسيرها إلى مهمة تحليلية محيرة (كما كانت في القديم نماذج مقاتلة ، حيث كان الطيار لمراقبة في وقت واحد عشرات يعرض).

نظام متكامل عالي الأداء

تقع المسؤولية عن هذا الإنتاج المسرحي ، أو ، بشكل أكثر رسمية ، على مسؤولية حل هذه المهمة الصعبة المعقدة على عاتق MPS على متن الطائرة ، والتي ، بالإضافة إلى الأداء العالي ، ينبغي أن توفر أيضًا مستوى منخفضًا بدرجة كافية من SWaP (الحجم والوزن واستهلاك الطاقة) ، والذي يمثل بحد ذاته "مشكلة دائمة الخضرة" ". [8] واليوم ، الحل الشائع (ولكن ليس الأكثر تقدمًا) في هذا الصدد هو استخدام ثلاثة معالجات متنوعة موجودة في حزمة واحدة: وحدة المعالجة المركزية ، GPU و FPGA. اسم المنشأة لهذا الهجين هو HPEC (نظام متكامل عالي الأداء). [2] مفتاح ذلك ، المختلط ، للتنفيذ الناجح هو بنية مدروسة في MPS ، والتي تأخذ أفضل الخصائص من كل معالج ، وتتجاوز نقاط ضعفها. الهدف من هندسة HPEC هو تحقيق تأثير التآزر - عندما يتجاوز أداء النظام الهجين النهائي الأداء الكلي لأجزائه المكونة. وهكذا يجمع التصميم الهجين بين عدة أنواع مختلفة من المعالجات في حزمة واحدة. تكمن الفكرة في أنه إذا استخدمت نقاط القوة لكل مكون فردي ، فيمكنك إنشاء نظام HPEC متطور ينتج عنه أداء مذهل ، وسيكون طفلهما طفلًا صغيرًا. [10] دعنا نفكر بمزيد من التفصيل في كل مكون من مكونات هندسة HPEC الثلاثة.

مثال الهجين HPEC

تتمثل ميزة FPGA في أن الخوارزميات يتم تنفيذها عليها في الأجهزة ، ومثل هذا التنفيذ ، كما تعلم ، يكون دائمًا أسرع. بالإضافة إلى ذلك ، تعمل FPGAs بسرعات ساعة منخفضة نسبيًا تصل إلى مئات ميغاهرتز ، ويمكنها إجراء عشرات الآلاف من العمليات الحسابية لكل دورة وفي نفس الوقت تستهلك طاقة أقل بكثير من وحدات معالجة الرسومات. من الصعب أيضًا منافسة FPGA في زمن الاستجابة (مئات النانوثانية مقابل عشرة مايكروثانية تستطيع وحدة معالجة الرسومات توفيرها). تجدر الإشارة أيضًا إلى أن FPGAs الحديثة لديها القدرة على إعادة التكوين بشكل حيوي: يمكن إعادة برمجتها سريعًا (دون إعادة التشغيل والإيقاف) - لتكييف الخوارزميات مع ظروف التشغيل المتغيرة. لذلك ، تعد FPGA (على سبيل المثال ، Xilinx) جيدة للمعالجة الأولية للبيانات الواردة من أجهزة الاستشعار. ينقل المعلومات الأولية الواردة من المستشعرات ويمر على دفق مفيد أكثر ضغطًا. لا غنى عن FPGA هنا ، لأن دفق البيانات المتجانسة ، والذي من السهل موازنته أيضًا ، هو بالضبط مهمة FPGA هي الرائدة في هذا النوع.

تعد FPGAs حاليًا جوهر الأنظمة الفرعية الأكثر أهمية في MPS من الطيران العسكري على متن الطائرة: جهاز كمبيوتر للتحكم على متن الطائرة ، ونظام ملاحة ، وشاشات للكابينة ، وأنظمة فرامل ، ودرجات حرارة وضغط المقصورة ، وأجهزة الإضاءة ، ووحدات التحكم في محركات الطائرات. [14] تعد FPGAs أيضًا جوهر الاتصالات الشبكية على متن الطائرة ، وأنظمة التوجيه الكهروضوئية وأنواع أخرى من الحوسبة المكثفة كثيفة الاستخدام للموارد لـ "وحدات إلكترونيات الطيران المتكاملة" (IMA) على متن "مقاتلة إضراب موحدة" (JSF) ، مثل F-35. [5]

GPU (على سبيل المثال ، Nvidia Tesla) - جيد للمعالجة المتوازية للخوارزميات مع الرياضيات المكثفة والنقطة العائمة. يفعل ذلك أفضل من FPGA و CPU. يتيح لك التصميم المتوازي الهائل لـ GPU - الذي يتكون من عدة مئات من النوى - معالجة الخوارزميات المتوازية بشكل أسرع بكثير من وحدة المعالجة المركزية. FPGA جيد أيضًا في المعالجة المتوازية ، بالطبع ، ولكن ليس فيما يتعلق بعمليات الفاصلة العائمة. لا تعرف FPGA وحدها كيفية القيام بها ، في حين توفر وحدة معالجة الرسومات (GPU) الحديثة تريليونات الفاصلة العائمة في الثانية - وهذا ، على سبيل المثال ، مفيد للغاية لمهام مثل خياطة العديد من تدفقات الفيديو بجيجابكسل.

وحدة المعالجة المركزية متعددة النواة (مثل Intel Core i7) جيدة للمعالجة الإدراكية.

لذلك ، بأخذ أفضل خصائص جميع المعالجات وتجاوز نقاط ضعفها ، يمكنك تحقيق قوة حوسبية غير عادية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تضمين معالجات متخصصة أخرى في HPEC لتحقيق أداء أعلى. على سبيل المثال ، لحل مشاكل نظام الملاحة على متن الطائرة ، يمكن استخدام PPU (وحدة معالجة الفيزياء) - مسرع الأجهزة من العمليات الحسابية المادية الأمثل للعمل مع ديناميات المواد الصلبة والسوائل والأجسام اللينة ، للكشف عن التصادم ، لتحليل العناصر المحددة ، لتحليل أخطاء الكائنات و إلخ [11] ومن الأمثلة الأخرى على المعالجات المتخصصة ، مسرع الأجهزة في معالجة إشارات الرادار [1] ومسرع للأجهزة لتحليل الرسم البياني ، [12] والذي سيكون ضروريًا لمعالجة "البيانات الضخمة". في المستقبل المنظور ، نظرًا لانخفاض تكلفة الأجهزة وتبسيط عملية تطويرها ، من المتوقع أن تستكمل مجموعة متنوعة من مسرعات الأجهزة "النظام الدوري لحساب العناصر الأولية" ، [10] والتي ستصبح العملية الكيميائية لتصميمها الهندسي أكثر فعالية.

تقليص MPS على شرائح واحدة

لذلك ، نظرنا إلى بنية HPEC ، والتي هي قادرة على توفير أداء عالي مع مستوى منخفض إلى حد ما من SWaP. ومع ذلك ، في هذا الصدد ، يوجد حل أكثر تقدماً: مفهوم شركة نفط الجنوب ، الذي يتمثل جوهره في وضع نظام المعالج الدقيق بالكامل - على مجموعة شرائح واحدة . تجمع SoC بين قابلية برمجة المعالج ووحدة تكوين FPGA ، مما يوفر مستوى لا مثيل له من أداء النظام والمرونة وقابلية التوسع.

تحول كبير في هذا الصدد نحو مكون البرنامج يجعل من الممكن إنشاء أنظمة متعددة الوظائف مع قدرات متزايدة باستمرار وحجم وتكلفة متناقصين باستمرار. يتيح استخدام المكونات القابلة للبرمجة أيضًا الحصول على تحديثات أرخص وأسرع للأنظمة القديمة - دون الحاجة إلى تحديثات الأجهزة مع كل تحسين تدريجي في بنيتها ، وهو أمر مهم بشكل خاص للصناعة العسكرية.

ويشمل نظام شركة نفط الجنوب النموذجية:

• متحكم ، وحدة المعالجة المركزية متعددة النواة ، أو DSP الأساسية ؛
• كتل الذاكرة ، مع اختيار: ROM ، ذاكرة الوصول العشوائي ، EEPROM والفلاش ؛
• أجهزة ضبط الوقت ، - بما في ذلك المولدات الكهربائية وحلقات الطور المقفل ؛
• الأجهزة الطرفية ، بما في ذلك أجهزة ضبط الوقت ، وأجهزة ضبط الوقت الفعلي ، ومولدات إعادة التشغيل ؛
• واجهات خارجية ، بما في ذلك الواجهات الشائعة: USB و FireWire و Ethernet و USART و SPI ؛
• واجهات تناظرية ، بما في ذلك كتل DAC و ADC ؛
• منظمات الجهد ودوائر إدارة الطاقة ؛
• حافلات نقل البيانات التي من خلالها تتبادل جميع الكتل المذكورة أعلاه المعلومات ؛
• وحدات تحكم DMA الموجودة بين الواجهات الخارجية والذاكرة ، والتي تسمح لك بتبادل البيانات التي تتجاوز جوهر المعالج ، وبالتالي زيادة إنتاجية شركة نفط الجنوب.

الاتجاه الجديد في مثل هذا التكامل على نطاق واسع شركة نفط الجنوب ، القشة الأخيرة لظهورها التي تزايدت شعبية المعالجات ثمانية النواة ، هو "شبكة داخل رقاقة" (NoC). يقترح هذا المفهوم التخلي عن الحافلات التقليدية لنقل البيانات واستبدالها بشبكة داخل الشريحة . على سبيل المثال ، تستخدم Arteris Inc مفهوم NoC لإدارة إشارات التحكم في حركة المرور والتبادل داخل الشريحة ، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في الإنتاجية. [7]

شركة نفط الجنوب بنية النظام من قبل شركة Arteris

استنتاج

تلخيص مراجعة الأنظمة عالية الأداء بشكل عام ، و SoC على وجه الخصوص ، كممثل الأكثر شعبية اليوم ، يمكننا القول أن تطور عامل الشكل الصغير لأنظمة الحوسبة المدمجة حدث بسرعة كبيرة ، وتأثيره على بنية النظام وقدراته واسع للغاية قد يستغرق الأمر سنوات لمهندسي التصميم لدمج مفهوم الشريحة الواحدة المتطور في حلولهم. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن الجهود الرامية إلى تطوير أنظمة شركة نفط الجنوب تهدف إلى حد كبير إلى جعل الأجهزة عتيقة في أسرع وقت ممكن ، فإنها تميل إلى السيطرة على مكونات قابلة للبرمجة. لذلك ، هناك سبب للاعتقاد بأن الإلكترونيات النانوية في الغد ستكون لديها القدرة على التخصيص بشكل كامل ، ونتيجة لذلك سيتم مسح الحدود بين تصميم الأجهزة والبرامج بالكامل. [7] في الواقع ، مثل هذا الحدث سيمثل بداية حقبة جديدة - الإلكترونيات النانوية المتعددة الأشكال ، والتي تجمع بين الخصائص المتضاربة مثل المرونة على مستوى البرنامج وتسريع الأجهزة عالية الأداء. سيسمح ذلك للمطورين بأخذ أفضل خصائصهم من البرامج وأجهزتهم الحالية فقط ، كما أن نقاط ضعفهم ليست شيئًا يجب تجاهله (كما يحدث عند تصميم بنية HPEC) ، ومن حيث المبدأ لا يتم تضمينها في التصميم النهائي للجهاز. في الوقت نفسه ، يزداد بشكل كبير احتمال تحقيق تأثير التآزر (الذي تمت مناقشته في مناقشة بنية HPEC). سيؤدي ذلك بلا شك دورًا رئيسيًا في تحسين جودة الوعي بالموقف ، والذي ، كما قيل في بداية المقال ، هو اليوم مفتاح التفوق العسكري. ليس فقط في المجال الجوي ، ولكن في بقية "مسرح العمليات".