Wojskowe ze sklepowej półki, cz. 2

Co do wartości sektora rynku związanego z tymi produktami przekonuje się również coraz więcej producentów podzespołów elektronicznych, którzy oferują elementy cywilne o parametrach pozwalających na ich stosowanie w aplikacjach wojskowych. W drugiej części artykułu omawiamy te i inne zmiany na rynku elektroniki wojskowej, kontynuując historię rozpoczętą numerze lipcowym.

Otwarte standardy

Znaczącą zmianą, która nastąpiła w systemach wojskowych wraz z wprowadzeniem do nich podzespołów COTS, było zastosowanie interfejsów komunikacyjnych znanych z elektroniki cywilnej. Obecnie dużo ze standardów tych interfejsów jest określanych mianem otwartych, gdyż należą one do domeny publicznej i mogą być darmowo wykorzystywane przez producentów sprzętu, jak też oprogramowania. Ich stosowanie stało się popularne w przypadku wojskowych systemów obliczeniowych, gdyż dla producenta wiążą się one z możliwością użycia uniwersalnych modułów komunikacyjnych i skupienie się na rozwoju specjalizowanych modułów urządzenia wojskowego tworzących jego faktyczną wartość. Taka uniwersalny interfejs oznacza również możliwość integracji w produktach komercyjnie dostępnych podzespołów i modułów

Jednym z pierwszych standardów, o których jest mowa, był VMEbus (Versa Module Eurocard bus), pierwotnie rozwijany przez konsorcjum firm europejskich na potrzeby zastosowań w aplikacjach sterowania w przemyśle. Tym, co przyczyniło się do jego sukcesu, było wsparcie wielu firm, standaryzacja oraz względnie niskie ceny podzespołów. Obecnie jest to standard otwarty, a urządzenia z nim zgodne można znaleźć zarówno na półkach ze sprzętem laboratoryjnym, jak też w sprzęcie wojskowym. VMEbus został zastosowany przykładowo w Panavia Tornado. W ramach modernizacji tych samolotów wymienione zostały systemy elektroniczne zarządzania uzbrojeniem, w których miejsce zainstalowane zostały moduły wykorzystujące dostosowane do tej aplikacji standardowe układy z procesorami PowerPC i komunikujące się poprzez interfejs VMEbus. 

W ciągu lat istnienia idea VMEbus ewoluowała i dała początek standardom, takim jak VITA 46 (znany jako VPX) oraz VITA 48. W przypadku pierwszego z nich zmiana skutkowała w zwiększeniu prędkości przesyłu danych 10Gb/s na kanał przy zachowaniu kompatybilności z dotychczasowymi modułami VMEbus. Podana prędkość transmisji danych dotyczy pojedynczego kanału – prędkości transmisji wewnątrz całego urządzenia, np. serwera wideo, mogły zostać zwiększone sumarycznie nawet do kilku terabitów na sekundę! Ponieważ systemy VPX posiadają dodatkowo wbudowany układ ochrony przez skutkami wyładowań elektrostatycznych, predestynuje to je do wykorzystania w systemach militarnych. Z kolei standard VITA 48, określany jako VPX REDI (VPX Ruggedized Enhanced Design Implementation), jest dalszym rozwinięciem omawianego w stronę zastosowań wojskowych. 

Oprócz kwestii związanych z możliwością pracy w trudnych warunkach środowiskowych, zostały w nim ujęte m.in. zagadnienia dotyczące chłodzenia urządzeń znajdujących się w danych modułach. Chłodzenie, które realizowane jest za pomocą cieczy, ma w praktyce pozwalać na rozpraszanie mocy wartości nawet kilku kilowatów w przypadku jednej obudowy.Wraz z tym, jak na rynku pojawia się coraz więcej produktów COTS takich firm, jak Curtiss-Wright, Motorola czy SBS Technologies, wyzwaniem jest ich kompatybilność i możliwość współpracy. Stosowanie otwartych standardów – np. PICMG czy VITA, jest jednym z elementów, które mają pozwolić na współpracę systemów różnych producentów. W szczególności może to być istotne dla produktów od mniejszych, niszowych dostawców – np. producentów modułów I/O lub komputerów jednopłytkowych. W przypadku braku pewności co do współpracy ich produktów z systemem w którym mają być one stosowane, owi producenci są w praktyce skazani na niepowodzenie na rynku wojskowych systemów COTS.

Ryzyko dla dostawcy

Ostatnią myśl z poprzedniego rozdziału można rozszerzyć na ogół urządzeń i systemów z COTS. Stosowanie produktów cywilnych i otwartych standardów w sprzęcie wojskowym może być bowiem ambiwalentne, jeżeli chodzi o kwestie związane z jego niezawodnością i ryzykiem dla samego producenta. 

Użycie COTS może być dla producenta bardziej ryzykowne niż bazowanie jedynie na podzespołach dedykowanych do elektroniki wojskowej, co jest związane zarówno z omawianymi wcześniej kwestiami technicznymi, a więc np. koniecznością wprowadzania zmian w projekcie czy wykonania dodatkowych testów urządzeń, ale również z zagadnieniami biznesowo-logistycznymi. 

Do tych ostatnich należy choćby, na co zwracają dużą uwagę klienci wojskowi, oferowane wsparcie techniczne oraz serwis. W stosowaniu COTS istnieje jednak druga strona medalu. Z pewnych względów użycie tych elementów może okazać się korzystne dla producenta sprzętu wojskowego, gdyż zmniejszane jest ryzyko związane z wykorzystaniem sprzętu lub oprogramowania własnościowego pochodzącego od jednego producenta.

Analogią jest tutaj użycie w aplikacjach wbudowanych systemów operacyjnych typu linuksowego zamiast tych rozwijanych na potrzeby danej aplikacji – korzyścią w tym przypadku jest fakt, że nad rozwojem Linuksa pracuje szeroka rzesza programistów.

Nie oznacza to jednak, że skorzystanie ze sprawdzonych rozwiązań pozwoli na realizację projektu w którym korzysta się z COTS mniejszym nakładem pracy lub wymaga mniejszego doświadczenia inżynierów nad nim pracujących. Zarządzanie ryzykiem projektów z COTS jest w istocie trudniejsze, niż w przypadku wykorzystania podzespołów stricte przeznaczonych na rynek wojskowy. Wymagany poziom ekspertyzy w zakresie urządzeń z COTS eksploatowanych w skrajnych warunkach środowiskowych pozostaje bowiem, niezależnie od wybranych rozwiązań, wysoki.  

A może COTS FPGA?

O wartości rynku produktów COTS przekonanych jest coraz więcej producentów i dostawców podzespołów elektronicznych. Niektórzy rozwijają w tym celu pojedyncze produkty, wybierając dany segment rynku COTS, inni oferują dużą gamę produktów przeznaczonych do różnorodnych zastosowań cywilnych i militarnych. Przykładem, który może w dobry sposób zobrazować stawiane przed producentami wymagania, jest sektor rynku związany z układami programowalnymi. 

Obecnie trafiają one coraz częściej do systemów wojskowych, w szczególności do układów przetwarzania sygnałów, a więc tam, gdzie do tej pory dominowały układy DSP w połączeniu ze standardowymi procesorami. Przykładowymi aplikacjami, w których coraz chętniej stosuje się FPGA, są układy komunikacyjne, radarowe czy też systemy walki elektronicznej. W takich zastosowaniach prędkości transmisji danych wynoszą nawet kilka Gbit/s, co wymusza konieczność stosowania odpowiednich układów programowalnych.

Te ostatnie muszą również posiadać cechy, które nie zawsze są dostępne w standardzie w przypadku wersji przeznaczonych na rynek masowy. Należą do nich zabezpieczenie przed modyfikacją zawartości zaprogramowanego układu, możliwość pracy w rozszerzonym zakresie temperatur, jak też ochrona przez promieniowaniem mogącym powodować przekłamania w pamięci w FPGA. Wiele uwagi poświęca się także możliwości montażu układów FPGA w obudowach typu MCP (multichip package), co pozwala na ich maksymalną integrację w danych aplikacjach. 

Dodatkowo od pierwszego lipca, a więc od momentu gdy zaczęły obowiązywać przepisy dyrektywy RoHS, produkty kierowane do sprzedaży na rynku nie mogą w większości zawierać substancji uznanych za szkodliwe. Jest to niekorzystna sytuacja dla producentów podzespołów, którzy chcą wykroić swój kawałek tortu rynku COTS, gdyż, jak wiadomo, bezołowiowy kojarzy się z nie do końca określoną niezawodnością, a ta ostatnia jest w przypadku produktów wojskowych cechą bardzo niewskazaną.Firmy uczestniczące w rynku układów programowalnych coraz częściej mają w swojej ofercie produkty, które spełniają podane wymagania.

Przykładem jest Altera, która wdrożyła program Enchanced COTS – jego celem jest klasyfikowanie produktów komercyjnych pod kątem zastosowań wojskowych. Firma wyróżniła szereg parametrów, które powinny spełniać układy, aby zostały zakwalifikowane do zastosowań wojskowych, przy czym część z nich wymienionych zostało już powyżej. 

Przykładowo serią układów, które spełniają takie warunki, są Stratix EP1S30F780, EP1S40F1020 oraz EP1S60F1020. Mogą one pracować w rozszerzonym zakresie temperatur (od -55°C do 125°C), są wzmacniane pod względem odporności na promieniowanie, dostępne w wersjach ołowiowych, a kod w nich zapisany jest chroniony za pomocą 128-bitowego szyfru AES. Zagadnieniem, na który firma Altera zwraca szczególną uwagę, jest dostępność podzespołów na rynku i zmiany w ich asortymencie.

Kwestia ta jest szczególnie istotna w przypadku COTS, którymi są układy półprzewodnikowe, gdyż nawet niewielkie zmiany w ich technologii (np. samej struktury lub obudowy) mogą mieć znaczący wpływ na działanie urządzeń w niesprzyjających warunkach. W przypadku gdy produkcja wybranych układów COTS firmy Altera, takich jak omawiane Stratix, ma być zaprzestana, firma informuje o tym fakcie klientów publikując odpowiednie powiadomienie. Ponieważ jest to dokonywane z dużym wyprzedzeniem, ma to pozwalać klientom na zaplanowanie ostatnich zakupów danych produktów. Układy COTS firmy Altera są obecnie stosowane m.in. w produktach firm SBS Technology, Thales Computers, Echotek oraz VistaControls.

Kto rozdaje karty na rynku interfejsów COTS?

Liczba standardów interfejsów komunikacyjnych stosowanych w urządzeniach elektroniki wojskowej jest znaczna. Najczęściej wykorzystywanymi standardami do komunikacji równoległej pomiędzy układami, jak też płytkami w obrębie danego urządzenia są PCI, cPCI oraz VMEbus. W przypadku komunikacji szeregowej coraz istotniejszą rolę odgrywa natomiast magistrala PCI Express. Na drugim końcu skali, a więc tworzenia sieci lokalnych, jest Ethernet, wykorzystywany najczęściej do komunikowania się odrębnych urządzeń. Na rynku elektroniki wojskowej istnieją lub będę pojawiały się także urządzenia z innymi, mniej znanymi powszechnie rodzajami interfejsów, z których kilka najnowszych wymienione zostało poniżej:

InfiniBand – szeregowy, wielokanałowy interfejs I/O o przepustowości do 30 Gb/s do zastosowań w komunikacji między modułami elektronicznymi i w sieciach. Standard wspierają producenci sprzętu komputerowego i oprogramowania - Dell, HP, IBM, Intel, Microsoft, Sun oraz dostawcy rozwiązań wbudowanych - SBS Technologies i SKY Computers. Więcej informacji na stronie: www.infinibandta.org.

PCI Express Advanced Switching Interconnect (ASI) – otwarty standard definiujący komunikację P2P, posiadający wbudowany mechanizm QoS, pierwotnie do zastosowań w urządzeniach komunikacyjnych, przechowywania danych oraz aplikacjach embedded. Ze względu na fakt, że jest on rozszerzeniem popularnego standardu PCI Express, uznawany jest jako jeden z możliwych przyszłych liderów rynku interfejsów również w przypadku systemów wojskowych. Standard ten, którego opis znaleźć można na stronie www.asi-sig.org, wspierają m.in. Intel, Network Appliances, Nokia, Tundra, HP, Xilinx, SUN oraz Agilent.

RapidIO – wysokowydajny interfejs do transmisji pakietowej pomiędzy układami cyfrowymi oraz pomiędzy modułami, zaprojektowany do stosowania w systemach wbudowanych w urządzeniach przetwarzania dane, sieciowych oraz komunikacyjnych. Do RapidIO Trade Association, organizacji zrzeszającej firmy wspierające ten standard, należy obecnie ponad 30 dużych producentów sprzętu elektronicznego i półprzewodników, w tym Alcatel, Curtiss-Wright Controls, Ericsson, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, Thales oraz Tundra. Szczegółowe informacje znaleźć można na stronie: www.rapidio.org.
– szeregowy,  wielokanałowy interfejs I/O o przepustowości do 30 Gb/s do zastosowań w komunikacji między modułami elektronicznymi i w sieciach. Standard wspierają producenci sprzętu komputerowego i oprogramowania - Dell, HP, IBM, Intel, Microsoft, Sun oraz dostawcy rozwiązań wbudowanych - SBS Technologies i SKY Computers. Więcej informacji na stronie: www.infinibandta.org.

PCI Express Advanced Switching Interconnect (ASI) – otwarty standard definiujący komunikację P2P, posiadający wbudowany mechanizm QoS, pierwotnie do zastosowań w urządzeniach komunikacyjnych, przechowywania danych oraz aplikacjach embedded. Ze względu na fakt, że jest on rozszerzeniem popularnego standardu PCI Express, uznawany jest jako jeden z możliwych przyszłych liderów rynku interfejsów również w przypadku systemów wojskowych. Standard ten, którego opis znaleźć można na stronie www.asi-sig.org, wspierają m.in. Intel, Network Appliances, Nokia, Tundra, HP, Xilinx, SUN oraz Agilent.

RapidIO – wysokowydajny interfejs do transmisji pakietowej pomiędzy układami cyfrowymi oraz pomiędzy modułami, zaprojektowany do stosowania w systemach wbudowanych w urządzeniach przetwarzania dane, sieciowych oraz komunikacyjnych. Do RapidIO Trade Association, organizacji zrzeszającej firmy wspierające ten standard, należy obecnie ponad 30 dużych producentów sprzętu elektronicznego i półprzewodników, w tym Alcatel, Curtiss-Wright Controls, Ericsson, Freescale Semiconductor, Texas Instruments, Thales oraz Tundra. Szczegółowe informacje znaleźć można na stronie: www.rapidio.org.

O krok dalej niż COTS

Działania producentów uczestniczących w rynku COTS mogą iść znacznie dalej, niż polegać jedynie na wykorzystaniu podzespołów cywilnych w produktach wojskowych. Przykładem jest adaptacja rodziny paneli LCD do ich zastosowań militarnych, w szczególności w samolotach bojowych. Tego typu produktami zajmuje się belgijska firma Barco będąca dużym dostawcą różnego rodzaju urządzeń wizualizacyjnych. Jak przyznają jej przedstawiciele, zadanie adaptacji paneli LCD było wieloetapowe. Wstępnie poddano ocenie produkty różnych producentów, przy czym wybrano takie, których zakres temperatur pracy wynosił od około –20°C do 60°C. 

Poddając wybrane produkty odpowiednim modyfikacjom i testom, firma stworzyła serię paneli LCD dla wojska. Przykładem takich produktu jest RFD251, panel zbudowany na bazie komercyjnie dostępnego wyświetlacza ciekłokrystalicznego o przekątnej 20,1’’ firmy NEC. Ponieważ zakres adaptacji panelu był stosunkowo duży, tego typu produkt można formalnie określić nie jako COTS, ale, co jest terminem również funkcjonującym w odniesieniu do produktów cywilnych stosowanych w wojsku – MOTS (Modified-Off-The-Shelf). 

Pierwszym, co zostało wykonane w celu dostosowania panelu NEC do wymogów wojskowych, był demontaż obudowy fabrycznej i wprowadzenie zmian w konstrukcji samego wyświetlacza. Podczas testów okazało się bowiem, że miejscami potencjalnych uszkodzeń spowodowanych zbyt niskimi lub wysokimi temperaturami były połączenia matrycy LCD ze sterownikiem, które wykonane zostały jako połączenia typu TAB (Tape Automated Bonding). 

Wzmocnienia dokonano umieszczając sterownik i matrycę na wspólnym podłożu szklanym. Zastosowano również dodatkową powłokę przewodzącą ciepło, czego celem było zmniejszenie gradientów temperatury podczas wymuszonego grzania wyświetlacza w celu jego szybkiego uruchomienia w niskich temperaturach. Zadaniem powłoki była również ochrona elementów wyświetlacza przed zaburzeniami elektrostatycznymi i wzmocnienie całości konstrukcji mechanicznie. 

Zrezygnowano także z obudowy komercyjnej, którą zastąpiono obudową wzmocnioną. Rezultatem wprowadzonych zmian konstrukcyjnych było m.in. osiągnięcie zgodności z normą MIL-STD-810E dotyczącą wymagań środowiskowych dla produktów wojskowych. Firma Barco przeprowadziła testy klimatyczne (przechowywanie przez 90 godzin w temperaturze -50°C) oraz przyśpieszony cykl starzeniowy (tzw. HALT), polegający na testowaniu przez określony czas urządzenia pracującego w temperaturze zmieniającej się w zakresie –20°C do +70°C. 

Firma ocenia, że w przypadku omawianych paneli RFD251 przeprowadzone zostało w sumie około 12 tys. godzin testów, które pozwoliły na zweryfikowanie ich niezawodności w warunkach analogicznych do wymaganych przez odbiorców wojskowych. Działania te, pomimo kosztów poniesionych na adaptację i testowanie paneli, opłaciły się – Barco obsłużyła lub obsługuje obecnie kontrakty w zakresie paneli LCD o sumarycznej wartości dziesiątek milionów dolarów.

A może PC/104?

Standardem, który został jako jeden z pierwszych zaadaptowany na potrzeby produktów wojskowych, jest PC/104. Komputery tego typu pojawiły się na rynku w 1992 roku i pierwotnie stosowano w nich popularną w owych latach szynę ISA. Ze względu na małe wymiary (9,14 x 9,65 cm) idealnie nadawały się one do zastosowań w aplikacjach wbudowanych.

 Dodatkowo zastąpienie w nich złącza krawędziowego, które jest standardowe dla interfejsu ISA, złączem szpilkowym, przekładało się na zwiększoną odporność na wibracje i wstrząsy. W 1997 roku opracowany został standard PC/104-Plus, w którym zastosowano w miejsce ISA szynę PCI, co pozwoliło na dodatkowe zwiększenie wydajności obliczeniowej. Tym, co według inżynierów od początku postawiło standard komputerów PC/104 na pozycji lidera, było zastosowanie w nich architektury typu x86.

Pozwoliło to w rezultacie na łatwe uruchamianie systemów, takich jak Windows CE, Linux czy QNX. Pomimo wszystkich wymienionych zalet, zastosowane PC/104 w produktach wojskowych wymaga często adaptacji ze strony sprzętowej, jeżeli chodzi o wykonanie obudowy i montaż wewnątrz niej modułów komputera.

 Dotyczy to szczególnie zastosowań, w których komputer może być wystawiony na duże wibracje, przeciążenia, jak też skrajne temperatury otoczenia. Na zdjęciu przedstawiono moduł PC/104 z procesorem Celeron w wersji wojskowej. Moduł produkowany jest przez firmę Parvus, która specjalizuje się produkcji wyrobów dla wojska, w tym z podzespołami COTS.

Dostawcy kontra odbiorcy

Wojsko jest klientem nietypowym i zupełnie innym, niż klienci z rynku cywilnego. Opinię tę potwierdzają dostawcy z firm polskich, które współpracują z odbiorcami wojskowymi, dodając, że ci ostatni są jednocześnie klientami wdzięcznymi, z którymi raz nawiązana współpraca może procentować wieloletnimi kontraktami. Można się przy tym nie zgadzać ze stanowiącym podstawę tego artykułu poglądem, że w wielu przypadkach nie jest możliwe unikanie stosowania w wyrobach dla wojska produktów COTS. 

Jednak, co jest faktem niepodważalnym, postęp technologii produktów komercyjnych jest bardzo szybki, a podzespoły elektroniczne tanieją w tak dużym tempie, że irracjonalne byłoby nieskorzystanie z tej grupy wyrobów podczas opracowywania nowych lub modernizacji istniejących urządzeń dla armii. Można wręcz pokusić się o stwierdzenie, że docelowo spora część rynku elektroniki wojskowej należeć będzie do firm, które potrafiły będą w odpowiedni sposób zintegrować w wytwarzanych przez siebie produktach podzespoły COTS. 

Przewagę zdobędzie przy tym ten, kto będzie w stanie szybko podążać za zmianami w technologii dostępnych komercyjnie produktów i zapewniając ich poprawne działanie w trudnych warunkach środowiskowych. Z przytoczonych w artykule przykładów, a szczególnie dotyczącego paneli LCD firmy Barco, wynika, że stosowanie podzespołów COTS może przyczynić się do obniżenia kosztów wykonania niektórych urządzeń i systemów, jednocześnie pozwalając firmie na realizację zysków.

Nie należy jednak traktować tego jako dogmatu, gdyż, co należy powtórzyć, koszty integracji takich systemów, jak też ich testowania i certyfikacji, mogą bardzo niekorzystnie wpływać na całkowity zysk firmy. Z drugiej jednak strony w znacznym stopniu zależy to często od wkładu inżynierskiego włożonego w adaptację produktów COTS, co może być szansą dla wielu firm, w tym również polskich. 

Duże pole do prac inżynierskich otwiera bowiem drogę do tworzenia produktów z dużą wartością dodaną. Potwierdza to Marek Dras, prezes firmy Radiotechnika Marketing, którego wypowiedź cytujemy w ramce. Jego zdaniem sprzedaż systemów nietypowych i produkowanych na konkretne zamówienie, a więc to, co jest jedną ze specjalizacji firmy, jest kluczem do realizowania zysków na rynku. Radiotechnika korzysta obecnie z produktów COTS i, jak ocenia jej prezes, trend ten jest dla niej coraz istotniejszy.