Technologie militarne tradycyjnie rozwijane są dość wolno. Uznaje się to za normę, zakładając, że tempo wynika z wysokiego stopnia ich zaawansowania, długotrwałych testów, procedur certyfikacji i nieuniknionych wysokich nakładów finansowych. Wojna w Ukrainie zaczyna jednak diametralnie zmieniać sposób postrzegania elektroniki wojskowej. Okazuje się bowiem, że można ją rozwijać i wdrażać na polu walki znacznie szybciej i dysponując ograniczonym budżetem. Alternatywą dla wieloletnich kosztownych programów zbrojeniowych stają się kreatywność i zdolność adaptacji dostępnych rozwiązań do aktualnych potrzeb. Dzięki temu nawet rozwiązania prowizoryczne, wykorzystujące komercyjnie dostępne komponenty, sprawdzają się w warunkach bojowych.
Ukraina staje się inspiracją dla innych państw. Na przykład w Stanach Zjednoczonych zdarza się już, że wojsko zrywa kontrakty z gigantami technologicznymi, wyceniającymi w miliardach dolarów projekty oparte na rozwiązaniach certyfikowanych, spełniających sztywne standardy branżowe, na rzecz startupów. Te, mieszcząc się w budżetach liczonych w milionach dolarów, opracowują w pełni funkcjonalne systemy szybciej, korzystając z gotowych komponentów i tworząc rozwiązania niecertyfikowane, ale sprofilowane pod kątem wymagań konkretnego zastosowania albo odbiorcy.
MOSA na bazie VPX
Podejście, w którym nacisk kładzie się na szybkość wdrożenia i możliwość dynamicznego dostosowywania technologii do aktualnych potrzeb pola walki ma zatem wiele zalet, ale też i ograniczenia. Problemy w przypadku rozwiązań niestandardowych to: brak interoperacyjności, trudności w modernizacji i uzależnienie od konkretnego dostawcy. To w dłuższej perspektywie utrudnia ich utrzymanie i rozwój. Dlatego, pomimo ich rosnącego znaczenia, w wojsku i innych krytycznych sektorach w dziedzinie projektowania systemów wbudowanych nadal podkreśla się znaczenie otwartych standardów. Potwierdzenie tego stanowi rekomendacja dla strategii Modular Open Systems Approach (MOSA) (patrz ramka: Czym jest MOSA?), którą kilka lat temu wydał amerykański Departament Obrony. Zakłada ona wykorzystanie gotowych modułów zgodnych z otwartymi standardami, które normalizują ich interfejsy komunikacyjne, zasilanie, chłodzenie i mechaniczne oraz elektryczne parametry ich konstrukcji. Dzięki temu komponenty od różnych producentów są kompatybilne, co pozwala uniknąć zależności od jednego dostawcy i ułatwia modernizację, bez konieczności przeprojektowywania całej platformy od podstaw. Bazę dla architektur modułowych w dziedzinie systemów wbudowanych spełniających wyśrubowane wymagania specjalistycznych zastosowań stanowi grupa standardów VPX rozwijanych przez organizację VMEbus International Trade Association (VITA).
Czym jest MOSA?
W dynamicznie rozwijających się sektorach technologii wojskowych, lotniczych i kosmicznych zapotrzebowanie na elastyczne, interoperacyjne oraz ekonomiczne rozwiązania wciąż rośnie. W odpowiedzi na nie popularyzuje się podejście MOSA (Modular Open Systems Approach), które zostało nawet oficjalnie zarekomendowane przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych (obecnie Departament Wojny). Jest to metodologia, która kładzie nacisk na projektowanie oraz wdrażanie systemów z modułowymi, wymiennymi komponentami, najlepiej z wykorzystaniem komercyjnych podzespołów gotowych do użycia (COTS, Commercial Off The Shelf), w oparciu o otwarte standardy i jasno zdefiniowane interfejsy.
Kluczowe zasady MOSA
Modułowość: Systemy są projektowane z modułowych komponentów, które można niezależnie rozwijać, modernizować i wymieniać.
Interoperacyjność: Zgodność z otwartymi standardami zapewnia bezproblemową współpracę komponentów różnych dostawców.
Oszczędność: Korzystanie z produktów gotowych do użycia redukuje koszty i czas rozwoju, umożliwiając szybsze wdrażanie i modernizacje.
Skalowalność: Systemy można skalować w górę lub w dół w zależności od konkretnych wymagań, co zapewnia wszechstronność wdrożenia.
Korzyści z MOSA
Większa elastyczność: MOSA umożliwia szybką integrację nowych technologii, bez konieczności gruntownego przeprojektowywania całego systemu. Ta elastyczność jest kluczowa dla adaptacji do zmieniających się wymagań, na przykład nowych zagrożeń na polu walki i postępu technologicznego.
Zwiększona interoperacyjność: Dzięki zgodności z otwartymi standardami, MOSA zapewnia interoperacyjność systemów różnych producentów. W sektorze obronności jest to ważna cecha, przykładowo w warunkach bojowych podczas wspólnych operacji sił koalicyjnych, podczas których w innym przypadku kompatybilność sprzętu sojuszników może być problemem.
Niższe koszty: Korzystanie z produktów COTS znacznie obniża koszty w porównaniu z rozwiązaniami niestandardowymi. Skraca to też czas i zmniejsza wydatki na modernizację i konserwację systemu.
Wydłużony okres eksploatacji: MOSA umożliwia zachowanie sprawności starszych systemów dzięki integracji nowych technologii poprzez doinstalowywanie modułów. Takie podejście wydłuża okres eksploatacji istniejących platform i maksymalizuje zwrot z inwestycji.
VPX
Standard VPX (VITA 46) opracowano w odpowiedzi na ograniczenia wcześniejszych specyfikacji, zwłaszcza VME (VERSAmodule Eurocard). Umożliwia on projektowanie systemów wbudowanych zoptymalizowanych pod kątem wymagań charakteryzowanych skrótem SWaP (patrz ramka: SWaP, SWaP+C, SWaP+C²), oznaczającym kompromis między rozmiarem, masą a poborem mocy, przy jednoczesnym zapewnieniu wysokiej przepustowości transmisji danych i odporności na warunki środowiskowe. W VPX zostały wyeliminowane ograniczenia transmisji równoległej zastąpionej szybkimi połączeniami szeregowymi w standardach takich, jak PCI Express, Ethernet i Serial RapidIO, w architekturze switched fabric. Opiera się ona na komunikacji punkt – punkt, która stanowi alternatywę dla współdzielenia medium transmisyjnego równocześnie przez wszystkie moduły. Dzięki dedykowanym łączom szeregowym i elementom przełączającym można uniknąć problemów w zarządzaniu dostępem do magistrali i kolizji danych, uzyskując dużą przepustowość oraz małe opóźnienia.
Standard VPX dopuszcza moduły w formatach 3U i 6U, montowane na płycie backplane pełniącej funkcję centralnej magistrali komunikacyjnej i zasilającej, odpowiadającej za dystrybucję zasilania oraz transmisję danych między modułami za pośrednictwem wspomnianych szybkich interfejsów szeregowych. Konstrukcja obudowy zapewnia ochronę przed czynnikami zewnętrznymi, a także integruje system chłodzenia. Przykładowe moduły funkcyjne to karty: CPU, akceleratorów GPU, FPGA, rejestrowania i kodowania obrazu, przełączniki, moduły pamięci. Standaryzowane są też zasilacze.
Standard VPX opracowano, ponieważ jego poprzednik, VME, nie zapewniał wydajności systemów wbudowanych odpowiedniej do współczesnych wymagań urządzeń wojskowych, lotniczych, jak i przemysłowych. Tradycyjne architektury równoległe stały się niewystarczające m.in. dla obróbki obrazów wysokiej rozdzielczości 4K/8K, obsługi fuzji danych z czujników w czasie rzeczywistym czy w przypadku algorytmów AI/ML, wykorzystywanych na przykład w nawigacji autonomicznej. Dzięki VPX możliwe jest natomiast uzyskanie wydajności obliczeniowej komputerów klasy serwerowej w ograniczonej przestrzeni montażowej i przy narażeniu na ekstremalne warunki pracy.
VITA 46
VPX nie jest pojedynczym standardem, lecz zbiorem specyfikacji, cyklicznie uzupełnianym przez organizację VITA o kolejne wersje. Każda z nich dotyczy innego aspektu systemów wbudowanych, m.in. konstrukcji mechanicznej, metod chłodzenia, interoperacyjności, transmisji danych, integracji sygnałów RF i optycznych, zastosowań specjalnych.
Standard VITA 46 stanowi punkt wyjścia dla kolejnych rozszerzeń. Obejmuje m.in. formaty modułów i złącza wysokiej gęstości MultiGig RT2. Moduły 3U i 6U różnią się wymiarami, co przekłada się na zagęszczenie komponentów i w konsekwencji funkcjonalność. To determinuje ich zastosowania. Moduły 3U charakteryzują się kompaktowymi wymiarami 100 x 160 mm. Niewielki rozmiar i lekkość sprawiają, że spełniają restrykcyjne wymagania SWaP+C i łatwo je zintegrować w platformach mobilnych. Zwykle zapewniają wystarczającą moc obliczeniową do sterowania lotem, przetwarzania danych z sensorów i komunikacji w dronach, sprawdzają się również w przenośnych systemach łączności i lekkich systemach obserwacyjnych i rozpoznawczych. Moduły 6U są większe – ich rozmiar to 233 × 160 mm. Więcej powierzchni użytkowej i linii transmisyjnych pozwala na montaż większej liczby podzespołów i złączy, realizację zadań o większej złożoności, wymagających wysokiej przepustowości, dużych możliwości obliczeniowych i większego poboru mocy. Z modułów w tym formacie korzysta się na przykład w systemach radarowych i systemach walki elektronicznej. W praktyce wybór między 3U a 6U jest kwestią kompromisu między wymaganą mocą obliczeniową a ograniczeniami mechanicznymi oraz energetycznymi platformy docelowej.
VITA 48.8
Niezmiennym wyzwaniem dla projektantów systemów wbudowanych jest osiągnięcie kompromisu między wymaganiami modelu SWaP-C, czyli ograniczeniem rozmiarów, wagi, poboru mocy i kosztów tego typu platform, a koniecznością ciągłego zwiększania ich funkcjonalności. Jest to trudne, ponieważ wzrost mocy obliczeniowej i miniaturyzacja układów scalonych nieuchronnie skutkują wzrostem ilości wydzielanego w nich ciepła, a z drugiej strony równocześnie coraz większe są ograniczenia przestrzenne i wagowe, czego najlepszym przykładem są drony. W ich przypadku każdy dodatkowy kilogram wyposażenia ma bezpośredni wpływ na zasięg lotu i możliwości operacyjne. W praktyce oznacza to, że możliwości rozwoju zaawansowanych wielofunkcyjnych platform wbudowanych są uwarunkowane skutecznością ich chłodzenia.
Naprzeciw tym wyzwaniom wyszli twórcy specyfikacji VITA 48.8, która definiuje otwarty standard wymagań projektowych dla modułów typu plug-in chłodzonych metodą Air Flow Through (AFT) w formatach 3U i 6U. Jest to pierwszy otwarty standard, który odnosi się do AFT w modułach VPX w rozmiarze 3U, który jest preferowany w urządzeniach o krytycznych wymaganiach SWaP-C, jak już wspomniane drony. Oparty na rozwiązaniach opracowanych przez firmy Lockheed Martin Rotary i Mission Systems standard VITA 48.8 umożliwia zmniejszenie wagi i kosztów platform z modułami o dużej gęstości upakowania podzespołów i dużej mocy strat cieplnych, co udaje się osiągnąć m.in. dzięki wyeliminowaniu klinowych mechanizmów mocujących (wedgelock) oraz mechanizmów wsuwania/wyjmowania modułu (ejector/injector) i zastąpieniu ich lżejszymi mechanizmami mocującymi, jak śruby dociskowe.
W architekturze VPX mechanizmy wedgelock stanowią ważny element modułów chłodzonych przez przewodzenie. Ich zadaniem jest jednoczesne unieruchomienie modułu w slocie oraz zapewnienie efektywnego odprowadzania ciepła z modułu do obudowy. Działają na zasadzie rozpierającego układu klinowego – po wsunięciu karty i dokręceniu śruby mechanizm rozszerza się, dociskając boczne powierzchnie modułu do prowadnic obudowy. Zapewnia to stabilne mocowanie, a zarazem powstanie dobrego kontaktu termicznego między modułem a obudową, która pełni funkcję radiatora odprowadzającego ciepło. Mechanizmy wedgelock są wykorzystywane w urządzeniach wojskowych, samolotach i generalnie urządzaniach wzmocnionych, pracujących w warunkach podwyższonych wibracji, udarów mechanicznych oraz szerokim zakresie temperatur. Klinowe mechanizmy mocujące charakteryzuje wytrzymałość mechaniczna i duża skuteczność chłodzenia, ale równocześnie zwiększają wagę i złożoność mechaniczną, co wpływa na koszt. Dodatkowo, chłodzenie przez przewodzenie jest mało efektywne w odprowadzaniu dużych ilości ciepła.
Drugi typ wyeliminowanych mechanizmów służy do wsuwania i wysuwania modułu ze slotu oraz zapewnienia odpowiedniej siły docisku. Są to zazwyczaj dźwignie montowane z przodu modułu. Korzysta się z nich, ponieważ ze względu na dużą gęstość złączy, ręczne wsunięcie, jak i wyjęcie modułu bez dodatkowego uchwytu byłoby trudne i mogłoby prowadzić do uszkodzenia złączy lub nierównomiernego osadzenia modułu. Oprócz pełnienia funkcji dźwigni zwiększającej siłę operatora podczas instalacji i demontażu modułu, dodatkowo go stabilizują i zabezpieczają przed poluzowaniem się na skutek wibracji. W klasycznych konstrukcjach chłodzonych przez przewodzenie są to standardowe elementy. W opisywanym standardzie od tej metody odprowadzania ciepła jednak odchodzi się.
Alternatywne chłodzenie
Standard VITA 48.8 wspiera alternatywne konfiguracje przepływu powietrza chłodzącego, które może być doprowadzane z różnych kierunków. Dzięki temu, że przestano polegać na chłodzeniu przez przewodzenie ciepła między modułem a obudową możliwe staje się zastosowanie lżejszych konstrukcji obudów wykonanych z tworzyw sztucznych i kompozytów, co wpisuje się w wymogi SWaP-C.
VITA 48.8 opracowano z myślą o rozwiązaniu kluczowych problemów związanych z chłodzeniem metodą AFT, jak spadki ciśnienia powietrza, efektywność wymiany ciepła, organizacja kanałów dolotowych i wylotowych oraz utrzymanie stabilnych warunków termicznych na dużych wysokościach operacyjnych. Moduły zgodne z tym standardem wykorzystują centralnie umieszczony ożebrowany wymiennik ciepła, który umożliwia bezpośrednie chłodzenie elementów generujących największe ilości energii cieplnej, zarówno na głównej płytce modułu, jak i na kartach rozszerzeń (mezzanine).
Podejście Air Flow Through znacząco zwiększa efektywność zarządzania temperaturą w porównaniu z klasycznym chłodzeniem przez przewodzenie. Wynika to przede wszystkim z bezpośredniego doprowadzenia strumienia chłodzącego powietrza w pobliże głównych źródeł ciepła, co pozwala ograniczyć opory termiczne charakterystyczne dla przewodzenia ciepła przez elementy mechaniczne modułu. Szczególne znaczenie ma to w przypadku nowoczesnych modułów 3U VPX o wysokiej gęstości mocy, wyposażonych dodatkowo w karty rozszerzeń, gdzie tradycyjne chłodzenie przez przewodzenie osiąga granice swojej efektywności.
Istotnym problemem współczesnych architektur modułowych jest również zjawisko tzw. kanapki cieplnej (heat sandwich), występującej pomiędzy główną kartą modułu a kartą rozszerzeń. Często elementy o największej emisji ciepła znajdują się naprzeciwko siebie, co prowadzi do lokalnego nagromadzenia energii cieplnej i utrudnia jej skuteczne odprowadzanie. W architekturze zalecanej w VITA 48.8 strumień powietrza przepływa bezpośrednio między tymi powierzchniami, skutecznie rozdzielając źródła ciepła i poprawiając warunki chłodzenia najbardziej obciążonych komponentów.
Z kolei w porównaniu z chłodzeniem cieczą technologia AFT pozwala znacząco ograniczyć masę i stopień skomplikowania. Eliminacja dodatkowych układów hydraulicznych i wymienników przekłada się na uproszczenie konstrukcji oraz zwiększenie jej niezawodności eksploatacyjnej. Dodatkową zaletą jest ograniczenie ryzyka kondensacji pary wodnej, które może występować w systemach chłodzonych cieczą pracujących w zmiennych warunkach środowiskowych.
OpenVPX
Pomimo standaryzacji fizycznej architektury VPX, w praktyce szybko okazało się, że standard nie rozwiązuje w pełni braku problemu interoperacyjności. Duża elastyczność VPX doprowadziła do sytuacji, w której poszczególni producenci implementowali własne konfiguracje. W rezultacie integracja modułów, płyt backplane i obudów pochodzących od różnych dostawców była często utrudniona lub niemożliwa bez dodatkowych modyfikacji.
W odpowiedzi na te problemy opracowano standard OpenVPX (VITA 65). Jego głównym celem było wprowadzenie jednolitych zasad definiowania architektury systemów VPX oraz zapewnienie interoperacyjności pomiędzy komponentami różnych producentów. OpenVPX rozszerzył pierwotny standard VPX o warstwę logiczną definiującą profile systemowe, które określają sposób mapowania sygnałów, organizację połączeń oraz zasady integracji modułów.
Kluczowym elementem OpenVPX było wprowadzenie jednoznacznie zdefiniowanych profili routingu i komunikacji. Standard uporządkował strukturę systemu poprzez podział sygnałów na tzw. płaszczyzny funkcjonalne (planes), obejmujące między innymi płaszczyznę sterowania (control plane), transmisji danych (data plane), zarządzania (management plane), rozszerzeń (expansion plane) oraz sygnałów pomocniczych (utility plane). Pozwoliło to na wyraźne rozdzielenie funkcji komunikacyjnych i uproszczenie projektowania złożonych systemów wielomodułowych.
SWaP, SWaP+C, SWaP+C²
Systemy wbudowane na potrzeby sektora lotniczego, wojskowego i przemysłu projektowane są pod kątem rygorystycznych ograniczeń dotyczących rozmiaru, masy, poboru mocy oraz kosztów eksploatacji. Są one dla uproszczenia charakteryzowane jako SWaP, SWaP-C oraz SwaP-C² – skróty te obejmują kluczowe parametry wpływające na możliwość wdrożenia systemu wbudowanego w platformie docelowej.
SWaP to akronim Size, Weight and Power. Parametry te, czyli rozmiar, masa oraz pobór mocy urządzenia lub całego systemu, mają fundamentalne znaczenie szczególnie w platformach mobilnych, takich jak drony, pojazdy wojskowe czy satelity, w przypadku których przestrzeń instalacyjna, dostępne zasilanie oraz dopuszczalna masa są ściśle ograniczone. Kompaktowość systemu wbudowanego upraszcza integrację ze sprzętem docelowym, redukcja masy wpływa na zwiększenie jego zasięgu i ładowności, natomiast ograniczenie poboru mocy przekłada się na mniejsze wymagania energetyczne oraz uproszczenie systemów chłodzenia.
Z czasem termin SWaP został rozszerzony do SWaP-C, gdzie litera C oznacza Cost. Oprócz parametrów fizycznych i energetycznych zaczęto uwzględniać również całkowity koszt wdrożenia i eksploatacji systemu. Obejmuje on nie tylko cenę samego sprzętu, ale również jego integracji, chłodzenia, zasilania, serwisowania oraz modernizacji. SwaP-C² z kolei, w zależności od kontekstu, odnosi się najczęściej do cooling, czyli wymagań w zakresie chłodzenia albo cybersecurity, czyli cyberbezpieczeństwa.
OpenVPX zdefiniował również klasy połączeń szeregowych określane jako pipes, opisujące szerokość i przepustowość kanałów transmisyjnych. Wprowadzono między innymi klasy ultra-thin pipe (x1), thin pipe (x2), fat pipe (x4) oraz double fat pipe (x8), odpowiadające liczbie linii transmisyjnych wykorzystywanych przez dany interfejs. Standaryzacja tych klas umożliwiła jednoznaczne definiowanie interfejsów komunikacyjnych oraz zapewniła kompatybilność modułów wykorzystujących magistrale takie jak PCI Express, Ethernet czy Serial RapidIO.
W celu zapewnienia pełnej interoperacyjności OpenVPX wprowadził trzy podstawowe typy profili: slot profiles, module profiles oraz backplane profiles. Profile slotów definiują konfigurację złączy i mapowanie portów w konkretnym slocie backplane. Profile modułów określają sposób przypisania interfejsów oraz protokołów komunikacyjnych do złączy modułu VPX. Z kolei profile backplane opisują topologię połączeń pomiędzy slotami oraz parametry transmisyjne całego systemu. Dzięki takiemu podejściu możliwe stało się tworzenie platform, w których moduły różnych producentów mogą współpracować w ramach jednej, spójnej architektury sprzętowej.
SOSA
Naturalnym rozwinięciem podejścia OpenVPX stał się standard SOSA (Sensor Open Systems Architecture), który jeszcze doprecyzowuje zasady projektowania modułowych systemów embedded. SOSA wykorzystuje VPX jako podstawę fizyczną, ale wprowadza dodatkowe profile i ograniczenia projektowe, które mają na celu zwiększenie interoperacyjności, uproszczenie integracji oraz skrócenie czasu wdrażania nowych systemów.
Ewolucja od VPX do OpenVPX i SOSA pokazuje szerszy trend w projektowaniu systemów wbudowanych, polegający na przejściu od zamkniętych, silnie zintegrowanych konstrukcji do otwartych, modułowych architektur. Kluczowym celem tego podejścia nie jest rezygnacja ze standardów, lecz ich przekształcenie w narzędzie umożliwiające szybszą integrację technologii oraz łatwiejszą modernizację systemów w długim cyklu życia. W efekcie VPX i jego rozwinięcia stają się nie tylko standardami technicznymi, ale również elementem szerszej strategii transformacji sposobu projektowania i wdrażania systemów wbudowanych w zastosowaniach krytycznych.
Monika Jaworowska
