הדילמה בתכנון ופיתוח מחשבים מוקשחים קטנים המגמות הנוכחיות שמתרחשות בשוק היום

מבוא

כאשר מפתחים מוצר חדש במגזר האוויוניקה והצבאי, האלמנטים החשובים ביותר הם גודל, משקל, כוח ומחיר. אלמנטים אלו מוכרים גם כSWaP-C . אלמנט נוסף הינו זמן ייצור והאספקה ללקוח. כיום מערכות האוויוניקה הצבאיות מתוחכמות ודורשות זמן רב לפיתוח. ולכן אלמנט זה הוא גם בעל חשיבות רבה.

במהלך העשור האחרון, למהנדסים היו שתי אפשרויות בתכנון מערכות לסביבה בתנאים קיצוניים. אפשרות ראשונה, המהנדסים עצבו את המעגלים המודפסים ע”פ הנתונים שהיו ברשותם לאחר מכן הם שילבו את הרכיבים הנכונים לצורך פיתוח האפליקציה. אפשרות זו לוותה בבעיות פוטנציאליות כגון משך זמן הפיתוח, עלות תקורה, מגוון מוגבל של קומפוננטות שניתן להשיג, והתיישנות המוצר.

האפשרות השניה, היכולת לבחור כרטיסים קיימים מהמדף ולנסות להתאימם לדרישתם .

בדרך כלל, כרטיסים אלו שמרו על סטנדרטים תעשייתים וצבאייםVME, VPX, cPCI)   ) השימוש העיקרי היה למערכות צבאיות ואוויוניקה. בעשור האחרון ,הכל השתנה.

עם האבולוציה של מערכות על שבב (System-on-Chip or SoC) היכולת  לפתח מחשבים הפכה להיות קלה מהירה ובמחיר זול יותר וכך למעשה להתאים לדרישות המדויקות של המהנדסים.

השימוש של מערכות על שבב הציפו הן את התעשייה הכבדה, הרפואית והתחבורה והן את השוק הצבאי והאוויוניקה.

עם ההצלחה של SoC תהליך יישום הכרטיסים המודפסים הינו קל יותר ועל כן ישנו דחף להמשיך ולפתח מערכות על שבב אלו בסטנדרטים המתאימים. כיום, עם הדגש על סטנדרטיזציה, יצרני הרכיבים המובילים בתחום מייצרים קונקטורים (חיבורים) העוזרים למהנדסים לפתח כרטיסים ולוח-אם לפי הסטנדרט. כך למהנדס שצריך לתכנן ולשלב מערכות יש יותר ספקים ואופציות לבחירה.

כתוצאה מכך ישנה הפחתה בסיכון הסתבכות ייצור הכרטיס והמוצר הסופי, עלות תקורה יורדת וזמן האספקה פוחת. דוגמאות של סטנדרטים המתאימים לכרטיסים המודפסים נבעו מהשוק התעשייתי אך הן גם אומצו ע”י השוק הצבאי והאוויוניקה. הסטנדרטים כוללים:   PICMG’s COM Express, PCI-SIG’s MiniPCIe ,SGeT’s, SMARC ועוד.

במקביל, הגופים השמרנים המייצרים סטנדרטים לשוק הצבאי והאוויוניקה  אומנם איטיים יותר מהגופים שמייצרים את הסטנדרטים לשוק התעשייתי אך בפעילות מתמדת לשפר את הסטנדרטים הצבאיים. גופים כמו ANSIו VITA הגופים המרכזיים המייצרים סטנדרטים לשוק הצבאי והאוויוניקה, התאימו את הסטנדרטים התעשייתיים שהוזכרו קודם , כדוגמת הסטנדרט החדש בשם VITA74 (VNX)המיועד למחשבים קטנים מוקשחים הנשענים על האלמטים תעשייתים.

במאמר זה אספק אופציות בתכנון ופיתוח של מחשבים קטנים מוקשחים עם דגש על הסטנדרטים מקובלים.

מה לגבי VME וVPX למחשבים קטנים מוקשחים ?

היום כאשר מייצרים מערכות קטנות מוקשחות בהתאם לSWaP, יצרני הכרטיסים VME וVPX משאירים את הכרטיסים בגודל המקורי. כרטיסים אלו היו יעודיים למערכות גדולות ובינוניות. מכיוון שכעת שייצור מארזים צבאיים עם חריץ אחד או שניים בסטנדרט של VME או VPX, נוצר מצב בו אין ניצול מקסימלי של המרחב. לעיתים הכרטיסים גדולים מידי לעוצמת המעבד ולכמות הקומפוננטות הקיימות. סטנדרטים אלו מוגבלים במהירות ופחות תואמים את הגרסאות המתקדמות של אפיק הנתונים כמו שניתן לקבל במודולים החדשים.

אך עם זאת VME וVPX אינם מיושנים, רחוק מזה. יש בהם ערך רב לפרוייקטים של רטרופית כאשר למהירות הנתונים והאיתותים החשיבות מועטת. כסטנדרט צבאי, VPX תואם בשלמותו כאשר יש צורך בעוצמה חזקה, מעבדים חזקים וממשקים רבים בגודל קטן. הטענה פשוטה, מהנדס שרוצה לתכנן מערכת קטנה לפי הסטנדרט וחושב להשתמש בכרטיס אחד או שתיים של VME או VPX בלבד, מאחר שלא יהיה ניצול אופטימלי של SWaP כדאי להם לחשוב על אופציות אחרות.

שימוש במודולים שמבוסס על סטנדרטים אזרחים ותעשיתיים

התרשים לעיל מראה אבולוציה היסטורית של קומפוננטות ומעבדים שמשתמשים להרכבת מחשב. חוק מור, המוזכר בעולם הטכנולוגיה, עדיין קובע  שצפיפות הטרנזיסטורים וקומפוננטות במעגלים משולבים תוכפל כל שמונה עשר עד עשרים וארבעה חודשים. במקביל, המהנדס שואף לשמור על סדר ולכן מנסה לבנות מערכות לפי הסטנדרט.

בעולם אידיאלי, מהנדסים רוצים לתכנן כרטיסים ומערכות כאשר הם יודעים מראש את סדר הפינים.על כן, האלקטרוניקה במחשב שונתה על ידם בכך שהטרנזיסטורים צומצמו למעגל משולב, אשר בסופו של דבר צומצם למערכת על שבב (SoC). כתוצאה מכך, תם עידן הטכנולוגי שבו על המהנדסים לרכוש מעבדים ורכיבים נפרדים בכדי להלחימם על כרטיס (ולחברם יחדיו).

כיום ניתן לרכוש קומפוננט מבוסס על SoC לחבר אותו עם חיבורים אלקטרוניים סטנדרטיים על מודול או לוח-אם סטנדרטי.

הטכנולוגיה בימינו השתפרה וניתן לראות טכנולוגיה חדשה בשם מערכת על מודול (SoM). SoM, המבוסס על הרעיון שניתן להוסיף יותר קומפוננטות מושלבות כמו זיכרון, תקשורת, RF ואפילו ספק כוח. תכונות אלו הופכות אותו להיות כמעט כמו מחשב שלם על מודול קטן.  כך, המערכות קטנות יותר, צורכות פחות חשמל ומייצרות פחות חום, עם זאת, התפקוד במערכות הוא מירבי, דחיסת החיבורים וכמובן חוק תרמודינמיקה עלולים להגביל את תפקוד המערכת.

הפופולריות של המודולים אלה משנה היום את הטכנולוגיה בבניית מערכות רבות כגון מערכות למכוניות, מערכות רפואיות, ובביוטכנולוגיה. עקב ההצלחה בסקטורים אלה, המחירים של המודולים יורדים דרסטית. מודולים אלה גם מספיק מוקשחים לשוק הצבאי ואוויוניקה, עובדה זו תורמת להורדת מחירים גם בשוק זה.

היצרנים בתחום מצליחים לייצר סטנדרטים רלוונטים לבניית מחשבים קטנים מוקשחים, כדוגמא:

• COM Express standards published by the PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG)
• SMARC (Smart Mobility ARChitecture) standard published by the Standardization Group for Embedded Technologies (SGET).
• MiniPCIe (Mini PCI Express) standard published by the Peripheral Component Interconnect Special Interest Group (PCI-SIG)
• mSATA (Mini-SATA) standard by the Serial ATA International Organization (SATA-IO)

המודולים של SoM שמבוסס על סטנדרטים אלו התחילו לחדור לשוק הצבאי ואוויוניקה (מחשבים קטנים מוקשחים). מהנדסים יעדיפו לפתח לוח אם כללי או כרטיס שיכול לתמוך במודולים של SoM ולדחוס כמה שיותר יכולות פונקציונליות כאשר עליהם כמובן לקחת בחשבון מצבים תרמיים. יתרה מזאת, ניתן לשלב את הכרטיסים המוקשחים הסטנדרטיים עם המודולים של SoM, כגון: VPX, XMC, VNX ועוד.

היום מהנדסים יכולים ליישם טכנולוגיה מתקדמת של המודולים של SoM  על מנת  לייצר מחשבים מתאימים לאפליקציות של C4ISR.  כדוגמת:

• מחשב משימה
• עיבוד תמונה
• ריכוז והקלטת נתונים
• תקשורת
• 

  איור 3: מחשבים היברידיים קטנים ומוקשחים

  

  שילוב של כל היתרונות – ANSI/VITA-74 (VNX)

  ויטא היא ארגון ללא מטרה רווח שמרכז את כל היצרנים, האינטגרטורים, והספקים עיקרים בשוק לקביעת סטנדרטים שימושים לבניית מחשבים משובצים לשוק הצבאי ואוויוניקה. דוגמאות של סטנדרטים כוללים .PMC, XMC, OpenVPX:לאחר קביעת הסטנדרט של VPX  המטרה הבאה למשיך באותו כיוון בממדים קטנים תוך ניצול היתרונות של VPX  תוך מניעת מוגבלויות קיימות. ניתנה אפשרות לניצול הטכנולוגיה של המודולים של SoM  שהיתה מוצלחת. בנוסף הם רצו סטנדרט שיכול לתמוך בטכנולוגיות מתקדמות כמו ממשקים חדשים ואפיק נתונים של PCIe מהירים יותר. הוועדה הגדירה קונקטורים, לוח אם וחיבורים המוכרים בשוק על מנת לצמצם סיכון של הסתבכות בזמן פיתוח, עליות וכמובן לשמור על העקרונות של .SWaP-C התוצאה לכך היא הסטנדרט VITA74 או מוכר בשםVNX .

• 

  איור 4: מחשב קטן מוקשח על פי
  סטנדרט
  VNX

  VNX הוא סטנדרט המיועד למחשבים ומודולים מן המדף שהם מוקשחים וקירור בהולכה התבססו על עקרונות של MOSA.

  כאשר הועדה תכננה את הסטנדרט VNX הוחלט ליישם טכנולוגיות חדשות המוכרות בשוק ויישום הפקת לקחי העבר בסטנדרטים הקודמים. הועדה עשתה זאת כדי למנוע עליות מיותרות ולהקל את תהליך הפיתוח. במקום להגדיר את  המבנה הפנימי של המודול, הגישה של VNX  היתה להגדיר את המבנה  החיצוני כמו: חיבורים, איתות, פרופיל של חריץ, איך לקרר וגודל הכרטיסים. הדבר משאיר חופש למהנדסים להגדיר את תוכן הכרטיס. המהנדסים יכולים להשתמש במודולים של SoM וCOMe הפופולריים היום בשוק  המתאים לתנאי חוץ (ויברציה קר וחום) שתמיד מוצאים במערכות מוסמכות על פי Mil-STD-810ו .VITA47 שילוב זה של מודולים SoMו COMe על מודול VNX מאפשר זמן אספקה מהיר יותר בדר”כ ללא צורך בפיתוח מיוחד נוסף.

  סיכום

  כותרת המאמר מתארת מצב של דילמה בתכנון מחשבים קטנים  מוקשחים. המהנדס היום יכול לבחור כמות  של מודולים המבוססים על סטנדרטים תעשייתיים כולל סטנדרטים חדשים למודולים מוקשחים: VNX יתרה מכך יש מגוון רחב של ספקים מוכשרים שיכולים לספק כרטיסים ומחשבים מן המדף במחירים תחרותיים היכולים להקל על המהנדסים ואינטגרטורים הבונים מערכות למינהם.

   

  Trident Infosol

  www.trident-sff.com

  global-sales@trident-sff.com