מאת: מייק סנטריני, Xilinx. לפני כעשור יצרו ממשלת ארה”ב ובנות בריתה רשת תקשורת עולמית מהירה שזכתה לשםGlobal Information Grid, או בקיצור GIG. בשנים חלפו מאז נעזרו הצבא וסוכנויות ביון שונות ב-GIG במשימות של זיהוי והערכה מהירים של איומים ברחבי העולם, ובמשימה של תיאום תגובות הולמות לאיומים. בנוסף מאפשרת ה-GIG לארה”ב ולבעלות הברית לתקשר ביניהן בשדה הקרב, מה שמייעל את כל הפעילות המבצעית. הרשת המהירה אף סייעה בידי משרד ההגנה האמריקני בפריסת טכנולוגיות יותר ויותר מתקדמות, ובמיוחד כלי תקיפה וביון לא מאוישים שניתן להפעילם מרחוק כמעט בזמן אמת (near real-time), ממרחק של יבשות.
אולם עבור רבים מתרחישי שדה הקרב ואיתור האיומים, קרוב לזמן אמת זה אינו מהיר דיו, ולכן משרד ההגנה האמריקני נמצא היום בשלבים מוקדמים של פיתוח ביצועים מקיף עבור ה-GIG. חלק גדול מהשיפור הזה יכלול את האימוץ של ציוד רשת חדש יותר שיאיץ את קצבי העברת הנתונים מה-4Gbit/s של היום ל-40Gbps עבור תקשורת אלחוטית, מה שיעזור לקרב את התקשורת לזמן אמת של ממש.
עמית דהיר, מנהל בכיר בחטיבת התעופה והביטחון של Xilinx, אומר שהמעבר לדור השני של ה-GIG ילווה במאמץ מסיבי להוסיף מחשוב מקומי לכל המערכות והלווינים, המטוסים, הטנקים, הספינות, המל”טים וחיילי הרגלים – המצויים בקצה הרשת. המטרה היא שהמל”ט, הלווין או ציוד התצפית יוכלו לא רק לצלם וידאו ותמונות, אלא גם לבצע סינון וניתוח נתונים מסוים ברמה המקומית, באתר ההתרחשות, עוד לפני שליחת הנתונים לאנליסטים בפנטגון או במרכז פיקוד מקומי. זה יעזור לאנליסטים להיות מדויקים ויעילים יותר בעבודתם, ויקצר את מה שמכונה בעגה המקצועית זמן ה “חיישן ליורה” (sensor to shooter).
“לזיילינקס היסטוריה עשירה של 20 שנה בשירות קהילת הביטחון והתעופה, ויש לנו תפקיד מרכזי בבניית תשתית הרשת הנוכחית של ה-GIG”, אומר דהיר. נכון להיום נעשה שימוש
ב-FPGAs בציוד הרשת הקווית של ה-GIG, כמו גם במערכות התקשורת של כמה וכמה לווינים ומל”טים כדוגמת ה-Global Hawk. ניתן למצוא אותם במערכות התקשורת של מטוס ה-Joint Strike Fighter ושל כלי טיס ויבשה רבים נוספים, כמו גם במערכות הנחיה של כמה וכמה דורות של פלטפורמות טילים.
ה-FPGAs הופכים את שדה הקרב המרושת לבטוח ומאובטח יותר
אמינות ואבטחה הם שני גורמים חשובים עבור כל יישום, אבל בשדה הקרב המרושת הם לא סתם חשובים, הם קריטיים.
בהתאם למיקומן בעולם ולתפקיד שהן ממלאות, חלק מהמערכות ב-GIG נדרשות לעמוד בדרישות אמינות הרבה יותר מחמירות מאחרות. התקנים רבים, במיוחד אלו הפועלים בחלל או בגבהים קיצוניים, חייבים להיות מסוגלים להתמודד עם SEUs (single-event upsets – שיבושים של אירוע יחיד), הנגרמים כאשר חלקיקים טעונים מתנגשים עם מעגלים אלקטרוניים.
מספר החלקיקים הטענים באטמוספרה הולך וגדל עם העלייה בגובה (ועמם גדל גם הסיכוי להיתקל ב-SEU) (ראו איור). אם חלק מסוים איננו עמיד בקרינה או אינו משתמש לפחות באיזושהי שיטה להפחתה ותיקון שגיאות, טעינה יחידה עלולה לגרום לבעיות של אמינות, החל מהשהיה, דרך אותות שגויים או מזויפים בתוך זרם הביטים, ועד להינעלות ההתקן ואפילו הקפאה של המערכת כולה.
כדי לעזור במציאת פתרונות, דלפין רודילאס, מנהל בכיר של מגזרי האוויוניקה, החלל והמחשוב ברמות ביצועים גבוהות בקבוצת התעופה והביטחון של זיילנקס, אומר שהחברה מציעה ללקחותיה מגוון שיטות להפחתת מצבים של SEU, החל ממה שהוא מכנה פתרונות הקשחה לקרינה בבדיקות (radiation-hardened-by-test) ועד לטכנולוגיות של הקשחה לקרינה בתכנון ((radiation-hardened-by-design. “ביצענו הרבה מאוד בדיקות כדי לאפיין את קצב ה-FIT (failure in time) של ההתקנים שלנו כשהם מצויים תחת השפעות של SEU של נויטרונים”, אומר רודילאס. “בנוסף, זיילינקס פיתחה גם תכנוני ייחוס
ו-IP שייסיעו באיתור ובתיקון SEU. לדוגמה, יש לנו מאקרו של Virtex-5 SEU הממנף כמה מהתכונות המובנות של הסיליקון”. אלה כוללות בדיקות יתירות מחזוריות וביצוע תיקון שגיאות על מסגרות (ECC). בנוסף, “יש לנו מאקרו לתיקון שגיאות. זה מחזק עוד יותר אמינותם של ההתקנים שלנו כשהם נתקלים ב-SEUs”, מוסיף רודילאס.
רודילאס אומר שכלי ה-TMR (Triple Module Redundancy – יתירות מודול משולשת) של זיילינקס מאפשר ללקוחות לתכנן שכבות נוספות של הגנה מפני SEU וחיזוק אמינות המוצרים שלהם. באופן עקרוני, היתירות המשולשת מביאה תועלת במקרה שההתקן נתקל בחלקיקים טעונים גדולים או בהרבה חלקיקים בו זמנית, מה שיוצר שיבוש של כמה ביטים, מסביר רודילאס. “אם מעגל אחד כושל, שני המעגלים היתירים הנוספים מבצעים פונקציה של הצבעה כדי לבצע איתור ותיקון עצמי של הרגל שהושחתה. כל זה מתבצע מבלי לשבש את פעולתו השוטפת של ההתקן”.
עבור יישומים בחלל או יישומים אחרים החשופים לקרינה ומצריכים רמה גבוהה במיוחד של אמינות, זיילינקס מציעה IP שמסוגל לתקן באופן רציף את תצורת ה-FPGA, שוב, מבלי לשבש את פעולת ההתקן. רודילאס מציין שבעוד שהמתודולוגיות, ה-IP והטכנולוגיות של יתירות והפחתת SEUs פותחו כולם במקור עבור יישומי תעופה וביטחון, היום הם כבר מתחילים למצוא דרכם למערכות מסחריות כדוגמת יישומי תקשורת ומחשוב במהירות גבוהה, שבהם ההפחתה של SEU הולכת והופכת לדרישה של ממש.
בנוסף לאמינות, האבטחה היא דרישה חיונית נוספת של שדה הקרב המרושת. נכסים רבים המחוברים לרשת חייבים להיות מסוגלים לתקשר זה עם זה באופן מאובטח.
עבור התקשורת, מלוחם בשוחות ועד לצינורות הגדולים של לווין, משרד ההגנה האמריקני קבע דרישות הצפנה ספציפיות בכל נקודה בשדה הקרב המרושת. בנוסף, התקשורת והתאימות ההדדית בין בעלות הברית יכולות להוות אתגר של ממש, כיוון שכל מדינה משתמשת בסכמות הצפנה משל עצמה ולכל אחת מהמדינות דרישות משלה עבור כל סביבה נתונה.
קבוצת התעופה והביטחון של זיילינקס הובילה צעד גדול ומשמעותי בתחום ההצפנה מבוססת ה-FPGA כבר ב-2006, כאשר סיפקה את טכנולוגיית ההצפנה החד-שבבית הראשונה בתעשייה, המאפשרת לתעשיית הביטחון להשתמש ב-FPGAs במערכות קריפטוגרפיה באופן הרבה יותר יעיל ומועיל משהיה בעבר.
טרם זמינותו של המוצר החד-שבבי נהגו מערכות הקריפטוגרפיה להשתמש בכמה שבבים כדי להוסיף שכבות של יתירות ושל אמינות. הפתרונות הרב-שבביים הללו לא אפשרו הרחבה ובנוסף הגדילו את ממדי המערכת, את משקלה, ואת צריכת ההספק והקירור שלה (SWAP-C). פתרון הקריפטוגרפיה החד-שבבי המהפכני של זיילינקס מאפשר ללקוחות לבצע את כל פונקציות הקריפטוגרפיה עם פתרון חד-שבבי.
יישומי קריפטוגרפיה הם רק חלק קטן מסוגיות האבטחה הכלליות הכרוכות ב-GIG. אבטחה פיסית, הבאה לידי ביטוי בטכנולוגיה נגד ונדליזם ונזקים פיסיים מכוונים, היא תחום נוסף שעמו צריך להתמודד. זיילינקס, החברה הראשונה שהציגה הצפנה בתוך זרם הנתונים, הרחיבה לאחרונה את מיצובה כמובילה בתחום אבטחת FPGA עם הצגת האפשרות של אימות בזרם הנתונים, כמו גם הצפנה ב-Virtex-6. מלבד היתרונות שמקנים שיפורי האבטחה ליישומי ביטחון, השיפורים הללו תורמים גם לפתרון סוגיות מסחריות הקשורות להגנה על IP, לפיראטיות, לשיבוט וכיוב’. זיילינקס לא רק הוסיפה שיפורים בתוך הסיליקון, אלא השקיעה גם בפיתוח של IP התורם עוד לחיזוק האבטחה של ה-FPGA.
Xilinx FPGAs to Power Next-Generation Networked Battlefield
by Mike Santarini
Xilinx, Inc.
