מאת: סאנדיפ קומאר, טקסס אינסטרומנטס
אין ספק שהתפקיד שיש לכטב”מים (כלי טיס בלתי מאוייש) ביישומים צבאיים ומסחריים מתרחב אל מעבר לאיסוף מידע ולהתקפה, ומגיע אל תחומים חדשים בהם נכללים כיבוי אש והעברת אספקה ותחמושת אל יחידות הנמצאות בשדה הקרב. במהלך העשור האחרון התפתחו כלי הטיס הבלתי מאוישים (UAV) מטכנולוגיות הנמצאות בבדיקות מעבדה לטכנולוגיות שמוכחות בבחינות בשטח. במחקר שנערך לאחרונה, העריכה קבוצת Teal שההוצאה הכספית הכוללת על כטב”מים תכפיל את עצמה בתוך עשור מ-5.9 מיליארד דולרים בשנה ל-11.3 מיליארד דולרים בשנה, עם יותר מ-94 מיליארד דולרים שיושקעו במשך עשר השנים הבאות. בנוסף לחיסכון בעלויות הנובע מטיסות בלתי מאוישות, וליתרונות הכרוכים במודיעין, מעקב ואיסוף מידע (ISR) בזמן אמת שמערכות אלו מספקות, המעבר לשימוש בכטב”מים מפחית את מספר מקרי המוות של הטייסים ושל אנשי צוות התמיכה המוטסים, אשר במצב רגיל היו מאיישים כלי טיס כזה. מאחר שכטב”מים מאפשרים ביצוע התקפות מדויקות וממוקדות יותר, הם מאפשרים גם לצמצם את מספר הנפגעים האזרחיים. מרכיבי החישה “הפועלים תמיד” בכלי טיס כאלו מקלים על אספקת הוכחה להפרכת טענות על פעולה צבאית שאינה נחוצה. עם העלייה בנוכחות של מערכות הדמאה בריבוי אורכי גל (hyper spectral imaging) המהוות חלק מהמטען הייעודי, הכטב”מים מספקים בנוסף יתרון של ניטור סיכונים ביולוגיים ושל חומרים כימיים זדוניים.
איור 1: מעגל PCIe מתקדם עם ארבעה מעבדי DSP בעלי ריבוי ליבות מסוג TMS320C6678 של טקסס אינסטרומנטס עם ביצועים של 512 GFLOP ב-54 וואט.
ככל ששימושים רבים יותר של כלי טיס מאוישים עוברים לכטב”מים, יש ציפיות רבות יותר שכלי טיס אלו יוכלו לנצל את המערכות האוטומטיות לניהול תעבורה אווירית, וכן גם את המערכות האוטומטיות לניווט ולנחיתה, תוך כדי ציות לנוהלי הטיסה. לכן, הרצון לקבל יכולת עיבוד גדולה יותר על סיפון כלי הטיס ימשיך להתרחב, בזמן שמעטפת צריכת ההספק תישאר כשהייתה או אפילו תמשיך ותצטמק. כאשר מעגלים בעלי גודל של כרטיס אשראי ופלטפורמות מחשוב, יוצרים עניין רב שגדל ומתרחב, לא נראה שהלחץ על תקציב ההספקים יקטן בזמן כלשהו בעתיד הקרוב. פתרונות בעלי נצילות הספק גבוהה שניתנים לתכנות בתוכנה, כדוגמת מעבדי אותות ספרתיים (DSP) בריבוי ליבות ימלאו תפקיד חשוב ביותר ביצירת פתרונות לבעיה זו של בחירה בין ביצועים לצריכת הספק.
מעבדי DSP בעלי ריבוי ליבות זמינים כבר בשוק מזה זמן רב, אך פיתוחים שנעשו לאחרונה סייעו להם להתפתח ולהפוך למערכות על שבב (SoC) שבהן נארז אוסף רחב של ביצועים, מבלי שיאבד הקשר עם נצילות ההספק המסורתית שלהם. הם ממלאים תפקיד חיוני ביותר בכטב”מים בתמיכה, בהרכשה ובעיבוד נתונים מסוגים מגוונים של חיישנים, במקביל לקיום תקשורת מאובטחת עם אנשי צוות הקרקע.
אנשי פיתוח של כטב”מים, במיוחד אלו המתמקדים ביישומים צבאיים, מתאמצים כל העת ליצור יחידות בעלות יכולת פעולה ארוכה יותר, עם פונקציונליות גדולה יותר ועם צריכת דלק נמוכה יותר. התוצאה היא דרישות הדוקות ביותר של הגודל, המשקל ההספק ושל העלויות (SWaP-C), מאחר שהלחצים של תנאי הקרב מכתיבים שבכטב”מים ישולב מערך שאינו מתקבל על הדעת של תת-מערכות, לרבות חיישנים, מערכות מחשוב למשימות, מערכות תקשורת רדיו ומערכות ניווט. החללים המוגבלים וההדוקים והממדים הפיסיים הקטנים, בצד המארזים המודולריים הקטנים יותר, הופכים את בעיית ההספק למאתגרת במיוחד, כאשר לחלק מהמערכות הקטנות יש תקציבי הספק של פחות מ-200 וואט. בעיה זו נפתרה כיום על ידי כך שהוסיפו בכטב”ם מערכות רחבות ליצירת מתח שתפקידן להקל על בעיית האנרגיה והחומרים הנדירים, וכן על ידי שימוש בטכנולוגיות של איסוף חום והחזרת חום, שמשמשות לטיפול בפיזור החום. במקום לספק תיקון המתאים לטווח זמן קצר, השימוש במעבדי DSP בעלי נצילות הספק גבוהה ובעלי ריבוי ליבות יכול להקטין את ההסתמכות על מערכות גדולות ליצירת מתח במערכת הכטב”ם, ולבטל את הצורך בגופי קירור יקרים או בחומרים אחרים המשמשים לפיזור הספק, ובכך, ליצור ערך SWAP-C כדאי במיוחד עבור מערכות כאלה. לדוגמה, קיימים כיום מעגלי PCI-Express שאורכן מחצית האורך הרגיל (קטן יותר מ-127 מ”מ 178 מ”מ) עם ביצועים של 500 GFLOP או יותר, ובצריכת הספק כוללת של 54 וואט.
ביותר ויותר כטב”מים אפשר למצוא היום גודש של חיישנים, המייצרים כמות עצומה של נתונים גולמיים. הדמאה בתחום האינפרה-אדום ובתחום הנראה, בצירוף אותות וידיאו של תנועה מלאה, יוצרים קטעי סרט באורך של שעות על גבי שעות עם פרטים רבים וברזולוציה גבוהה. כאשר מצלמות CMOS, שעלותן פוחתת בהתמדה, והמאפיינים שלהם משתפרים כל העת, אפשר למצוא על כטב”ם יחיד 10 עד 100 מצלמות עם רזולוציית קליטת תמונה שיכולה להגיע עד לכמה מאות מגה-ביית לכל מצלמה. לאחר שנעשתה הרכשה של תמונה, המערכת חייבת לבצע ייצוב ודחיסה של התמונה על הכטב”ם. אם יתבצע עיבוד נוסף של התמונה באוויר, יהיה צורך להמשיך ולבצע גם שיפור תמונה וניתוחים שלה. מעבדי DSP מרובי ליבות מצטיינים בטיפול בפונקציות עמוסות בעיבוד אותות בקצב נתונים גבוה. כמו כן, מעבדי DSP מרובי ליבות עם יכולת רבה של עיבוד מבוזר בזמן אמת, המצורפת לזיכרון גדול ולרוחב פס רחב בתוך השבב ובין השבבים, יכולים להקטין באופן משמעותי את זמן האחזור (latency) בניתוח ובסיווג תמונות. תכונות אלו יכולות להתגלות כבעלות חשיבות עליונה בתהליך שבו צריך להשיג בזמן אמת תגובות מאלו שמקבלים את ההחלטות על הקרקע, במקרה של זיהוי איום אשר עומד להתממש באופן מיידי. אם המשמעות של עיבוד נוסף היא רק שידור תמונות אל הקרקע ללא איבוד של מידע, קידוד ופענוח (codec) מתקדמים, כמו למשל JPEG2000, מאפשרים את העברת התמונות באיכות הטובה ביותר האפשרית, בזמן אחזור קצר וללא מצבי תלות בין מסגרות. בעזרת מעבדי DSP בעלי ליבות מרובות, מתכננים של כטב”מים יכולים לממש במהירות וביעילות תוכניות codec כדוגמת JPEG2000 בתוכנה או להתחיל את התכנון באמצעות שימוש ביחידות בסיס מהמדף שפעולתן הוכחה, כמו למשל בספריות להתקני ראייה, להדמאה ולעיבוד אותות.
בנוסף לתמיכה בתקני וידיאו קיימים כמו למשל H.264, היתרונות הנוספים של השימוש במעבד בעל ליבות מרובות עבור אותות וידיאו של תנועה מלאה, טמונים באופי שלו הניתן לתכנות שמאפשר תמיכה בתבניות וידיאו קנייניות ובתקנים מתפתחים, כמו למשל H.265. שיקולים נוספים בעלי חשיבות הם רוחב הפס של הכניסות והיציאות והיכולת לתמוך באותות וידיאו דחוסים בחבילות. לאותות וידיאו אופייניים ברזולוציית HD נדרש עד 10 מגה-סיביות בשנייה, כך שלממשק Ethernet הנדרש כדי לתמוך בריבוי של ערוצי וידיאו דחוסים חייב להיות חיבור Gigabit Ethernet או מהיר ממנו. אולם, GigE אינו האפשרות היחידה להעברת וידיאו, מאחר שממשק PCIe וגם חיבור RapidIO הם אפשרויות בחירה טובות עבור וידיאו ברוחב פס גדול. לדוגמה, אם משתמשים בנתיבי (PCIe (PCIE Lane כדי להעביר אותות וידיאו, כל נתיב PCIE Gen2 יכול להעביר 5 ג’יגה-ביית של נתונים, אשר מספיקים לארבעה ערוצי 1080i60, ל-24 ערוצי D1 או ליותר מ-300 ערוצי QCIF ב-30 מסגרות בשנייה. RapidIO, המתוכנן עבור מערכות משובצות, מאפשר מטען ייעודי גדול יותר ויצירה של מארג חלק וניתן לשדרוג הכולל יכולות שמתאימות לעיבוד וידיאו ולעיבוד תמונה.
יישום נוסף הנמצא על סיפון של כטב”מים הוא המכ”מ, בדרך כלל מכ”מ מיפתח סינתטי (SAR) אשר מספק מנגנון נוסף לגילוי עצמים שאינם גלויים למצלמות בתחום אינפרה-אדום או בתחום הנראה. בשילוב עם גלאי מטרות נעות על הקרקע (GMTI), יכולה מערכת כזו להיות מועילה באיתור מטרות בתנאי סביבה השוררים במדבריות ובאזורים מיוערים בצפיפות ובמעקב אחריהן, וכן בתנאי מזג אוויר קשים, כמו למשל בגשם או בערפל. הדיוק הגבוה הנדרש במערכות כאלה, במקביל לצורך בטווח דינמי רחב יותר, גורמים לכך שהפונקציות האלו מתבצעות טוב יותר באופן משמעותי במערכות נקודה צפה. גודל משתנה, נקודה צפה, טרנספורם פורייה מהיר (FFT) חשובים כולם לעיבוד אותות מכ”מ SAR, והם מבוצעים בצורה טובה למדי במעבדי DSP מתקדמים בעלי ליבות מרובות. המבנה של חלק ממעבדי DSP בעלי ליבות מרובות מתוכנן גם לספק מנגנון יעיל מאוד לביצוע “עיקופים סביב הפינה” או שחילוף (transpose) של מטריצות, פעולה שיכולה להיות חלק משמעותי מאוד באלגוריתם יעיל של מכ”מ SAR.
קישור הנתונים בתקשורת של הכטב”מים הוא תת–מערכת חיונית ביותר ומספק תקשורת דו-כיוונית דרך ערוץ הפועל בקצב נתונים נמוך עבור “פקודות” ודיווח “מצב” וערוץ הפועל בקצב נתונים גבוה עבור התקני מטען ייעודי כדוגמת SIGNIT, וידיאו ומכ”מ. לקישור הנתונים חייבת להיות הגנה מפני איומים לרבות שיבוש, הפרעות, יירוט, קרינה וכיו”ב. בנוסף, חשוב להקפיד שקישור התקשורת יהיה זמין תמיד, עובדה המתורגמת לתמיכה בטכניקות של שידור בריבוי פסי שידור ובריבוי צורות גל, ללא צורך בקו ראייה ישיר עם יכולות מתקדמות נוספות והרחבה של הכיסוי. מעבדי DSP משמשים מזה זמן רב ביישומי תקשורת מסחריים, ובמיוחד באספקת תקשורת מאובטחת, עם זמן אחזור קצר בזמן אמת. הם מתאימים היטב לתקשורת של כטב”מים, אשר לה נדרשת תמיכה ברוחב פס נמוך, בערוצים קנייניים עד לממשקי תקשורת אלחוטית מסחרית בפס רחב, כמו למשל LTE, WCDMA ו-WiMAX. בנוסף, מעבדי DSP בעלי ליבות מרובות מקילים על ביצוע קונפיגורציה מחדש במערכת בזכות מודל תכנות מפושט (המבוסס בדרך כלל על שפת C). כיום קיימים מעבדים בעלי ליבות מרובות אשר מספקים שילוב טוב של ליבות הניתנות לתכנות בתוכנה עם האצה בחומרה על מנת לעמוד באופן כדאי מבחינת העלות בדרישות החמורות של מערכות תקשורת כאלה. בשוק המערכות הצבאיות עם תקציבים המתכווצים והולכים, שימוש במעבדי DSP בעלי ליבות מרובות מספק גם הגנה על ההשקעה בתוכנה כתוצאה מהתאימות של התוכנה ומיכולת ההעברה שלה, וכן בעזרת השימוש בכלים פתוחים כמו למשל המהדר GNU ל-C, מערכות הפעלה פתוחות כדוגמת Linux ומודלים פתוחים לתכנות בריבוי ליבות כמו לדוגמה OpenMP.
כיום, השימוש במעבדי DSP בעלי ליבות מרובות מתמקד סביב שילוב של רכיבים, על מנת להקטין את הגודל, המשקל, העלות וצריכת ההספק במידה שהוא מתמקד סביב פיתוח מערכות בעלות ביצועים גבוהים מאוד. המעבדים לא רק חוסכים בצריכת ההספק, הם גם מאפשרים לאנשי התכנון של מערכות כטב”מים לממש יכולת ראייה, וידיאו ומכ”מ באופן יעיל ביותר עם יכולת שדרוג גבוהה. כמו כן, היכולת של מעבדי DSP בעלי ליבות מרובות לספק קישור נתונים של תקשורת מאובטחת וגמישה אמור להבטיח שהם ימלאו תפקיד חשוב שיגדל וילך על סיפוניהם של הכטב”מים היום ובעתיד.
סאנדיפ קומאר [Sandeep Kumar] מנהל קו מוצר, השווקים המתרחבים של ריבוי ליבות, טקסס אינסטרומנטס
