יישומי מכ”מ וסונר מתמקמים בטכנולוגיות CompactPCI ו–VPX

מכ”מ וסונר צבאיים מהווים את עמוד השדרה של פלטפורמות צבאיות, ונמצאים כל הזמן בתהליך התפשטות לתחומים חדשים. ממש לאחרונה, סיפקו מערכות אלו, המבוססות על עיבוד אותות ספרתי (DSP), בסיס מתוחכם להגנה בעזרת טילים -חיפוש, מעקב ושיגור – המתבצעים בדיוק רב מאוד. הדרישות העומדות בפני המערכות כיום מתרחבות אף יותר, מפני שהמערכות צריכות לאתר ולהבדיל בו זמנית בין מטרות, בדרך של מעקב וזיהוי, על מנת לשגר אמצעי נגד יעילים ומתאימים. בה בעת, נדרשות המערכות לעמוד בהקטנה של הגודל, המשקל וצריכת ההספק (SWaP) שלהן; למשל, את המערכות שהפונקציונליות שלהן מומשה בעבר באמצעות שרתים להתקנה במסד של 19 אינטש, אשר הותקנו בגוף של מטוס בעל גוף רחב ונתון בלחץ פנימי, היום צריך לממש במארז בגודל 1/2 בתקן ATR (מארז הובלה אווירית) בכלי טייס בלתי מאויש (כטב”מ – UAV). הדרישות של משרד ההגנה האמריקאי (DoD) עוד הוסיפו לאתגר המתפתח הזה, בכך שחייבו את המערכות להיות גמישות עם יכולת שדרוג, על מנת שיוכלו להגיב לאיומים חדשים ולהתאים ליישומים חדשים. מערכות מבוססות התקני COTS זוכות במצב זה ליתרון, מפני שייתכן שיידרשו בעתיד תוספות טכניות על מנת לשדרג את המערכת לטכנולוגיות היע”מ (CPU) והתקשורת המתקדמות ביותר במהלך החיים של המערכות האלו לאחר פרישתן.
בתגובה לשינוי זה של הפרדיגמה בתלות ביישום המסוים, אפשר לממש מערכות מכ”מ וסונר מבוססות עיבוד DSP, כמעט באמצעות כל מעגל בממדי כרטיס נתקע שקיים היום; CompactPCI בגודל 3U/6U, VME, MicroTCA, או VPX בגודל 3U/6U – את כולם אפשר לממש בהצלחה. בנוסף, קבלני משנה ויצרנים מגיבים לאתגרים האחרונים האלו, על ידי כך שהם מציעים מערך גדול יותר של טכנולוגיות עבור מחשוב DSP המתקדם ביותר, לרבות אפשרויות לשימוש ב-CompactPCI וב-VPX.
בעוד יכולת עיבוד גבוהה היא דרישה נפוצה, ארכיטקטורת מחשוב יחיד זמינה מהמדף אינה מתאימה לכל יישומי המכ”מ והסונר. בדרך כלל, טופולוגיית התקשורת של המכ”מ ושל הסונר המסוימים, היא זו שמרמזת על ארכיטקטורת המחשוב האופטימלית במערכת COTS. דוגמאות של מערכות CompactPCI ו-VPX מדגימות את הנקודה הזו.
עיבוד אותות
ספרתי בפעולה
החלק הארי של פעולות החישוב ביישומי מכ”מ וסונר כרוך בעיבוד DSP. התמצית של עיבוד DSP היא ההמרה היעילה של רצף נתונים למידע הנחוץ במהירות כזו שתהפוך אותו לשימושי ולישים ביותר. ביישומי מכ”מ וסונר למשל, המשמעות יכולה להיות העיבוד של אותות אלקטרומגנטיים או אקוסטיים נכנסים, על מנת לקבוע את המיקום, המהירות והכיוון של איומים פוטנציאליים, מטרות אפשריות ופני קרקע, תוך כדי סינון נתונים שאינם שייכים, כמו למשל כדוגמת דגים או ציפורים קטנים.
לעיבוד הנתונים במסגרת זמן מתאימה, נדרשת מידה רבה של יכולת חישוב, וגם שיכולת עבור כל צומת מחשוב תימצא בתקשורת עם צמתים אחרים. כמות העיבוד והתקשורת הנדרשים תלויה במידה רבה ביישום, והיא משתנה באופן נרחב, וסביר להניח, שהיא גדלה עם כל עדכון טכני. ואולם הטופולוגיה של התקשורת תהיה בדרך כלל קבועה ונראה שהיא זו שתקבע את ההבדל בעת קביעת ארכיטקטורת COTS הטובה ביותר עבור יישום נתון.
איור 1 מציג את טופולוגית התקשורת של שני יישומי DSP ממשיים. כל צומת בטופולוגיה זו היא צומת מחשוב, אשר ברצף של המרות ומסננים ממומשת בצומת יע”מ אחת. החצים מסמלים זרימה של נתונים (תקשורת), כאשר החצים הכהים יותר מציינים רוחבי פס גדולים יותר. למען הפשטות, מוצגת רק התקשורת במישור הנתונים המהיר יותר בלבד; כל יישום משתמש גם בתקשורת GbE עבור התקשורת של מישור הבקרה. הטופולוגיה באיור 1(a) משמשת עבור יישום מיפוי מבוסס סונר, בעוד הטופולוגיה באיור 1(b) משמשת ביישום מכ”מ המשמש בזמן אמת בזירה הצבאית.
עבור כל אחת מטופולוגיות התקשורת, נבחרה ארכיטקטורה מתאימה מבוססת COTS, אשר מומשה על מנת שתעמוד בדרישות של היישום תוך כדי ביצוע אופטימיזציה לרמת SWaP.
CompactPCI עומד באתגר בסונר תת-מימי
הטופולוגיה המוצגת באיור 1(a) עבור יישום של סונר משקפת יישום DSP אופייני – שפועל “על פי הספר”. החלק הגדול של התקשורת מבוסס בעיקרו של דבר על צינור עיבוד נתונים (pipeline) עם נתונים שזורמים מצומת אחד אל הצמת הבא.
נתוני הסונר מהחיישנים שהומרו לספרתי מעובדים על ידי הצומת השמאלי אשר מעביר לאחר מכן את הנתונים אל בנק של שלושה צומתי חישוב. כל אחד מהצמתים האלו מממש סדרה של טרנספורמים לצורך עיצוב אלומה (beamforming) וסינון. הצומת האחרון סופח את כל הנתונים וממזג אותם לתצוגה מרחבית. רוחב הפס הנדרש לתקשורת בין הצמתים היה פחות מ-1 ג’יגה-סיביות בשנייה בכיוון הראשי של זרימת הנתונים (הקווים העבים יותר באיור 1 a), כאשר לחיבור הזרימה ההפוכה ולחיבור התקשורת במישור הבקרה נדרשו רוחבי פס נמוכים בהרבה.
בהינתן הטופולוגיה הזו, כפתרון האופטימלי בארכיטקטורה מבוססת COTS עבור יישום זה נבחר מעגל CompactPCI בגודל 3U המקורר בהולכה, בהתבסס על גודלו הקטן ופשטותו היחסית. CompactPCI, שנחשב באופן שגרתי כבעל ארכיטקטורה מבוססת אפיק (bus), תומך גם בחיבורים מרובים של תקשורת GbE דרך לוח האם, חיבורים שהיו חיוניים עבור יישום הסונר הזה. על אף שבמקור הוא מומש עם מעבדים בעלי ליבה כפולה, הגישה של טכנולוגית COTS ושמירה על עקביות בחיבורי הפינים מדור לדור תאפשר להרחיב את הפרישה הזו, באמצעות מעגלים מרובים בעלי ארבע ליבות, אם וכאשר יידרש דיוק גבוה יותר לצורך עדכון טכנולוגי.