מחשוב ברמה גבוהה מעניק יתרון לעיבוד אותות ונתונים ביישומי חלל – תעופה וביישומים ביטחוניים – צבאיים

Courtney Howard, M&A

מיקוד טכנולוגי – המחשוב בביצועים גבוהים (HPC) מותאם היטב ליישומים רבים בתחום הצבאי ובתחומי חלל – תעופה, והשימוש בו מקבל עידוד כל העת. כיום, מחשוב HPC ממלא תפקיד חשוב בתחומים של הדרכה והדמיה, במערכות המשמשות לניווט להגנה ולהתקפה; בתחומים של שליטה, בקרה, תקשורת, ביון, מחשבים, תצפית ומעקב, וכן בתחומים של סיור ואיסוף מידע (C4ISR), מסביר ביל מאנל [Bill Mannel], סגן נשיא חברת SGI מפרמונט שבקליפורניה, האחראי על שיווק המוצר.
“טייסים ‘מטיסים’ מערכות הדמיה (‘סימולטורים’) עוד בטרם קיבלו שליטה על מטוס אמיתי, וצוותי טנקים יורים – בהדמיה – על כלי רכב קרביים משוריינים (רק”מ – AFV) של האויב”, מסביר מאנל. “מערכות של כלי נשק הופכות להיות מורכבות יותר ויש להן צורך ביותר פעילות גומלין עם חיישנים, אך גם עם ‘הדמות האנושית שבלולאה’. מזה כמה עשורים מערכות בקרת הטיסה הן ספרתיות. נתוני ביון המגיעים ממגוון רחב של מקורות (מכ”ם, חוזי, אותות, פליטות, אינפרה-אדום, אולטרה-סגול וכיו”ב) עצומים בהיקפם, ויש צורך במערכות מחשוב HPC, על מנת שאפשר יהיה לנתח אותם במהירות ולספק תיאור מפורט שלהם תוך שעות ספורות בלבד. לא פעם, הנתונים נאספים בזמן אמת, ותוך כדי כך מנותחים ומספקים נתונים ללוחמים, באופן מיידי תוך כדי ביצוע משימות. ובנוסף, גם פעולות הצפנה ופענוח מתבצעות כיום במחשבים, ברמת מחשוב HPC.”

התפוצה של מחשוב HPC
הסיבה לשימוש הרווח של מחשוב HPC היא נעוצה ביכולות המחשוב המהיר המתבצע בעזרת חומרה מסחרית או עם מוצרי צריכה מהמדף (COTS), אומר גלעד שיינר [Gilad Shainer], חבר בכיר במועצת המנהלים, תחום מחשוב HPC ומחשוב טכני, בחברת Mellanox Technologies, שבסאניווייל בקליפורניה. “אפשר לחבר בין שרתים, מערכות זיכרון ויע”מים (CPU) וליצור בכך מחשב-על בקנה מידה גדול ביותר, על מנת לבצע הדמיות מתוחכמות ביותר.”
בסביבה כזו, שיינר זוקף לזכות הקישוריות בין מרכיבי המחשוב, היע”מים או יחידות העיבוד הגרפי, את יצירתה של היעילות, המהירות ויכולת המחשוב של המערכת. “היכולת המאפשרת העברה מהירה של נתונים רבים בין מערכות מחשוב אלו, מבלי להטיל עומס רב מדי על היע”מים (יחידות העיבוד המרכזיות), היא המתכון הסודי של אשכולות (cluster) מחשבים”, הוא אומר.
יחידות עיבוד גרפי (GPU) ויחידות עיבוד גרפי רב תכליתיות (GPGPU) הופכים את מחשוב HPC לנגיש יותר עבור אנשים רבים יותר, אומר סאמיט גופטה [Sumit Gupta], מנהל שיווק בכיר ביחידה העסקית Tesla למחשוב HPC ולמחשוב ביחידות עיבוד גרפי בחברת Nvidia מסנטה-קלרה שבקליפורניה. “כל פרופסור בכל אוניברסיטה ברחבי העולם יכול לקנות שרתים מבוססי יחידות GPU ולקבל את הביצועים שיאפשרו לו לבצע מחקר מדעי, שאחרת היה מוגבל רק לאנשים שיכולים לרכוש מחשבי על גדולים. מדובר בהרחבת הדמוקרטיה בתחום מחשוב HPC – וזה בדיוק מה שיחידות העיבוד הגרפי מאפשרות.”
יחידות GPU של Nvidia Tesla משמשות לא רק בחמשת מחשבי העל הראשונים במעלה בעולם (Tianhe-1A, Nebulae ו-Tsubame 2.0), אלא גם במערכות המגיעות מיצרנים מובילים בטכנולוגיה בתחום הצבאי ותעופה – חלל, לרבות BAE Systems, Boeing, Honeywell, NASA, Raytheon, Northrop Grumman, Lockheed Martin, ו-Thales Group. לציוד של Nvidia יש תפקיד חשוב במו”פ של חברת SAIC, במעבדות הלאומיות Sandia, במעבדות הלאומיות שב-Los Alamos, במעבדה הלאומית Lawrence Livermore, ובמעבדה הלאומית ב-Oak Ridge.
יחידות GPU משלימות את יחידות העיבוד המרכזיות, מאיצות ומזרזות את הפעלת היישומים. מחשוב HPC הופך להיות הזרם המרכזי ואינו מוגבל עוד למדע ולהנדסה בלבד. מאיצים משמשים ביישומים צבאיים-תעופתיים זה זמן רב. המהנדסים של SGI היו שותפים לפיתוח מאיץ ייעודי עבור מגוון של יישומים צבאיים-תעופתיים ופרשו מערכות מבוססות מערכי שערים הניתנים לתכנות בשטח (FPGA) במשך כמה שנים. מאיצים חדשים יותר כדוגמת יחידות cGPU ומאיצים אחרים בהתאמה אישית (כמו למשל Tllera) נמצאים כיום בבדיקות, ובמקרים מסוימים משולבים במגוון של יישומים צבאיים-תעופתיים, כך לפי גופטה. והוא מוסיף “יש ארגונים שנותנים אמון מלא בהתקני FPGA, אך בדרך כלל, השימוש בהם לא מתרחב בשל מורכבות סביבת התכנות והצורך לייצא מחדש את הקוד לדורות המתקדמים יותר של התקני FPGA.”

צלילה אל תוך עיבוד הנתונים
גופטה ועמיתיו ב- Nvidia עדים לפעילות רבה המתרחשת בתחומי צבא-תעופה חשובים, כולל עיבוד תמונה בלוויינים, עיבוד אותות וביון, וניתוח וידיאו. כמות רבה של נתוני תמונה ווידיאו נאספת באמצעות לוויינים, מטוסים ללא טיס (מל”ט – UAV) והתקנים נוספים. “היכולת לעבד את הנתונים האלה בזמן אמת אם כמעט בזמן אמת כשלעצמה היא אתגר גדול,” אמר גופטה. “חייבים להתבסס על שיטות ניתוח עתירות מחשוב ועל מחשוב בביצועים גבוהים.”
הגודל והמשקל של המל”טים קטנים (וגם צריכת ההספק שלהם (SWaP)) והם מטולטלים בעוצמה לכל עבר והקליטה מלווה ברעידה קיצונית. התוכנה Ikena של חברת MotionDSP מברלינגם שבקליפורניה, מתקנת את הווידיאו והופכת אותו ליציב בזמן אמת, בעזרת טכנולוגיית יחידות GPU. מומחי צבא מעונינים לפרוש מחשוב בעל ביצועים גבוהים ועיבוד עתיר נתונים בכלי רכב קרקעיים. למימוש מטרה זו, GE Intelligent Platforms משארלוטסוויל שבווירג’יניה מספקת מערכות משובצות שנמצאות בתחילת הדרך לנצל את יחידות GPU. “הייתי רוצה לחשוב עליהן כעל מחשבי על ביחידות GPU משובצות,” אמר גופטה. “הן משתלבות בכלי רכב קרקעיים, בספינות, בצוללות, במטוסים ואפילו בטילים ובהתקנים קטנים יותר ואפשר להשתמש בהן בגילוי של התקני מטענים מאולתרים (IED), בעיבוד תמונה, בעיבוד אותות סונר – בכל מיני אפשרויות בכל אחד מכלי רכב אלו.”
“כך משתלב מחשוב רב באופן ישיר בתוך הרכב, במקום להעביר את הנתונים למקום אחר”, מוסיף גופטה, “היכולת להשתמש ביחידות GPU אפשרה להם להגיע באמת לרמה הזו.”

מכ”ם קשיח
“חברת Mercury Computer Systems מצ’למספורד שבמסצ’וסטס פיתחה מערכת משנה של מכ”ם נייד עם ביצועים גבוהים ביותר, באמצעות שתי טכנולוגיות חדשניות: מוצר GPGPU המבוסס על ארכיטקטורת Fermi של Nvidia ומודול ממשק חיישנים שפועל בזמן אמת ומבוסס על תקן הרשתות 10 Gigabit Ethernet, ”, מסבירה אן מסקארין [Anne Mascarin], מנהלת שיווק פתרונות בחברת Mercury Computer Systems.
לפי דבריה של מסקארין, מוצרים אלו מאפשרים רמות חסרות תקדים של אופטימיזציה לגודל, משקל ולצריכת הספק (SWaP) עבור יישומי מכ”ם, בעזרת מדדי TeraFLOP – הגבוהים ביותר לחריץ התקנה של ביצועי מחשוב – ובעזרת צפיפות ערוצי הכניסות והיציאות הגבוהה ביותר לחריץ התקנה שקיימים בתעשייה הצבאית כיום. המערכת של חברת Mercury מבוססת על מארז OpenVPX בעל 16 חריצי התקנה, וכמה מודולים מבוססי Intel מספקים את היכולות של המערכת בתחום עיבוד האותות. המודול LDS6520 בסדרת Ensemble 6000 שנמצא במערכת בעל הליבה הכפולה Core i7 של Intel פועל כמחשב המערכת במעגל יחיד, מבצע משימות עיבוד אותות בסיסיות ומארח שני כרטיסי כניסות ויציאות מסוג mezzanine. המודול OpenVPX Intel Xeon Dual Quad-Core HDS6600 בסדרת Ensemble 6000 הוא מנוע עיבוד אותות ונתונים בצפיפות גבוהה אשר רותם את הדור המתקדם ביותר של מעבדי Xeon של Intel ברמת שרתים בעלי ארבע ליבות מבוססי Nehalem. שני המודולים, LDS6520 ו-HDS6600  משתמשים בטכנולוגיה של מנוע הסרת עומס הפרוטוקול (POET), הטכנולוגיה של Mercury של מארג מיתוג, האדישה לפרוטוקולים (protocol agnostic) הפועלת בריבוי תקנים ומשמשת לחיבורים הפנימיים של המערכת.
ממשק החיישנים מממומש באמצעות IOM-200 מסדרת Ensemble IO Mezzanine שהוא כרטיס ממותג XMC של ארבע ערוצי 10 Gigabit Ethernet הקיים במודול LDS6520. חלק גדול מהעיבוד שמבוצע במכ”ם נעשה על ידי מודול העיבוד 6U OpenVPX GSC6200 מסדרת Ensemble 6000 בעל יחידת GPU. מודול זה, המבוסס על יחידת GPU של Nvidia רותם יכולת מחשוב עצומה של יחידות GPU להאצת הפעולה של מכ”ם קשיח בעל ביצועים גבוהים באמצעות אלגוריתמי מכ”ם חיוניים כדוגמת עיצוב אלומות מסתגל (adaptive beam forming), סינון ודחיסת אותות דפקים. ולבסוף, המערכת כולה ממותגת באמצעות המודול OpenVPX SFM6100 מסדרת Ensemble 6000 אשר מספק חיבורי RapidIO ו-Gigabit Ethernet טוריים מלאים בין המעגלים במערכת OpenVPX.
“אנחנו משפרים את ההיבטים של הביצועים הגבוהים, הקשיחות, ואפשרות השדרוג של טכנולוגיית GPGPU החדשנית הזו אל מערכת המכ”ם בדור הבא שלנו ומרחיבים אותה עם כמות רבה של כניסות ויציאות,” אומר דידייה ת’יבוא [Didier Thibaud], סגן נשיא בכיר ומנכ”ל היחידה העסקית לפתרונות מחשוב מתקדמים של חברת Mercury Computer Systems. “עם מודולי OpenVPX Intel המובילים בתעשייה והמוקשחים, היכולות החדשות האלו מאפשרות למערכות המכ”ם שלנו המותאמות באופטימיזציה לגודל, משקל ולצריכת הספק ‘לבצע יותר עם פחות’, כדי לעמוד באתגרים הקיימים בשדה הקרב המודרני.”
פקידי BAE Systems בחרו במערכות המשולבות המוכנות ליישום (ARS) ובשרותי אינטגרציית המערכת של Mercury בזכות תוכנית המכ”ם הימי התלת ממדי שלה למוכנות ולניווט לגילוי מטרות במכ”ם מתקדם (ARTISAN).
לדבי ת’יבוא, חברת Mercury סיפקה פתרונות ARS מתקדמים עבור מערכות מכ”ם קריטיות בעלות ריבוי פונקציות כמו למשל ל–SAMPSON של BAE Systems, שהוא מרכיב חשוב של מערכת Sea Viper המותקנת במשחתת סוג 45 של חיל הים המלכותי הבריטי. פתרונות ARS של Mercury מניעים גם את המכ”ם ARITSAN התלת–ממדי של BAE Systems, הדור הבא של מכ”מים לטווחים בינוניים עבור רוב כלי השייט בחיל הים המלכותי של בריטניה, ובעתיד עבור נושאות מטוסים.

“ARITSAN מתוכנן כמכ”ם לתצפית-מעקב ולגילוי מטרות עבור כלי שיט, החל בספינות סיור לאורך החופים עד לספינות מלחמה גדולות,” אמר כריס ג’ונס [Chris Jones], ראש צוות פרויקט ARITSAN בחברת BAE Systems בבריטניה. מערכות ARS של Mercury המשמשות בתוכנית ARITSAN משלבות ארכיטקטורה פתוחה, מודולי עיבוד VXS בצפיפות גבוהה, ממשק חיישני sFPDP ומארג מיתוג מבוסס RapidIO עם סוויטת התוכנה MultiCore עבור סביבות עיבוד בריבוי ליבות.

התקני DSP
המחשוב בביצועים גבוהים קריטי לרבים מבין יישומי המכ”ם, הסונר וביון האותות (SIGINT), כך לדברי דייויד פרסליי [David Pursley], מנהל קו מוצר בחברת Kontron America. “כמעט כל יישום עם עיבוד DSP יפיק פונקציונליות גבוהה יותר עם יכול מחשוב גבוהה יותר. עד לאחרונה נדרשנו להתפשר על הביצועים. אך בשנים האחרונות הופיעו טכנולוגיות, כדוגמת GPGPU ותקנים פתוחים שתומכים במחשוב HPC וצורך זה נעלם.”
קונטרון מספקת מערכות מבוססות ריבוי מעבדים ליישומים צבאיים-תעופתיים במגוון ארכיטקטורות כשהאחרונה שבהן היא VPX, מסביר פרסליי. פרישה כזו שבוצעה לאחרונה משתמשת ב-15 מודולים נתקעים (blade) מסוג VX6060 של Kontron בכל מערכת. המודולים מבצעים תקשורת לעולם החיצון באמצעות ערוץ סיב-אופטי וחיבור 10 Gigabit Ethernet. לבקרה משמשת ביניהם תקשורת 10 Gigabit Ethernet ולנתונים משמש שילוב בין שתי הטכנולוגיות. ממשק API, VXFabric של Kontron, מפשט את טופולוגיית התקשורת המהירה בין המודולים. אפשר להשתמש בכל אחת מהליבות של שני מעבדי Core i7 של Intel שבכל מודול כמעבד DSP באמצעות הרחבות SIMD ו/או מעבד x86.
“תפקיד חשוב שמור ליחידות GPGPU ולהתקני FPGA בעיבוד המקבילי,” אמר פרסליי. “בכל חודש אנו משלבים יותר מעגלים עם טכנולוגיות העיבוד החדשות. אין בכך להמעיט מערכם של יע”מים או מעבדי GPP. למעשה המגמה הפוכה: שימוש בסוג מעבד אחד כמעבד GPP ומעגלי DSP. השימוש במעבד מסוג אחד משפר את יכולת התחזוקה, מפשט את הלוגיסטיקה ומפחית עלויות כלליות,” ממשיך פרסליי. “במידה רבה הרחבות SSE4 SIMD של ארכיטקטורת x86 וחיבורי PCI Express מאפשרים את המגמה הזו.”

HPEC מתחמם
“חברת Curtiss-Wright Controls מתמקדת במחשוב משובץ בביצועים גבוהים (HPEC), שבו הטכנולוגיה והביצועים הקשורים בסביבות HPC עוברים הקשחה, על מנת להתאים לעיבוד מכ”ם בפרישות המאתגרות ביותר ביישומי ביון תקשורת ואותות ובמצבי מוכנות,” תאר ויליאם פילוא [William Pilaud] מתכנן HPEC בחברת Curtiss–Wright Controls מסן דייגו. “הדרישות בתחומים אלו מצריכות ביצועים ברמת HPC להשגת ביצועי זמן אמת.”
החברה משפרת טכנולוגיית HPC וכלי פיתוח מסחריים כדי לספק פתרונות HPEC למערכות צבאיות של הדור הבא, אמר פילוא. במערכת למוכנות מבצעית שולבה לאחרונה אשכולות של יחידות GPGPU, מחשבי מעגל יחיד ומעבדי אותות ספרתיים של Intel והתקני FPGA כדי לספק מידע חזותי בזמן אמת בתצוגות קסדה. מערכת HPEC צוברת נתונים מחיישני הפלטפורמה החיצוניים ומספקת אותם על בסיס כיוון המבט אל תוך הקסדה או התקן הראייה תוך הרחבת המודעות ל–360 מעלות. “ליישום מאתגר זה נדרשים כמה TeraFLOP של עיבוד ורוחב פס של הרבה ג’יגה–ביית בשנייה, שלא היה ניתן לממשם עד לפני כשנתיים בפלטפורמה עם נתוני SWaP מוגבלים,” טוען פילוא. “טכנולוגיית GPGPU הפכה לאחרונה להיות צפופה יותר עם יכולת רבה יותר לכל ואט של הספק, והפכה להיות ראויה יותר לשימוש ביישומי מודעות ומוכנות קשיחים ומשובצים כדוגמת מערכת ראיה זו.”
“ההבדלים בין HPC לבין HPEC נעוצים ברגישות הגבוהה יותר של יישומים צבאיים–תעופתיים לזמני אחזור (Latency),” ממשיך פילוא. “ הכלים שלנו מתמקדים בחיבורים הפנימיים שמאפשרים לגלות הפרשי זמנים באחזור ברמת החבילות. בנוסף, בניגוד למערכות מסחריות, אנו משתמשים באות שעון משותף שמאפשר לנו לזהות הפרשי זמן אחזור במארגי התקשורת.”

נתונים בתנועה
אחת המכשלות הגדולות במחשוב HPC היא העברת נתונים בין צומתי העיבוד. “צווארי הבקבוק של העברת הנתונים, הם לעתים תפוקת התקשורת,” מתאר פרסליי. “VXFabric מאפשר שימוש בממשק PCI Express המהיר בטופולוגיית תקשורת אקראית באמצעות ממשק API פשוט”.
“כמות הנתונים המגיעים מחיישנים, מהתקני וידיאו מהירים ממתקני מכ”ם וכיו”ב גדלה לממדים עצומים בחמש השנים האחרונות,” אמר קן אוונס [Ken Owens], מנכ”ל חברת Conduant לתיעוד ולאחסון נתונים מהירים בביצועים גבוהים מלונגמונט שבקולורדו. HPC הופך לאתגר בגלל קצבי הנתונים שגדלים ממגה-ביית לג’יגה–ביית בשנייה. לכן, מהנדסי החברה מתכננים עם התקני FPGA מהדור האחרון, בארכיטקטורת האפיק המתקדמת ביותר כגון PCI Express Gen 2.
החברה מספקת ציוד המתעד נתונים בקצבים המגיעים ל-1 ג’יגה-ביית בשנייה ומתכננת מערכות המשתמשות בריבוי מערכות משנה לתיעוד עבור יישומי ריבוי זרמי נתונים, שבהן קצבי התיעוד והאחזור עולים על 250 ג’יגה-סיביות בשנייה. המערכות שלנו משמשות במערכות צבאיות – תעופתיות להדמיה ולשמירה של עקבות מכ”ם קריטיות וכן כיחידות בסיס במערכות אחסון ואחזור וידיאו מהיר,” מציין אוונס. “אנו מתכננים מוצרי ממשקים התומכים ב-sFPDP, LVDS ו-PCI Express בכבלים. ימיהם של FPDP ו-MIL-STD-1553 חלפו ללא שוב.”
יישומי HPC פועלים במערכות המתפרשות על פני אלפי צומתי מחשוב והתוצאה עלולה להיות חוסר נתונים, אם צומת אחד או יותר ממתינים לנתונים. טכנולוגיית Prism FP של Samplify Systems מסנטה קלרה שבקליפורניה מאפשרת לדחוס ערכי נקודה צפה ללא הפסדים ומשמשת להאצת יישומי HPC תלויי קלט/פלט. “הטכנולוגיה שלנו ישימה ביישומים החל מהדמיית תאונות של מכוניות, דינמיקת זורמים חישובית, חיזוי מזג האוויר או בכל בעיה שפתרונה במשוואות פיסיקליות באמצעות ניתוח אלמנטים סופיים (FEA),” אמר אלן אוואנס, סגן נשיא לשיווק בחברת Samplify. “Prism FP של Samplify מאיצה את העברת הנתונים בין צומתי המחשוב, מקטינה את החוסר בנתונים ומגדילה את התפוקה.”
החיבורים הפנימיים הם חלק בלתי נפרד מהיעילות של מחשוב HPC. חיבור מרכיבי המחשוב בצורה יעילה מאפשר הדמיות וחישובים יעילים ומאפשר ביצוע יותר הדמיות ביום כדי לקצר את זמן היציאה לשוק של התקנים צבאיים-תעופתיים מתכנון חדש. חברת Mellanox מספקת פתרונות לחיבורים מהירים בין אם מבוססי אינטרנט או InfiniBand לחיבור שרתים והתקני אחסון באשכולות מחשוב לביצועים גבוהים. “InfiniBand הפך להיות הקישוריות בפועל עבור HPC מאחר שהוא מספק את התפוקה הגבוהה ביותר בשוק עם תקורה נמוכה ביותר של היע”ם”, אמר שיינר. סיבות רבות מביאות את הצרכנים לאמץ את מפרט InfiniBand: הפעלת הדמיות רבות יותר המתאפשרות מהמהירות הנוספת של המערכת; הגדלת יעילות המערכת ואפשרות לרדת לתכנונים מתוחכמים ומפורטים של מוצרי הדור הבא. “המודלים הופכים להיות הרבה יותר מורכבים, ולכן יש צורך לעבור למערכות גדולות יותר עבור סוג זה של הדמיות – והחיבורים הפנימיים הם קריטיים.”
אוונס מציין כמה מגמות: דרישות לקצבי נתונים מהירים יותר, בקשות לאחסון נתונים קשיח ובמערכות מצב מוצק ויישומים בריבוי ערוצי נתונים. בתחומי החלל והתעופה ובתחום הצבאי, אך כפי שהוא מסכם “דרישות השוק יישארו זהות: מערכות מהירות יותר, זולות יותר וקטנות יותר!”
הכתבה נלקחה מאתר
http://www.militaryaerospace.com/index.html