Sistemas electrónicos para aplicaciones de defensa (primera parte)

A la hora de especificar las necesidades de sistemas electrónicos para defensa, hay requisitos imprescindibles en los diseños que imponen los destinatarios del producto final:

 

• Tamaño reducido
• Interoperabilidad
• Coste reducido

 

Esta serie de requisitos, llevan a los diseñadores a elaborar sistemas con bajo tamaño, peso y consumo, conocidos como SWaP (por las iniciales en inglés de size, weight and power consumption), pero con una gran capacidad de proceso y con uso de estándares de sistemas abiertos.

 

Otros requisitos fundamentales en este tipo de sistemas son la seguridad y la robustez. Esto ha hecho aplicar las más altas herramientas de seguridad de sistemas embebidos y usar sistemas estándares pre-certificados para las normas de defensa.

 

En muchas de las aplicaciones de defensa, se necesitan computadores de altas prestaciones. Las aplicaciones para las que se requieren sistemas de Ordenadores Embebidos de Altas Prestaciones o HPEC (High Performance Embedded Computing) dentro del mercado de defensa son variadas, entre ellas:

 

• Sistemas de combate de próxima generación
• Sistemas para misiles controlados o autónomos
• Radares de campo de batalla
• Sistemas de gestión de combate
• Sistemas con sensores para campo de batalla
• GPS de defensa
• Drones o UAVs (Unmanned Aerial Vehicles)
• Sistemas para comunicaciones, comando, control, inteligencia, vigilancia y reconocimiento ó C4ISR (Communications, Command, Control and Intelligence Surveillance and Reconnaissance)

 

Existen dos maneras de afrontar este tipo de proyectos; con sistemas de montaje en rack basados en bus de datos y backplane estándares, como el tradicional VME (que tras más de 30 años en el mercado sigue siendo muy importante), el Compact PCI o el VPX , más moderno y para aplicaciones más potentes. La otra alternativa, son los sistemas conocidos como COTS (por las iniciales en inglés de Commercial Off-The-Shelf), sistemas cerrados basados en módulos COM (computer-on-module), listos para usar, también conocidos como Extreme Rugged PC.

 

La capacidad de supervivencia del VME

 

Las nuevas necesidades que han ido surgiendo durante el largo ciclo de vida del VME han hecho pensar que este estándar desapareciese, especialmente con la llegada del VPX, pero ha sobrevivido no sólo como actualización de sistemas antiguos introduciendo nuevas placas SBC, sino para sistemas nuevos.

 

Una de las fortalezas del sistema VME frente al VPX, es la facilidad de uso. Sólo tienes que calcular cuántos slots necesitas para tu aplicación y usar un backplane con el número suficiente de slots. Por el contrario, si necesitas una capacidad de proceso de señal digital complejo o vas a diseñar un sistema de visión que necesite FPGAs de alta velocidad, el VME está limitado.

 

Entre las posibles aplicaciones para las que sigue siendo apropiado el VME, están radares, sonares y aplicaciones ISR (Intelligence, Surveillance and Reconnaissance). El uso de placas con formato VME obliga a hacer migraciones de procesadores, ampliar las capacidades de E/S en los backplanes y a soportar mayores anchos de banda.En los últimos años se han incorporado los procesadores más potentes de Intel o Freescale PowerPC a placas VME con buenos resultados, por lo que no es fácil prever una obsolescencia cercana para sistemas que no requieran altas prestaciones digitales, a menos que haya problemas de fabricación de interfaces VMEBus en el futuro cercano.

 

 

Siendo conscientes de su inclusión y probado valor en cientos de aplicaciones de defensa, marcas como Kontron, siguen invirtiendo para tener una amplia gama de productos dentro del formato VME, como por ejemplo, SBCs (Single Board Computers) con procesadores Intel® Core™ i7  o PowerPC en formato 6U y también anuncian nuevas placas con procesadores ARM de 64 bits de muy bajo consumo.

 

CompactPCI. Aprovechando las limitaciones de VME

 

Entre las aplicaciones de defensa especiales en las que se encuentra el CompactPCI están los submarinos, barcos de defensa, aplicaciones en aviones y vehículos terrestres.Las limitaciones de ancho de banda y de pines de E/S, así como la posibilidad de usar varias CPUs en un mismo backplane y el conocimiento amplio de los diseñadores del PCI, abrieron el mercado de defensa al formato CompactPCI.

 

Existe en el mercado una amplia variedad de placas en formato CompactPCI de 3U ó 6U entre las cuales están las placas CPU, pero también placas de E/S, comunicaciones, gráficas, Ethernet,…

 

 

El estándar CompactPCI es una evolución de la especificación PICMG 2.0, con comunicación serie por el backplane. Las tarjetas de expansión que se conectan pueden hacerlo a través de Ethernet, PCI Express, SATA o USB.

 

La fortaleza del VPX

 

La gran flexibilidad del estándar VPX inicial (VITA 46), con una gran variedad de señales (single-ended, x1, x2, x4, etc.) hacía que hubiera un número elevado de topologías, lo que dificultaba la interoperabilidad entre distintos fabricantes.

 

Esto llevó a la aparición posterior de la especificación VITA65, conocida como OpenVPX, que solucionó la interoperabilidad entre fabricantes definiendo claramente las opciones de control, datos, expansión, gestión, etc.

 

El VPX fue adoptado rápidamente por usuarios de arquitecturas VME/VME64x, ya que usa el mismo factor de forma Eurocard 3U ó 6U que el VME/VME64x, con placas de 160 mm. de profundidad, lo que permite que se usen la mayoría de chasis de 19” y elementos mecánicos, pero el backplane será totalmente diferente. También serán diferentes los requisitos de alimentación y será más potente la solución de refrigeración necesaria.

 

Aunque aún sobreviven los formatos VME y CompactPCI, la expansión del VPX en los últimos años ha sido increíble, hasta el punto de que, según fuentes del mercado de defensa, actualmente se divide en 50% para el VPX (en formatos 3U y 6U) y un 50% para la suma de CompactPCI y VME. (Fuente: Military & Aerospace Electronics. Febrero 2018)

 

La división del uso del formato VPX entre 3U y 6U se hace en función de los requisitos de espacio que tenga el sistema o las necesidades de refrigeración.

 

 

 

Si la aplicación va a estar, por ejemplo, en un puesto de vigilancia, de comunicaciones o radio, será más apropiado un sistema de 3U, pero si se puede montar en un rack de transporte aéreo (sin muchas limitaciones de espacio) o se va a usar refrigeración por conducción de aire, se suele usar un sistema 6U. También en las aplicaciones que requieren mayor demanda de potencia, con FPGAs o procesadores Xeon de altas prestaciones, por ejemplo, o en aplicaciones de gran potencia (3000 W) con una gestión térmica muy alta imposible de manejar en un sistema 3U, se usará el formato de 6U.La división del uso del formato VPX entre 3U y 6U se hace en función de los requisitos de espacio que tenga el sistema o las necesidades de refrigeración.

 

Existen plataformas HPEC en formato VPX 3U con refrigeración por conducción o por aire completamente preparadas para aplicaciones de clase de servidor (server class applications), con control de temperatura del aire en cada slot y con posibilidad de mantener en modo standby las placas no usadas para cumplir con los requisitos de bajo consumo.

 

También conviene destacar la posibilidad de incluir la gestión de alimentación y el control de salud de la plataforma, lo que lo hace muy apropiado para diseños donde el espacio esté limitado.

 

Una prestación muy importante de las plataformas VPX es la posibilidad de utilización de la virtualización, lo que permite que el desarrollo sea consistente en el tiempo, ya que se puede adaptar fácilmente a futuras evoluciones de CPU, memoria, factor de forma, disponibilidad de E/S, etc.

 

Los sistemas VPX combinan puertos integrados 10 GbE, y E/S como PCIe, USB, SATA y otras E/S de propósito general en un único sistema.

 

Con la definición del estándar abierto VPX VITA 46, que define los conectores y la infraestructura del backplane para alcanzar transferencia de datos por encima de 1 Gbit por canal físico, se logró implementar las prestaciones más avanzadas del mercado de los servidores y PCs. En la actualidad, VPX es capaz de alcanzar los ratios de transferencia de datos de las últimas versiones de dos de los protocolos más importantes: PCIe gen3, con 8 Gbits/s y Ethernet a 10 Gbits/s. Esto es posible gracias al uso de backplanes de calidad alta y productos basados en procesadores tipo Intel® Xeon D-1500 dual core u octal-core, como por ejemplo, en las placas VPX 3U modelos VX3052/VX3058 de Kontron.

 

 

La posibilidad de tener varios puertos Ethernet 10Gbits en el mismo sistema gracias a placas VPX de switch, puede permitir tener hasta más de 20 placas CPU computando en paralelo e intercambiando datos entre ellas a una velocidad superior al Gigabit.

 

Un ejemplo de este tipo de sistemas lo ha lanzado al mercado Kontron. Es su modelo StarVX, un sistema con 6 placas CPU con Intel Xeon D1548 octal core, comunicadas a través de una placa switch de 10 Gbits, con entrada de datos de los sensores a través de un enlace Ethernet 40 Gbits QSFP+.

 

 

Si se necesitan velocidades más altas de transferencia de datos entre CPUs o aceleración gráfica con GPGPUs, se puede conseguir por medio de los interfaces PCIe x8 gen3, que pueden proporcionar un ancho de banda utilizable de más de 5 Gbytes/s.

 

En un siguiente artículo, hablaremos de los sistemas COM, del uso avanzado de las GPUs y GPGPUS y de otras características importantes del diseño de sistemas embebidos para aplicaciones de defensa.