Sistemas electrónicos para aplicaciones de defensa (segunda parte)
En el artículo anterior, vimos los distintos sistemas apropiados para aplicaciones de defensa, basados en estándares como VME, Compact PCI y VPX.
En este artículo, nos centraremos en sistemas diseñados ya cerrados (COMs), uso avanzado de GPUs y sistemas embebidos desarrollados desde cero.
Aplicaciones listas para usar basadas en COMs (Computer-on-modules)
Esta alternativa de diseño, posibilita el uso de sistemas de tamaño reducido, adaptados a espacios limitados en aplicaciones de defensa, y con la garantía de asegurar un largo ciclo de vida, al mantener la placa madre diseñada con un zócalo compatible con un estándar como, por ejemplo, el COM Express, lo que permite actualizar a módulos con más o menos potencia de computación y menor consumo, en caso necesario.
Este tipo de soluciones permiten que la inversión realizada en el diseño del sistema pueda ser amortizada a largo plazo, ya que la actualización del sistema es muy simple, solamente cambiado el COM, evitando costosos y largos procesos de recalificación del diseño.
Otro punto importante de estos sistemas es su efectividad para gestionar los problemas de temperatura existentes en entornos de uso de defensa. Esto se consigue con el uso de chasis pre-certificados para operaciones robustas, fabricados para cumplir con las prestaciones exigidas por las normas MIL-E-5400 (exigencias térmicas), MIL-901D (exigencias para choque) o la MIL-STD-810F (requisitos de vibración).
Un ejemplo de este tipo de sistemas es el COBALT de Kontron, un sistema rugerizado que utiliza módulos COM Express Type 6 con procesadores Intel Dual Core, insertados en una placa madre integrada en un sistema con chasis IP67, que le permite operar en condiciones duras, incluyendo temperaturas extremas (-40 hasta +71ºC), choques vibraciones e interferencias electromagnéticas (EMI), lo que lo hace apropiado para uso en sistemas tales como vehículos o helicópteros de defensa.
Una característica muy importante de este sistema COBALT de Kontron es la inclusión en su diseño de un circuito de apagado rápido (Rapid Shutdown) para proteger al sistema y permitir su supervivencia ante un posible ataque con pulsos de energía electromagnética de alta potencia (EMP). El uso de este tipo de armas (HPEM weapons) permite, teóricamente, mediante una ráfaga corta de EMP o fuertes perturbaciones electromagnéticas, dañar o destruir sistemas electrónicos objetivo como pueden ser radares, equipos de comunicaciones, aviones, etc. El estudio de este tipo de armas está aumentando en los últimos años, proporcionado importantes contratos, como el suscrito recientemente por Raytheon con la US Air Force por un valor de 15 millones de dólares.
Estos sistemas, para soportar vibraciones y choques deberán incluir sistemas de almacenamiento de datos tipo SSD, como por ejemplo RSSDs (Removable Solid State Drive), que pueden ser insertados y conectados en conectores especialmente diseñados para asegurar la fiabilidad después de miles de inserciones. El diseño del RSSD debe incluir algún tipo de anclaje que permita que el chasis siga cumpliendo con el grado de protección IP67 una vez insertado y anclado.
El reto de la refrigeración y la gestión térmica
Uno de los retos más importantes en los sistemas de uso de defensa es la gestión de la temperatura para poder trabajar en las exigentes condiciones de este tipo de aplicaciones.
Como hemos visto en el punto anterior, los sistemas rugerizados acabados, basados en COMs, pueden llegar a funcionar sin ningún tipo de refrigeración ni ventilación, usando un complejo y muy avanzado sistema pasivo de refrigeración a través de la carcasa, con disipadores que llevan el calor de los componentes principales (CPU, GPU, Chipset, etc.) hasta el exterior, por medio de difusores (heatspreaders) y disipadores (heatsinkers).
En el caso de los sistemas más potentes (los HPEC de 3U ó 6U VPX) la gestión térmica y la refrigeración suele ser un problema. En este tipo de plataformas se usan técnicas de refrigeración estándares industriales entre las cuales están la refrigeración de altas prestaciones con aire, con líquido o un híbrido de ambas.
La refrigeración por transferencia de aire a través del sistema (air-flow-through) hace necesario el sellado de componentes en las placas para evitar la contaminación, ya que se usa aire soplado en cada placa para refrigerar individualmente cada una de las placas del sistema. Este tipo de refrigeración se usa generalmente en sistemas con hasta 250 W de consumo, y es una alternativa a la tradicional conducción de aire.
Por encima de los 300 vatios, se suele usar refrigeración con líquido (liquid-flow-through), lo que abre también más posibilidades de usar otros materiales no metálicos para el chasis, para reducir tamaño y peso, como pueden ser polímeros y composites.
Como alternativa, se puede utilizar un híbrido de ambas refrigeraciones con control de temperatura, haciendo funcionar la refrigeración por líquido en condiciones más extremas.
La mejora del rendimiento debida al uso de las GPUs y GPGPUs
Los ordenadores con misiones de visualización desempeñan un papel cada vez más importante en el mundo de defensa, con aplicaciones visuales como mapas digitales en movimiento, reconocimiento de la situación en 360º, formación/entrenamiento en el terreno y trabajo en entornos visuales complejos. Estos sistemas son diseñados con altas capacidades gráficas capaces de manejar múltiples displays y recibir video de diferentes fuentes como satélites, UAVs, cámaras de vigilancia, radares, etc. La imagen utilizada puede ser una combinación de la entrada de múltiples sensores, generación de mapas de vídeo digital, simbología y metadatos provenientes de muchas otras fuentes. Gracias a las GPUs (Graphics Processing Units) en conjunto con las CPUs se ha aumentado la capacidad de los sistemas de procesamiento considerablemente.
Estas son algunas de las áreas en las que las GPUs están demostrando una mejora del rendimiento sustancial (Fuente: NVIDIA):
- Procesamiento de imágenes: Las GPUs aceleran todas las funciones que intervienen en el procesamiento de imágenes, entre ellas, la georrectificación, filtrado, detección de cambios, reconstrucción en 3D, etc. Para ver el impacto de la cantidad de imágenes a tratar en este campo, un simple dato. Las imágenes geoespaciales suministradas por los satélites cubren 5 veces la superficie de la tierra.
- Videovigilancia: Las GPUS son una gran herramienta para procesar y analizar el vídeo por medio de algoritmos a medida que se van captando las imágenes. Como ejemplo, el Departamento de Defensa de EE.UU. recoge unas 10.000 horas de vídeo al mes de zonas en conflicto, como Irak o Afganistán.
- Procesamiento de señales: Los sensores modernos tienes cada vez más capacidad de generar datos. Poder asimilar la capacidad de los sensores e integrar esos datos con otras fuentes en tiempo real es algo que se realiza con ayuda de las GPUs, que proporcionan la velocidad necesaria para realizar este trabajo de altas prestaciones.
Aunque en los años anteriores, la función de mezclar video se realizaba combinando las diferentes señales en una FPGA, la complejidad de la programación de estas, y los avances en las capacidades de las GPUs, con mayores prestaciones y ancho de banda, las han convertido en el reemplazo perfecto.
Las GPGPUs (General Purpose Computing on GPUs) han ido aumentando su presencia en el mundo de los sistemas embebidos, gracias a sus capacidades de aceleración de procesamiento gráfico para sensores de alta resolución y displays. La posibilidad de programar estos dispositivos con aplicaciones como NVIDIA CUPA, DirectCompute u OpenCL les han dado también una ventaja respecto a las FPGAs.
Un ejemplo de estas placas lo encontramos en la VX3327 de Kontron. Una placa que incluye la GPGPU AMD Radeon E6760 y 480 cores a 600 MHz con 1GByte de DDR5, lo que le permite ejecutar hasta 576 GFlops (576 x 106 floating point operations per second).
También han ido apareciendo nuevas generaciones de CPUs con la GPU integrada, lo que permite tener procesamiento gráfico de video y multicore en un producto energéticamente eficiente.
Un ejemplo de estos procesadores es la familia Intel “Skylake” Xeon de 7ª Generación. Por ejemplo el Intel Xeon E3-1505L proporciona 4 cores trabajando a 2,0 GHz con 256 GFlops de prestaciones de vectores AVX2. Incluye, además, una GPU acoplada Intel HD Graphics P530 de 24 núcleos que incluye una prestación de pico de hasta 403 GFlops. Esta GPU puede manejar tres canales DVI de alta resolución independientes o tres salidas de video DisplayPort simultáneamente.
Sistemas operativos (convencionales o en tiempo real) y herramientas IDE
La robustez del sistema operativo es un punto fundamental para los sistemas de defensa. Este sistema operativo, en función de la criticidad de la aplicación deberá ser de tiempo real o convencional (entiéndase por convencional un sistema operativo que no sea en tiempo real).
De este modo, es habitual el uso de sistemas operativos como VxWorks, LynxOS e Integrity RTOS para los sistemas operativos en tiempo real y diferentes distribuciones de Linux para los convencionales, como por ejemplo, Sysgo, Wind River, LynuxWorks™, TimeSys, etc. Es fundamental que el fabricante de las placas/sistemas proporcione los paquetes BSP (Board Support Package), que facilitarán considerablemente el desarrollo de las aplicaciones y el tiempo en llegar al mercado (time to market).
También es muy importante, especialmente para temas de coste y de tiempo al mercado, que el software suministrado por el fabricante sea compatible con herramientas de desarrollo muy extendidas y de uso habitual como el framework Eclipse®. Aquí podemos encontrar múltiples ejemplos de IDEs, como Luminosity de Lynx o Wind River Workbench®.
Seguridad
La seguridad digital es uno de los asuntos más importantes en las aplicaciones de defensa. Así se han desarrollado herramientas seguras basadas no sólo en software, sino también en hardware.
Así podemos encontrar diferentes soluciones basadas en elementos TPM (Trusted Platform Module) como elementos de arranque seguros, que detectan posibles alteraciones de software y protegen a los sistemas en el arranque o comunicaciones seguras (SSL/TLS) que hacen autentificación hardware durante la comunicación.
También se han desarrollado aplicaciones que con un elemento hardware seguro comprueban la integridad de la aplicación y la confidencialidad de la misma.
Además, hay herramientas exclusivamente software que protegen los dispositivos de almacenamiento encriptando el contenido o permitiendo sólo el arranque de software firmado digitalmente desde el firmware de la BIOS.
Alimentación
Aunque no entremos en detalle en este apartado, es fundamental el uso de sistemas de alimentación que cumplan con los diferentes estándares de defensa, que definen las especificaciones particulares de este mercado.
Por ejemplo, la norma MIL-STD-461 para medir las emisiones electromagnéticas, que pueden interferir en el resto de elementos del sistemas o la MIL-STD-1275, que establece los requisitos a seguir en temas electrónicos cuando la alimentación del suministro es de 28V, con el objetivo de garantizar que los productos electrónicas puedan trabajar correctamente, soportando las variaciones de tensión típicas (picos). Otro ejemplo es la MIL-STD-704A que hace referencia a las características de la potencia electrónica de las aeronaves y cubre temas como el voltaje, la fase, la frecuencia o el factor de potencia entre otros casos.
