La densidad informática se ha convertido en el mantra de muchos de los programas militares avanzados de hoy. Más y más de la funcionalidad del sistema ahora se implementa como software que se ejecuta en computadoras de placa única, en lugar de usar ensambles electrónicos cableados. La industria ha madurado hasta donde las “nuevas” tecnologías como la computadora FPGA, las telas conmutadas, los procesadores multinúcleo y los sistemas de nivel de caja ya no se ven obstaculizados por la percepción de que son caminos riesgosos. La aceptación de esos componentes básicos de computación avanzada ahora es parte del panorama familiar.
Siempre hay nuevas tecnologías que cambian el juego y tendencias tecnológicas por delante para la industria militar. No todas estas son tendencias positivas que proporcionan nuevas capacidades. Algunos son obstáculos que requieren consideraciones especiales de diseño y otros con los giros únicos que afectan más a los sistemas militares. Cubrir a fondo todos los desafíos tecnológicos que enfrenta la industria de defensa de hoy en día llenaría un libro completo. Aquí nos centraremos en cinco tendencias tecnológicas que se pueden considerar las más cambiantes en el próximo año:
Redes avanzadas
Adaptando plataformas de consumo
Desafíos de energía y enfriamiento
Computación de uso general mediante GPU
Discos de estado sólido
1. Redes avanzadas
A medida que el ejército de los EE. UU. Se transforma en operaciones centradas en la red, todos los nodos del ejército en red se verán afectados. La idea general es que cada vehículo, cada avión, cada barco, cada UAV y cada soldado en tierra puedan compartir rápidamente datos, voz e incluso video con casi cualquier nivel de operación del Departamento de Defensa. Una variedad de áreas tecnológicas son parte del rompecabezas general para que eso suceda. Estos incluyen software y radios programables, formación de haces de RF, comunicaciones ópticas de banda ultra ancha y redes IP en plataformas terrestres, marítimas, aéreas y espaciales.
Como una de las partes clave de esa red, Ethernet se ha consolidado como el tejido de interconexión favorito en aplicaciones de cómputo intensivo como sonar, radar o cualquier aplicación que conecte redes de sensores. A nivel de placa, Ethernet se acepta como una interconexión de estructura por derecho propio, pero RapidIO y PCI Express aún ofrecen ventajas cuando se requiere un procesador de matriz de radar o un control de baja latencia
A nivel general, la industria de defensa ha elegido bien cuando se trata de adoptar tecnologías de red que seguramente disfrutarán de una larga vida, como el Protocolo de Internet y Ethernet. Los diseñadores de sistemas están cosechando los beneficios de la unión de Ethernet con factores de forma de computación integrados como OpenVPX, VXS, Compact PCI Express, MicroTCA y AMC. Si bien alguna vez se usó solo como una solución de red pura para sistemas de comando y control en el ejército, Ethernet ahora está ganando terreno en muchas otras aplicaciones militares como un tejido de interconexión en aplicaciones de uso intensivo de cómputo. También se implementa como conmutadores multicapa con reenvío dual de IPv4 e IPv6 para respaldar los amplios planes del DoD para aprovechar los beneficios de IPv6 (Protocolo de Internet versión 6).
Conductores militares con IPv6
Curiosamente, el paso de IPv4 a IPv6 es un área de tecnología en la que el gobierno y la defensa están un poco por delante de la curva. En las redes civiles, no muchas empresas o ISP han adoptado IPv6 completamente, a pesar de que ha estado disponible desde la década de 1990. La mayoría todavía están en IPv4. Es probable que muchas redes ejecuten IPv4 e IPv6 juntas hasta que IPv6 se convierta en el estándar mundial. El gobierno de los EE. UU. Había planeado mover todas las redes de computadoras federales a IPv6 en 2008, pero lo extendió hasta 2012, cuando todos los servidores y servicios del gobierno deben usar IPv6 nativo.
Mientras tanto, los sistemas de nivel de placa y caja para redes militares han estado soportando IPv6 durante algunos años. Por ejemplo, los conmutadores Ethernet utilizados como centro de comunicaciones para los sistemas de comando y control en el programa de Modernización del Equipo de Combate de Brigada del Ejército de EE. UU. (BCTM) tienen soporte para IPv6. El programa planea utilizar la capacidad de direccionamiento “a prueba de futuro” mucho mayor del protocolo y sus capacidades que simplifican la administración de la red. BCTM (Figura 1) es el principal programa de modernización del Ejército de EE. UU.
Figura 1
Preparativos para la segunda evaluación de integración de redes del Ejército — NIE 12.1 — en octubre / noviembre. 2011. Cientos de soldados, ingenieros de sistemas, gerentes de programa y desarrolladores pasaron meses brindando experiencia en adquisiciones a tiempo completo, integración y soporte de capacitación en White Sands Missile Range, NM y Ft. Felicidad, TX.
El ejército está preparado para utilizar los espacios de direcciones IP virtualmente ilimitados de IPv6 de maneras únicas. El beneficio completo con IPv6 para los militares es su capacidad de proporcionar conexiones IP punto a punto para sistemas integrados. Imagine, por ejemplo, si cada uno de los diversos subsistemas electrónicos en un avión de combate pudiera tener su propia dirección IP. Eso permitiría acceder a los datos de diagnóstico sobre el estado de cada subsistema mientras la aeronave está en vuelo. Además, con IPv6 permitiendo que cada dispositivo tenga su propia dirección IP global única, la traducción de la dirección de red ya no es necesaria. Dos dispositivos, como la radio de un soldado y el UAV que vuelan por encima, podrían establecer una comunicación directa sin la necesidad de traducir entre direcciones globales y privadas. Las aplicaciones bidireccionales, como la telefonía IP y las videoconferencias, se vuelven mucho más simples de desarrollar.
2. Adaptando las plataformas de consumo
Un tema que inevitablemente impregna cualquier discusión sobre tecnología militar en estos días es la noción de teléfonos inteligentes robustos y dispositivos tipo iPad adaptados para uso militar. Ese cambio está alimentando la necesidad de plataformas de servicios sofisticados para permitir que dichos dispositivos funcionen en escenarios militares desplegados. Si bien los proveedores de computadoras integradas pueden no desempeñar un papel directo en esos dispositivos, el equipo de redes y seguridad que permitiría que dichos dispositivos funcionen en situaciones de campo de batalla desplegadas está muy en línea con nuestro mercado.
Los guerreros en el campo están tan familiarizados con los dispositivos de teléfonos inteligentes de hoy en día, como iPhones y teléfonos Android, que existe una gran demanda para encontrar formas de hacerlos utilizables en áreas desplegadas. Lo que se necesita, por supuesto, es una forma de operarlos en áreas donde no hay infraestructura de torre celular. La solución es implementar el equivalente de una torre de telefonía móvil en un sistema móvil, uno que conecte no solo teléfonos inteligentes sino también radios tácticas tradicionales en la misma red.
Tomar exactamente ese enfoque es el sistema MONAX de Lockheed Martin. Al proporcionar conexión inalámbrica 4G al Tactical Edge, el sistema MONAX combina la conveniencia de la tecnología de teléfonos inteligentes con el poder y la flexibilidad de una infraestructura segura y altamente portátil. El sistema inalámbrico 4G consta de una funda portátil MONAX Lynx única que conecta los teléfonos inteligentes COTS con pantalla táctil a la infraestructura de la estación base MONAX XG en el suelo o en plataformas aéreas, ofreciendo un servicio ininterrumpido a los combatientes en el campo. La Figura 2 muestra el sistema MONAX en la conferencia MILCOM del año pasado.
Figura 2
En la conferencia MILCOM del otoño pasado, el editor en jefe Jeff Child recibe información sobre el sistema MONAX de Lockheed. El sistema inalámbrico 4G consta de una funda portátil MONAX Lynx única que conecta los teléfonos inteligentes COTS con pantalla táctil a la estación base MONAX XG (que se muestra aquí debajo de la mesa) en el suelo o en plataformas aéreas.
Esta interfaz habilitada para teléfonos inteligentes basada en COTS funciona en cualquier lugar del teatro. MONAX utiliza un enlace RF seguro, protegido mediante un cifrado exportable fuerte, que permite la transferencia de información pertinente y sensible con rapidez y facilidad. Ofrece un rango y penetración mejorados y flexibles que ofrecen un rendimiento de enlace superior en transmisión de voz, video y datos. Siguiendo los pasos del mercado de consumo, MONAX ofrece un amplio conjunto de aplicaciones y gobernanza, aprovechando el desarrollo de “aplicaciones” de teléfonos inteligentes comerciales y el modelo de “tienda de aplicaciones”. Las aplicaciones se pueden escribir o volver a alojar fácilmente en un teléfono inteligente, revisarse / aprobarse para la efectividad de la misión, alojarse en una tienda de aplicaciones 24/7 y ponerse a disposición del guerrero.
3. Desafíos de energía y enfriamiento
Para satisfacer las demandas de una mayor densidad de cómputo, los desarrolladores de sistemas adoptaron procesadores y placas más rápidos con más procesadores y núcleos de procesador. Todo eso inevitablemente lleva la disipación de poder al límite. En una industria en la que el enfriamiento por aire usando ventiladores solo es aceptable en condiciones limitadas, todas las nuevas técnicas de enfriamiento están sobre la mesa. En los vehículos aéreos no tripulados, los sistemas de control ambiental no son necesarios porque no hay tripulación a bordo. Eso permitió a los integradores de plataformas buscar soluciones de enfriamiento alternativas. Cada vez más, la pulverización directa se considera una alternativa aceptable al enfriamiento por aire. Los sistemas de pulverización directa de Parker Aerospace se utilizaron en el programa de carga útil de inteligencia de señales aerotransportadas (ASIP) de la Fuerza Aérea en el UAV Global Hawk. Las versiones a escala del ASIP se están diseñando para UAV Predator y Reaper.
El otoño pasado, Parker Aerospace firmó un contrato de producción de sistemas de gestión térmica para los aviones de reconocimiento Global Hawk y U-2 de la Fuerza Aérea de los EE. UU. Northrop Grumman otorgó un contrato valorado en más de $ 4 millones para la producción del chasis y el hardware de soporte SprayCool de Parker como parte del programa ASIP de la compañía. El contrato incluye hardware para los sistemas ASIP en el avión RQ-4 Global Hawk de Northrop Grumman y el avión de reconocimiento U-2 de Lockheed Martin. El avión U-2 usa seis chasis SprayCool por avión; El UAV Global Hawk usa dos.
Ambientes severos
Los desafíos para el diseño del sistema militar con respecto a las técnicas de enfriamiento han aumentado junto con procesadores de mayor rendimiento, huellas de sistema más pequeñas y la evolución de entornos extremadamente resistentes. La configuración del campo de batalla de hoy incluye temperaturas severas, golpes y vibraciones, descompresión explosiva, inmersión o exposición a arena y polvo, solo un puñado de posibles variables para consideración de los diseñadores que construyen sistemas militares resistentes y de alto rendimiento. Como resultado, el protocolo SWaP ha cambiado a SWaP-C (Tamaño, Peso, Potencia y Refrigeración) como un enfoque prioritario para los ingenieros de empaque que resuelven los desafíos térmicos de estos diseños de próxima generación.
Si bien los esquemas de enfriamiento exóticos han hecho algunos avances, el mercado de defensa es adverso al riesgo cuando se trata de cambios tan revolucionarios. En un nivel evolutivo más básico, los proveedores de computación incorporada a nivel de placa y caja han mejorado constantemente sus diseños de refrigeración por conducción. Un ejemplo en el lado del gabinete es la nueva tecnología de Curtiss-Wright Controls Electronic Systems para la administración térmica de gabinetes de computación empotrados resistentes, llamada CoolWall. Las pruebas realizadas con el gabinete Hybricon SFF-6 refrigerado por placa base de la compañía mostraron un aumento de 2.4x en la conductividad térmica en el nivel del chasis (disminución de 2.4x en el aumento de temperatura de la pared lateral) junto con una disminución de peso del 10 por ciento en comparación con la construcción de aluminio.
Fin de la ley de Dennard
A un nivel de chip más fundamental, los militares, y la industria de semiconductores en general, pueden enfrentar tiempos difíciles en el frente de disipación de energía. En la conferencia Milestone de RTC Group en Los Ángeles el otoño pasado, el Dr. Robert (Bob) Colwell, subdirector, Oficina de Tecnología de Microsistemas de DARPA hizo una presentación. Colwell ofreció una mirada aleccionadora sobre cómo la preciosa tecnología de transistores CMOS que impulsa la Ley de Moore se encamina hacia un gran obstáculo. Más exactamente, dice, la Ley de Moore puede continuar proporcionando duplicación del conteo de transistores durante otra década, pero la Ley de Dennard, que tiene que ver con los límites de escala de voltaje, potencia y enfriamiento, ha chocado con una pared que limitará severamente los nuevos diseños. Con eso en mente, hacer computadoras más rápidas significará explotar grados mucho más altos de paralelismo. Esto, a su vez, sugiere una operación de voltaje cercano al umbral, y eso plantea problemas complejos de resistencia. Según Colwell, este futuro paralelo parece factible, pero abundan los desafíos.
4. Computación de uso general mediante GPU
La gran complejidad de los sistemas integrados militares actuales es abrumadora. El desafío se vuelve particularmente agudo cuando los sistemas se ejecutan en una variedad de motores de procesador. Los sistemas basados en FPGA son un ejemplo. A diferencia de los procesadores de uso general, los FPGA no tienen una arquitectura interna definida, un conjunto de instrucciones, rutas de datos o un conjunto periférico. Si bien los FPGA siguen siendo un pilar del procesamiento de señales militares, una nueva tendencia que surgió como una forma más simple de hacer multiprocesamiento complejo es la idea de poner a los procesadores gráficos de alto rendimiento a trabajar en tareas de procesamiento de propósito general. Esta idea de “GPUs como motores de procesamiento de propósito general” también encaja perfectamente en el tema de hacer más mientras mantiene la complejidad a raya, en este caso, complejidad para el desarrollador del sistema. El proveedor de chips gráficos NVIDIA desarrolló una arquitectura de computación paralela llamada CUDA.
CUDA permite a los programadores usar lenguajes de computación convencionales para acceder a las capacidades de procesamiento masivamente paralelas de la GPU. Además de servir aplicaciones en radar, inteligencia de señales y video vigilancia e interpretación, las GPU basadas en la arquitectura CUDA tienen potencial en otras áreas de aplicación, incluido el seguimiento de objetivos, la estabilización de imagen y la simulación SAR (radar de apertura sintética). Los productos a nivel de placa han surgido específicamente para la informática GPGPU en varios factores de forma, incluido OpenVPX. El acelerador de aplicaciones de GPU VPX6-490 (Figura 3) de Curtiss-Wright Controls Embedded Computing (CWCEC), por ejemplo, cuenta con dos GPU NVIDIA basadas en la arquitectura NVIDIA Fermi, cada una con 240 núcleos CUDA.
figura 3
El acelerador de aplicaciones VPX6-490 GPU cuenta con dos GPU NVIDIA basadas en la arquitectura NVIDIA Fermi, cada una con 240 núcleos CUDA.
La innovación en el lado de FPGA no se ha ralentizado; sin embargo, el año pasado BittWare presentó el chip coprocesador de coma flotante Anemone para usar con los FPGA de alto rendimiento de Altera. Originado en la nueva arquitectura Epiphany de Adapteva, el chip Anemone de BittWare es un motor de punto flotante escalable, verdadero y programable en C que permite soluciones novedosas para aplicaciones de procesamiento de señales complejas y en evolución. Debido a que fue diseñado específicamente para usarse junto con un FPGA como coprocesador, la Anemone logra simultáneamente una eficiencia energética superior y un rendimiento de procesamiento.
Cada Anemone cuenta con 16 procesadores, que proporcionan 32 Gflops de procesamiento de coma flotante y consumen solo 2 vatios de potencia de chip total. Múltiples anémonas se pueden conectar sin pegamento, escalando para crear bloques de cómputo de hasta 4,096 procesadores que proporcionan 8 Tflops de rendimiento de coma flotante. La Anemone presenta una red de malla interna de alto rendimiento, con rutas de datos separadas para comunicaciones en chip y fuera de chip.
5. Unidades de estado sólido
Si bien las unidades de disco de estado sólido no son en absoluto una nueva tecnología, su evolución está llegando a un punto de inflexión clave donde el programa completo y el almacenamiento de datos pueden residir en SSD resistentes. Esto tiene implicaciones interesantes ya que los medios de almacenamiento de densidades significativas ahora pueden residir en sistemas de nivel de placa de tarjeta de ranura o como entrepisos en SBC. Por ejemplo, un terabyte de almacenamiento de estado sólido en una sola ranura VPU de 3U es el alarde del nuevo disco de estado sólido (SSD) 3X VPX XPort6172 (SSD) refrigerado por aire o conducción de 3U disponible recientemente.
Figura 4
Disponible como refrigeración por conducción o por aire, el disco de estado sólido (SSD) VPU XPort6172 de 3U proporciona un terabyte de almacenamiento de estado sólido en una sola ranura.
Las implementaciones de almacenamiento militar utilizadas en conjunto con sistemas embebidos han caído históricamente en dos categorías. Una es las placas de almacenamiento integradas de baja capacidad y bajo rendimiento. El otro es cajas o subsistemas de almacenamiento externo de mayor capacidad y mayor rendimiento, pero físicamente mucho más grandes y pesados. Sin embargo, la tecnología actual de unidad de estado sólido (SSD) basada en flash, combinada con arquitecturas de controlador de almacenamiento optimizadas, ha impulsado el desarrollo de blades de almacenamiento integrados que proporcionan altos niveles de rendimiento, confiabilidad y capacidad consistentes.
Almacenamiento escalable unificado
Una tendencia actual es el cambio a un concepto de almacenamiento integrado unificado y escalable. Los componentes básicos de este enfoque son blades de almacenamiento flexibles. El almacenamiento unificado significa que todas las necesidades de almacenamiento de un sistema pueden ser soportadas por un único blade de almacenamiento. Y dado que estos blades son escalables, se pueden agregar varias instancias del blade de almacenamiento para proporcionar mayores niveles de capacidad y rendimiento, mientras se integran, administran y usan exactamente de la misma manera que un único blade.
La flexibilidad de una arquitectura blade de almacenamiento unificada permite su uso para una gran variedad de aplicaciones de almacenamiento embebido. Eso significa reemplazar las grandes unidades RAID y NAS externas que consumen mucha energía por una solución de cuchilla única compacta, simple, de alto rendimiento y alta confiabilidad. Algunas aplicaciones típicas incluyen sistemas de inteligencia, vigilancia y reconocimiento (ISR) y grabación y reproducción de datos de radar / sonda / imagen.
La última generación de soluciones de almacenamiento de alta densidad, robustas y de estado sólido permite a los desarrolladores de sistemas militares incorporar la complejidad del sistema sin la carga de las restricciones de almacenamiento de memoria. Al igual que las interconexiones informáticas han pasado de los buses paralelos a los esquemas de interconexión en serie, también lo han hecho las tecnologías de interfaz del ámbito de almacenamiento de alta densidad. Esa tendencia también se ve impulsada por la continua dependencia del software intensivo en cómputo y datos. Con eso en mente, Serial ATA se ha convertido en la tecnología de interfaz dominante para los nuevos diseños de subsistemas de almacenamiento. SCSI y Fibre Channel en contraste parecen estar disminuyendo, aunque lejos de retirarse. Mientras tanto, la redundancia de las arquitecturas RAID sigue siendo una forma preferida de garantizar operaciones confiables de misión crítica.