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安全性

次世代處理器與虛擬化可減少 SWaP 的折衷作法

下一代處理器,航空電子設備中的虛擬化

Columbia Vertol 234 重型載運直升機用於全球各地的災害應變與消防行動。這款飛機可載運高達 51,000 磅重的水或其他阻燃劑,飛往遠達 850 海里外的野火。

儘管 Vertol 234 這類飛機的設計容量龐大,但是任何重量都是關鍵。為了多通過火災現場警戒線一次,航太工程師利用每個內建系統與元件,在航程與酬載量之間折衷,或是兩者兼顧,其結果可能對數百英里的航行造成差異。

對任何飛機來說,運算資源都堪稱終極獎品。人稱 SWaP 的尺寸、重量與動力,往往左右了究竟是該包含還是捨棄電子系統的決定。

機載電子設備領導供應商 Curtiss-Wright 的資深產品經理 Aaron Frank 表示:「您或許有通訊系統。」「您可能還有單獨的系統負責測量或任務處理。您可能還有負責處理 GPS 和雷達的其他系統。一般來說,這些系統都是放進飛機的單獨箱子。因為每套系統都是單獨開發,而且運用一切可用的處理能力,才能執行那些應用程式。」

虛擬化技術讓多項獨立功能得以整合於單一系統,可減少 SWaP 折衷的作法。不過這項技術需要某種程度的運算效能,而在此之前,航空電子工程師無法輕鬆取得此等效能。

目前,新式飛機對於功能的需求日益提高,因此急需虛擬化航空電子系統,將不同功能結合在單一強固型的精簡電腦中。第 11 代 Intel® Core vPro®、Intel® Xeon® W-11000E 系列,以及 Intel® Celeron® 處理器(前身為 Tiger Lake H)的全新發展支援這些設計,同時無須犧牲功能安全性或決定論。

在單一裝置擴展虛擬化

虛擬化以及在單一硬體執行多種應用程式的概念並不新鮮。事實上,Curtiss-Wright 與其他航太電子設備供應商,早已利用虛擬化多年。但因為這兩個原因,所以虛擬化尚未在航太系統發揮效益:

  • 凡是增加一個虛擬化核心,多核心虛擬化便會增加即時效能的例行成本。這個情況對功能安全性不利,因為機載電腦立即回應的能力因此受限。
  • 強固型內嵌系統的處理器通常會發揮得淋漓盡致,以四核心處理器為執行航太系統虛擬化工作負載的裝置大小上限。但是四核心對於虛擬化或高效能內嵌運算(HPEC)應用程式的助益不大。

第 11 代 Intel® Core vPro®、Intel® Xeon® W-11000E 系列與 Intel® Celeron® 處理器,先從純粹強化效能著手,以不同方式解決了這些問題。Frank 表示:「八核心處理器意味著,您可以在處理器執行三個、四個、五個、六個應用程式,卻依舊維持優異的效能,而非只是針對一兩個程序或應用程式使用虛擬化而已。」

另外,這個平台採用的全新指令集,設計適合雷達這類訊號處理應用程式的複雜數學運算,以及在飛機系統應用 AI 與 ML 的用途,效能大幅提升。

任務關鍵型設計大幅減少 SWaP

Curtiss-Wright 的單板電腦 6U VPX6-1961,設計採用 Intel® Xeon® W-11000E 系列處理器,其中的八個 CPU 核心效能極為強大,減少了每個系統所需要的模組。這個作法直接減少了 SWaP,因為 AI 與 ML 這類新功能,可以與其他應用程式在相同的 VPX6-1961 主機板同時執行,無須在單獨的 CPU 或 GPU 卡或另一個獨立系統執行。

在 VPX6-1961 同時執行 AI/ML 推論這類工作與任務關鍵航空電子應用程式,全新 Intel 平台的進階虛擬化功能是關鍵。這類技術的硬體加速特性,也有助於抵銷虛擬化工作負載所產生的例行成本,而且這類成本甚至擴及連線裝置:

  • Intel® 虛擬化技術(Intel® VT-x)將運算活動隔離至獨立的分割區,改善管理功能。
  • Intel® VT-x with Extended Page Tables (EPT) 將頁面表格管理最佳化,加速記憶體密集的虛擬應用程式,可減少記憶體與電源負荷。
  • 適用於導向式 I/O(Intel® VT-d)的 Intel® 虛擬化技術,讓 I/O 裝置虛擬化提升了虛擬環境中周邊設備的效能,並且增強安全性與可靠性。

虛擬化部署之後,在功能安全方面的優勢會持續浮現。由於虛擬化支援以 Intel 處理器為基礎,因此比較容易以穩定可靠的方式,分割在同一個核心執行的應用程式或資料。其中包括可能已通過安全性認證之獨立系統中,不同的舊式程式碼區塊。

這個作法簡化了系統可追溯性及功能安全標準的法規遵循,有助於加速上市。為了進一步協助這個過程,這些處理器還有 Intel® Functional Safety Essential Design Package (Intel® FSEDP) 這個 TUV 認證工具為後盾,可收集與記錄整個解決方案堆疊的安全裝置。

整合式技術擴大航空創新的範圍

Curtiss-Wright 充分利用了 Intel 最新 CPU 提供的優勢,但優勢不僅只於此。

採用 VPX 標準航空電子系統的終端使用者,目前只要將與舊版相容且針腳相容的 VPX6-1961 放入現有機殼,並且移除單功能的解決方案,即可整合設備。由於解決方案是以標準為基礎,並且能夠在安全分割的容器中託管舊式程式碼,因此應該能盡量減少法規遵循方面的難題。

現在,無論是維護舊式系統的工程師,或是次世代航空系統的設計師,都能夠順暢無礙地物盡其用。

作者簡介

Brandon is a long-time contributor to insight.tech going back to its days as Embedded Innovator, with more than a decade of high-tech journalism and media experience in previous roles as Editor-in-Chief of electronics engineering publication Embedded Computing Design, co-host of the Embedded Insiders podcast, and co-chair of live and virtual events such as Industrial IoT University at Sensors Expo and the IoT Device Security Conference. Brandon currently serves as marketing officer for electronic hardware standards organization, PICMG, where he helps evangelize the use of open standards-based technology. Brandon’s coverage focuses on artificial intelligence and machine learning, the Internet of Things, cybersecurity, embedded processors, edge computing, prototyping kits, and safety-critical systems, but extends to any topic of interest to the electronic design community. Drop him a line at techielew@gmail.com, DM him on Twitter @techielew, or connect with him on LinkedIn.

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