未來(lái)的軍用高性能嵌入式計(jì)算

遠(yuǎn)望智庫(kù)開源情報(bào)中心 云卷云舒 編譯

快速處理器、高速組網(wǎng)和開放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)正在結(jié)合，使未來(lái)在目標(biāo)檢測(cè)和目標(biāo)跟蹤方面的軍事應(yīng)用成為可能，并賦予人工智能新的角色。

最先進(jìn)的處理器、快速組網(wǎng)和數(shù)據(jù)共享、開放式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、冷卻和熱管理方面的創(chuàng)新以及新的系統(tǒng)架構(gòu)正在向高性能嵌入式計(jì)算系統(tǒng)匯聚，為圖像識(shí)別、雷達(dá)、電子戰(zhàn)(EW)、信號(hào)情報(bào)(SIGINT)等領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造支撐實(shí)時(shí)處理、人工智能(Al)和機(jī)器學(xué)習(xí)方面的新技術(shù)。

雖然這些創(chuàng)新帶來(lái)了幾乎超出想象的新的航空航天和國(guó)防能力，但這些技術(shù)也使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著小尺寸、重量和功耗(SWaP)封裝、電子冷卻和數(shù)據(jù)安全方面的挑戰(zhàn)，并且也威脅著預(yù)期很快超越開放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)中的新優(yōu)勢(shì)，而不是后者。

先進(jìn)的處理器

高性能嵌入式計(jì)算的許多創(chuàng)新始于微處理器，包括中央處理器(CPU)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、通用圖形處理單元(GPGPU)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)。

位于美國(guó)弗吉尼亞州阿什本的Curtiss-Wright公司國(guó)防解決方案部門的高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理Denis Smetana解釋說(shuō):“我們有針對(duì)數(shù)據(jù)中心的可縮放處理器。這些處理器的功耗非常高，而且很難冷卻。盡管英特爾有具有類似服務(wù)器的性能，被稱為至強(qiáng)D系列的二級(jí)處理器，但其目標(biāo)是嵌入式市場(chǎng)。” Curtiss-Wright公司CHAMP XD-4嵌入式處理器就是一個(gè)例子。

Smetana繼續(xù)說(shuō)道:“至強(qiáng)D為嵌入式市場(chǎng)帶來(lái)了服務(wù)器級(jí)的性能，并使用100千兆以太網(wǎng)將這些電路板連接到一個(gè)結(jié)構(gòu)中。至強(qiáng)D的一個(gè)特點(diǎn)是，你可以一直擴(kuò)展到20核，擁有雙內(nèi)存核心，I/O帶寬是前幾代處理器的四倍。”

Curtis - Wright還提供了一款名為CHAMP FX-7的FPGA板，該板具有兩個(gè)基于AMD Versal FPGA的片上系統(tǒng)(SoC)，用于結(jié)合浮點(diǎn)處理和FPGA邏輯的自適應(yīng)系統(tǒng)。Smetana說(shuō):“另一種選擇是GPGPU，它具有大型處理器陣列。我們?cè)贑HAMP XD-4和CHAMP FX-7上安裝了GPGPU, PCI Express以Gen-4的速度運(yùn)行，在兩個(gè)方向上提供30Gbyte的數(shù)據(jù)通道。”

業(yè)界對(duì)FPGA和GPGPU等高性能處理器的需求不斷增加。加利福尼亞州弗里蒙特埃爾瑪電子公司的系統(tǒng)產(chǎn)品總監(jiān)馬克·利特菲爾德說(shuō):“GPGPU的使用量大幅上升。盡管有些人對(duì)高速以太網(wǎng)持懷疑態(tài)度，但這些處理器和交換機(jī)可以支持對(duì)時(shí)間敏感的嵌入式計(jì)算。”

埃爾瑪電子(Elma Electronic)公司嵌入式技術(shù)主管肯?格羅布(Ken Grob)表示，他同意這種說(shuō)法。“GPGPU的使用越來(lái)越頻繁，我們看到它被應(yīng)用到非傳統(tǒng)的使用場(chǎng)合，GPGPU更多地用于視頻應(yīng)用。我們還看到GPGPU用于信號(hào)處理，使用以前在FPGA中實(shí)現(xiàn)的算法，但現(xiàn)在我們?cè)贕PGPU中看到它。使用GPGPU你可以用更少的開銷更快地做到這一點(diǎn)。”

Grob說(shuō):“在過(guò)去，高性能嵌入式計(jì)算沒有FPGA的替代品，而今天一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)師正在轉(zhuǎn)向GPGPU。從FPGA環(huán)境到另一種環(huán)境，當(dāng)從FPGA風(fēng)格轉(zhuǎn)移到另一種風(fēng)格時(shí)，依賴關(guān)系變得更加困難。然而，在FPGA中，該算法是在軟件中實(shí)現(xiàn)的，從軟件的觀點(diǎn)來(lái)看，在GPGPU庫(kù)上運(yùn)行比從一個(gè)FPGA環(huán)境移植到另一個(gè)環(huán)境在VHDL中運(yùn)行要快得多。”

GPGPU試圖解決的另一個(gè)FPGA挑戰(zhàn)是人類FPGA程序員的可用性。Elma公司的Littlefield指出:“FPGA開發(fā)人才既昂貴又難以找到。沒有多少人對(duì)FPGA有足夠的研究，可以成為有效的開發(fā)人員。這是一種完全不同的人才，也是一種完全不同的猛獸。”Grob說(shuō):“GPGPU的性能越來(lái)越強(qiáng)，它為其他替代品打開了大門。”

網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)共享

當(dāng)今最具影響力的兩種高性能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是以太網(wǎng)和PCI Express(也稱為PCle)。今天，嵌入式計(jì)算系統(tǒng)正在從每秒傳輸32Gbyte數(shù)據(jù)的第三代PCI Express向每秒傳輸64Gbyte數(shù)據(jù)的第四代PCI Express發(fā)展。領(lǐng)先的設(shè)計(jì)正在向第五代PCI Express發(fā)展，它每秒傳輸128千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。

馬薩諸塞州布羅克頓市天文學(xué)家公司Atrenne Computing Solutions的高級(jí)硬件工程師比爾·霍利(Bill Hawley)說(shuō)。“現(xiàn)在我們正在考慮從PCI Express第三代性能提升到第四代和第五代，以及以太網(wǎng)，我們看到了來(lái)自PCI Express第四代和第五代客戶的需求，我認(rèn)為這種需求還在繼續(xù)。對(duì)帶寬和速度的需求將會(huì)持續(xù)下去。”系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常使用PCI Express鏈路連接電路板上的組件，或者當(dāng)數(shù)據(jù)移動(dòng)必須盡可能確定時(shí)。

當(dāng)數(shù)據(jù)在電路板之間或機(jī)箱之間傳遞時(shí)，千兆以太網(wǎng)是默認(rèn)選擇，還會(huì)從10千兆以太網(wǎng)提高到40千兆以太網(wǎng)，到100千兆以太網(wǎng)，甚至更高。

苛刻的航空航天和國(guó)防應(yīng)用正在推動(dòng)對(duì)更高網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。Hawley說(shuō):“實(shí)時(shí)應(yīng)用是驅(qū)動(dòng)因素——必須盡可能快速地獲取信息并做出響應(yīng)，速度接近實(shí)時(shí)。以雷達(dá)應(yīng)用為例，得到數(shù)據(jù)的時(shí)間越早越好，這樣雷達(dá)才能做出響應(yīng)。這就是為什么我們看到重視性能的。”

千兆以太網(wǎng)

以太網(wǎng)從以前的交換結(jié)構(gòu)拓?fù)浯箅s燴(過(guò)去幾年包括Serial RapidiO、InfiniBand、Fibre Channel、StarFabric和Firewire)演變成數(shù)據(jù)平面。Atrenne的Hawley說(shuō):“到目前為止，我們所看到的一切都是以太網(wǎng)或以太網(wǎng)的衍生物，這是與數(shù)據(jù)平面相關(guān)的，在擴(kuò)展平面上使用PCI Express。

“數(shù)據(jù)平面通過(guò)分組交換機(jī)連接，系統(tǒng)中的所有板都可以通過(guò)數(shù)據(jù)平面(即以太網(wǎng))進(jìn)行通信，”Hawley繼續(xù)說(shuō)道。“以太網(wǎng)是一種非常靈活的架構(gòu)，但問題是以太網(wǎng)需要大量的軟件干預(yù)，因此以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的延遲可能很大。而PCle需要兩個(gè)或三個(gè)模塊，需要多個(gè)有效載荷模塊。以太網(wǎng)的延遲問題與其龐大的軟件堆棧有關(guān)。而PCle則不是這樣，一切都是在硬件上處理的，這是一個(gè)很好的實(shí)時(shí)的事情，與有許多軟件干預(yù)的情況很不一樣。”

Elma的利特菲爾德說(shuō):“高速交換結(jié)構(gòu)現(xiàn)在都將轉(zhuǎn)向以太網(wǎng)。”“它現(xiàn)在被內(nèi)置于FPGA和GPGPU中。最大的障礙是確定性和延遲，現(xiàn)在正在通過(guò)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)來(lái)解決。網(wǎng)速正在快速增長(zhǎng)，在未來(lái)五到七年內(nèi)，將出現(xiàn)400千兆以太網(wǎng)。

然而，通往千兆以太網(wǎng)的道路并不平坦。利特菲爾德指出:“v100千兆以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)并不簡(jiǎn)單。它有信號(hào)完整性問題，而且要讓所有的東西都與電路板產(chǎn)品和背板對(duì)齊是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。然而，今天的人們已經(jīng)適應(yīng)了這一點(diǎn)，并且正在努力將所有這些碎片整合在一起。”

Curtiss Wright公司的高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理Aaron Frank說(shuō)，嵌入式計(jì)算行業(yè)從傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線架構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，正在推動(dòng)以太網(wǎng)的發(fā)展。

弗蘭克說(shuō):“我們已經(jīng)看到了從10、40、到100千兆以太網(wǎng)技術(shù)的增長(zhǎng)，在以網(wǎng)絡(luò)為中心的方法的推動(dòng)下，更多的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸，因此以太網(wǎng)將繼續(xù)增長(zhǎng)。”盡管如此，千兆以太網(wǎng)只代表了前進(jìn)道路的一部分，因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員根本無(wú)法在網(wǎng)絡(luò)上強(qiáng)行使用數(shù)據(jù)并期望最好的結(jié)果。

“僅僅在一個(gè)系統(tǒng)上安裝一個(gè)100千兆位的網(wǎng)絡(luò)是不夠的，”弗蘭克說(shuō)。“就結(jié)果而言，系統(tǒng)必須能夠采集、處理和傳遞那么多數(shù)據(jù)。隨著光學(xué)接口的使用越來(lái)越多，使用這些更快的速度和接口正在成為系統(tǒng)級(jí)的端到端解決方案。我們過(guò)去處理的是1千兆以太網(wǎng)，銅線可以跟上，但現(xiàn)在更多的接口正在轉(zhuǎn)向光接口。我們正在做很多事情，讓系統(tǒng)集成商更容易使用光互連。”

開放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

傳感器開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)(SOSA)和模塊化開放系統(tǒng)方法(MOSA)設(shè)計(jì)指南可能是當(dāng)今在高性能計(jì)算領(lǐng)域最有影響力的新興開放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)尋求創(chuàng)建一個(gè)開放的生態(tài)系統(tǒng)，在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，來(lái)自許多供應(yīng)商的組件將很好地協(xié)同工作，促進(jìn)隨著時(shí)間的推移快速升級(jí)，并在嵌入式計(jì)算系統(tǒng)的生命周期內(nèi)節(jié)省資金。

“通過(guò)SOSA，人們能夠更快地利用技術(shù)，”埃爾瑪?shù)睦胤茽柕抡f(shuō)。盡管行業(yè)專家從SOSA標(biāo)準(zhǔn)誕生之初就對(duì)其價(jià)值表示懷疑，但利特菲爾德表示:“這種懷疑在這一點(diǎn)上已經(jīng)被擱置了。”“我們花了三年時(shí)間才達(dá)到這一點(diǎn)。”

SOSA標(biāo)準(zhǔn)和MOSA設(shè)計(jì)方法的實(shí)用性已被證明，從而說(shuō)服了行業(yè)內(nèi)的懷疑者。Elma的Grob說(shuō):“市場(chǎng)現(xiàn)在知道該怎么設(shè)計(jì)。”“它提供了一套豐富的可互操作的電路板，當(dāng)你真正看到你可以做到這一點(diǎn)時(shí)，就會(huì)成為上市時(shí)間的驅(qū)動(dòng)因素。我們可以比以前更快地進(jìn)行集成。”

加拿大安大略省滑鐵盧市Pixus Technologies公司的銷售和營(yíng)銷副總裁Justin Moll表示:“提出SOSA和MOSA的主要?jiǎng)訖C(jī)是使幾個(gè)不同的供應(yīng)商在不同的航空航天和國(guó)防系統(tǒng)中提供可互操作組件的能力。SOSA的需求主要集中在它們的特定插槽配置文件，以及這些配置文件的子集和組合，這些配置文件具有許多共性。”

Moll說(shuō):“現(xiàn)在流行的一件事是我們的與SOSA一致的機(jī)箱硬件管理器。“如果客戶提供自己的背板，我們會(huì)提供引腳。SOSA委員會(huì)的目標(biāo)是使用類似的設(shè)計(jì)方法合并兼容的機(jī)箱管理硬件。這些類型的東西正在SOSA委員會(huì)中提出，并且需要在連接器和引腳上達(dá)成協(xié)議。在SOSA標(biāo)準(zhǔn)中沒有定義，但SOSA委員會(huì)將定義它。”

Moll還呼吁關(guān)注稱為模塊化開放射頻架構(gòu)(MORA)的標(biāo)準(zhǔn)，它可以稱為SOSA的姊妹標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)涉及RF和微波系統(tǒng)，而不是嵌入式處理。“這就是開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化或開放標(biāo)準(zhǔn)RF解決方案的地方。我們已經(jīng)加固了許多美國(guó)國(guó)家儀器公司無(wú)處不在的軟件定義無(wú)線電，并將其設(shè)計(jì)成戶外使用的防風(fēng)雨IP-67版本，上面安裝達(dá)到38999標(biāo)準(zhǔn)的全軍用加固版本的連接器，用于信號(hào)情報(bào)，用于電子戰(zhàn)和各種通信和控制無(wú)人機(jī)探測(cè)和威懾的強(qiáng)大的軟件定義無(wú)線電。”

SOSA和MOSA在Curtiss Wright公司達(dá)到預(yù)期效果。Curtiss Wright的Frank說(shuō):“我們的系統(tǒng)現(xiàn)在是與針對(duì)多任務(wù)能力的SOSA和mosa對(duì)齊的，它可以用于一個(gè)項(xiàng)目，并重新配置為另一種操作模式，因此可以避免投入完全不同的架構(gòu)。”

“這推動(dòng)了決策，并與MOSA方法保持一致。MOSA向SOSA發(fā)展，并尋求真正使用標(biāo)準(zhǔn)互連，并在整個(gè)行業(yè)有效地使用標(biāo)準(zhǔn)，以幫助降低長(zhǎng)期支持成本和技術(shù)更新成本，即總擁有成本。”

人工智能

在未來(lái)高性能計(jì)算系統(tǒng)的所有潛在航空航天和國(guó)防應(yīng)用中，“不能忽視人工智能，”美國(guó)加州庫(kù)卡蒙格蘭喬通用微系統(tǒng)公司的首席技術(shù)官Chris Ciufo說(shuō)。“人工智能正在進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)，有客戶要求我們?cè)谙到y(tǒng)中內(nèi)置人工智能。”

Ciufo表示，對(duì)人工智能的需求正開始影響當(dāng)今最先進(jìn)的嵌入式計(jì)算系統(tǒng)的架構(gòu)。“在過(guò)去的幾年里，我們可能會(huì)通過(guò)升級(jí)帶有額外I/O的單板計(jì)算機(jī)來(lái)交付類似的任務(wù)計(jì)算機(jī)。現(xiàn)在人們希望我們添加一個(gè)GPGPU，這是一個(gè)矢量協(xié)處理器，與任務(wù)計(jì)算機(jī)的通用處理器一起使用，以創(chuàng)造人工智能能力。”

通常，將人工智能添加到嵌入式計(jì)算中最方便的方法是將GPGPU功能添加到傳統(tǒng)的微處理器和FPGA中。GPGPU本質(zhì)上是大規(guī)模的并行處理器，可以同時(shí)執(zhí)行許多計(jì)算任務(wù)。

Ciufo說(shuō):“人工智能意味著，現(xiàn)在你可以把這個(gè)由GPGPU和CPU構(gòu)成的系統(tǒng)代替計(jì)算機(jī)，讓它從傳感器數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)，使用人工智能算法，你可以讓人工智能引擎做你想做的事情，即面部識(shí)別、目標(biāo)跟蹤、物體識(shí)別。”

這種基于GPGPU的人工智能能力也應(yīng)該能夠?qū)⒒谌斯ぶ悄艿膱D像識(shí)別應(yīng)用于二維圖像，并推斷其三維圖像中的細(xì)節(jié)。Ciufo說(shuō):“你現(xiàn)在可以看一張2D面部圖像，根據(jù)你臉部的樣貌推斷你后腦勺的樣子。想象一下，一名士兵帶著武器或傳感器，這臺(tái)計(jì)算機(jī)可以填補(bǔ)你看不到的部分圖片，知道拐角處有什么在等著你。你可以推斷出藏在巖石周圍的人是什么樣子。”

美國(guó)軍事專家基本上正在關(guān)注裝配線上的現(xiàn)代機(jī)器視覺能力——主要是通過(guò)揭示圖像中通常不應(yīng)該存在的細(xì)節(jié)來(lái)尋找制造缺陷——并將這些能力擴(kuò)展到軍事行動(dòng)中。Ciufo說(shuō):“目前的趨勢(shì)是，美國(guó)國(guó)防部看到了機(jī)器視覺在工業(yè)市場(chǎng)上的發(fā)展趨勢(shì)，并希望它能在戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮倍增作用。”

“看看我們可以從嵌入式系統(tǒng)中獲得的可操作情報(bào)，我們可以成為一支更具殺傷力的力量。我們看到，使用人工智能協(xié)處理器進(jìn)行任務(wù)計(jì)算的需求比過(guò)去頻繁得多。”

今天的高性能計(jì)算能力使人工智能應(yīng)用遠(yuǎn)比幾十年前更加可行。埃爾瑪公司的利特菲爾德說(shuō)，“我認(rèn)為人工智能這次會(huì)被大量應(yīng)用。深度學(xué)習(xí)的計(jì)算量非常大，以前芯片硬件計(jì)算能力較慢時(shí)深度學(xué)習(xí)并不真正實(shí)用。隨著芯片計(jì)算能力的提高，現(xiàn)在人們正在尋找更多的方法來(lái)利用它。”

利特菲爾德說(shuō)，人工智能在軍事領(lǐng)域最有前途的應(yīng)用包括實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別。這可能會(huì)導(dǎo)致裝甲戰(zhàn)車上的自我保護(hù)系統(tǒng)能夠探測(cè)來(lái)襲火力，確定涉及的武器種類，并迅速做出對(duì)策或反擊以避免被擊中。

此外，利特菲爾德說(shuō):“空軍正在討論由一架或多架飛機(jī)控制的大量無(wú)人機(jī)蜂群。”這種能力將建立在實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別的基礎(chǔ)上。

位于美國(guó)馬薩諸塞州安多弗的水星系統(tǒng)公司首席技術(shù)官比爾·康利說(shuō)，實(shí)時(shí)嵌入式計(jì)算和人工智能也正在影響未來(lái)的電子戰(zhàn)系統(tǒng)。“隨著對(duì)人工智能的持續(xù)研究，我們能想到的最先進(jìn)的算法將會(huì)被部署到戰(zhàn)場(chǎng)上。”

康利指出，美國(guó)海軍先進(jìn)電子戰(zhàn)(ADVEW)套件用于F/A-18E/F超級(jí)大黃蜂艦載噴氣式戰(zhàn)斗轟炸機(jī)的飛機(jī)生存能力。康利說(shuō):“第四代飛機(jī)必須能夠感知環(huán)境中的情況，不能飛得離威脅太近，如果這樣真的要保護(hù)自己的話。”“飛行員看到了很多不同的雷達(dá)，其中大多數(shù)都不是威脅，他們必須找到可能構(gòu)成威脅的雷達(dá)。飛行員必須在信號(hào)中找到真正感興趣的信號(hào)。”

這種EW挑戰(zhàn)正變得越來(lái)越大。“過(guò)去，你是在草堆里找針。現(xiàn)在你是在針堆里找針，”康利說(shuō)，它依賴于自動(dòng)變化檢測(cè)，這變得非常強(qiáng)大。EW技術(shù)已經(jīng)由人類開發(fā)出來(lái)，現(xiàn)在機(jī)器可以測(cè)量任務(wù)期間的實(shí)質(zhì)性變化，這意味著EW系統(tǒng)正在吸收和使用更多的數(shù)據(jù)。來(lái)自許多來(lái)源的數(shù)據(jù)融合建立了必須流動(dòng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以為融合算法提供信息。”

未來(lái)會(huì)怎樣

未來(lái)軍事應(yīng)用對(duì)人工智能的迫切需求表明，威脅的變化速度有多快。開放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、快速處理器和高速網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前技術(shù)水平是否能夠應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)?水星公司的康利認(rèn)為，事情并不是那么簡(jiǎn)單。

康利說(shuō):“開戰(zhàn)時(shí)使用的系統(tǒng)和結(jié)束戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)使用的系統(tǒng)通常是非常不同的。”“你需要關(guān)注技術(shù)引進(jìn)的速度。當(dāng)你在戰(zhàn)斗中，開放的系統(tǒng)遠(yuǎn)不如把最好的能力帶到戰(zhàn)斗中重要。”

可能是開放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制定、批準(zhǔn)和行業(yè)接受的速度根本不足以滿足未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的需求。康利問道:“我們?nèi)绾我运俣群鸵?guī)模引入創(chuàng)新，從而改變戰(zhàn)略成果和結(jié)果?這就是開放有幫助的地方，但它本身可能不足以完全解決這個(gè)問題。”

編輯：黃飛