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新一代的处理器和虚拟化技术降低 SWaP 代价

下一代处理器,航空电子设备中的虚拟化

哥伦比亚 Vertol 234 重型直升机在世界各地被应用于紧急响应和空中灭火行动。这款机型可将多达 5.1 万磅的水或其他阻燃剂携带到距离在 850 海里以内的野火现场。

尽管它的运力巨大,但在设计像 Vertol 234 这样的飞机时,每一盎司都至关重要。航空工程师需要针对每个机载系统和部件,在航程和有效载荷量之间做出取舍,或兼顾二者。如何决定或会在飞机飞越数百英里后再穿过火线的过程中体现出质的不同。

计算资源对于任何一架飞机来说,都属于终极奢侈。电子系统的尺寸、重量和功率——也就是所谓的 SWaP——通常决定了哪些设备会被包括在内、哪些不被采用。

“你可能需要一套通信系统,”机载电子产品的主要供应商 Curtiss-Wright 的高级产品经理 Aaron Frank 说,“你可能还需要单独的系统来执行地图映射或任务处理。可能还要有额外的系统来负责处理 GPS 和雷达。通常,这些都是作为独立设备被安装到飞机上的。这是因为每个系统都是独立开发的,并将全部可用的处理能力都投入到相应的应用上。”

而虚拟化技术则可以通过将多个独立功能整合到同一个系统上,来降低 SWaP 的代价。但直到现在,该技术所需的计算性能水平对于航空电子工程师来说还是很难达到。

今天,对现代飞机功能日益增长的需求推动了对虚拟化航空电子系统的迫切需求,以便将各自独立的多种功能结合到同一台坚固耐用的紧凑型计算机中。第 11 代智能英特尔® 酷睿 vPro®、英特尔® 至强® W-11000E 系列和英特尔® 赛扬® 处理器(过去被称为 Tiger Lake H)的全新型号均可支持这些设计,并且无需牺牲功能的安全性或确定性,即可完成整合。

在同一台设备上扩展虚拟化功能

虚拟化和在单个硬件上运行多个应用程序的概念并不新鲜。事实上,Curtiss-Wright 和其他航空电子供应商在采用虚拟化技术上已有多年的经验。但出于以下两个原因,它在航空航天系统中的效果并不理想:

  • 多核虚拟化技术的每个额外虚拟化内核都为系统增加了额外的实时性能开销。这对功能安全性造成了负面影响,因为它限制了机载计算机的即时响应能力。
  • 面向坚固型嵌入式系统的处理器的最高规格通常是四核处理器,作为在航空航天系统中运行虚拟化工作负载的最大器件尺寸。但在虚拟化或高性能嵌入式计算 (HPEC) 应用中,四核并不能增加太多价值。

第 11 代智能英特尔® 酷睿 vPro®、英特尔® 至强® W-11000E 系列和英特尔® 赛扬® 处理器以多种方式解决了这些问题,从全面增强性能开始。Frank 说:“八核处理器意味着你不只将虚拟化应用于一两个进程或应用,而是可以在处理器上运行 3、4、5、6 个应用,同时仍获得出色的性能。”

该平台还通过全新的指令集显著提高了性能,这些指令集是专门针对雷达等信号处理应用的复杂数学运算,以及飞机系统中采用人工智能和机器学习的应用而设计的。

在任务关键型设计中降低 SWaP 代价

Curtiss-Wright 的单板计算机——6U VPX6-1961 是基于英特尔® 至强® W-11000E 系列处理器设计的,该处理器在 8 个 CPU 内核中集成的性能之高,减少了每个系统所需的模块数。这意味着直接降低 SWaP,因为人工智能和机器学习等新功能可以与其他应用在同一块 VPX6-1961 主板上同时运行,而无需配备一块单独的 CPU 或 GPU 卡,或者另一个完全独立的系统。

对于在 VPX6-1961 上同时执行任务关键型航空电子应用和人工智能/机器学习推理等任务而言,全新英特尔平台上的高级虚拟化功能至关重要。这些技术的硬件加速特性还有助于抵消虚拟化工作负载带来的开销,甚至可惠及连入系统的设备:

  • 英特尔® 虚拟化技术(英特尔® VT-x)将计算活动隔离到单独的分区中,以便提高可管理性。
  • 具有扩展页表 (EPT) 的英特尔® VT-x 通过优化页表管理来降低内存和功耗开销,从而加速内存密集型虚拟应用。
  • 英特尔® 定向 I/O 虚拟化技术(英特尔® VT-d)支持 I/O 设备的虚拟化,可提高虚拟环境中外围设备的性能,并增强安全性和可靠性。

实施该技术后,虚拟化的优势将继续体现在功能安全方面。由于虚拟化支持植根于英特尔处理器,因此更便于从一个内核上对运行在另一个内核上的应用或数据进行可靠的分区。包括来自过去的某个独立系统的、可能已通过安全认证的不同的遗留代码块。

这简化了系统的可追溯性,并提高功能安全标准的合规性,有助于加快上市时间。为了进一步支持这一过程,这些处理器还依托于英特尔® Functional Safety Essential Design Package (英特尔® FSEDP)。这是一款经 TUV 认证的工具,可用于收集和记录整个解决方案堆栈中的安全工件。

集成技术延伸航空创新

Curtiss-Wright 充分利用了英特尔最新 CPU 提供的优势,但并没有止步于此。

采用基于 VPX 标准的航空电子系统的最终用户只需将向后兼容和引脚兼容的 VPX6-1961 放入现有的机箱中,并拆除各个单一功能的解决方案,即可立刻将设备整合在一起。因为该解决方案基于标准,并能够在安全分区的容器中托管遗留代码,所以发生合规性问题的可能性最小。

现在,从维护遗留系统的工程师到下一代航空系统的设计师,对于每个人而言,让每一盎司物有所值变得前所未有地简单。

作者简介

Brandon is responsible for Embedded Computing Design’s IoT Design, Automotive Embedded Systems, Security by Design, and Industrial Embedded Systems brands, where he drives content strategy, positioning, and community engagement. He is also Embedded Computing Design’s IoT Insider columnist, and enjoys covering topics that range from development kits and tools to cyber security and technology business models. Brandon received a BA in English Literature from Arizona State University, where he graduated cum laude.

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