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    军用抗恶劣环境计算机发展现状及趋势

    2008-01-18

    计算机从它诞生之日起,就开始用于军事领域。随着军事科学、武器装备系统和计算机技术的发展,军用计算机已经成为军队作战能力的关键因素,军用计算机的研制、生产和应用水平是衡量一个国家国防现代化和军事实力的重要尺度。军用计算机已经成为各种现代化武器装备系统、军事电子信息系统以及国防科研系统中不可缺少的、到处可见的设备。小到嵌入式的微处理器,大到百万亿次级的高性能计算机已广泛用于各种武器装备和国防科研之中。而军用抗恶劣环境计算机在军用计算机中占有极其重要的地位,所有战场上用的计算机全是抗恶劣环境计算机,它们是最具军用特色的计算机。

    1军用抗恶劣环境计算机的特点

    由于军用抗恶劣环境计算机是包括战机、导弹、舰艇、战车、火炮以及综合电子信息系统在内的各种武器装备的一部分,因此有其鲜明的特点:

    (1)抗恶劣环境

    各类战场上使用的计算机有着一个共同特点,就是使用环境极其恶劣,仅以温度为例,计算机的应用从热带海洋性气候、大陆干燥气候到寒带大陆性气候,其温差变化达数十摄氏度。因此无论是战场上直接使用的计算机,还是运载工具上使用的计算机,都应当考虑恶劣的使用环境。计算机要经受严寒、高温、湿热、振动、冲击、暴晒、雨淋、砂尘、雷电的考验,以及盐雾、霉菌、生物蛀虫的侵蚀带来的影响等。

    (2)强实时性

    较强的实时处理能力,武器装备系统中的计算机主要功能就是要完成实时处理,要求中断响应时间短、运算速度快及具有高速数据传输率等。以防空导弹指挥控制系统为例,整个防空导弹武器系统对其中的指挥控制系统的要求是:反应时间短,能对付高速机动目标的大规模密集空袭;在战术上能实现点和区域防御;实现多个火力单元、多种武器配系的协同作战;有效的大范围战场管理等。这就要求指挥控制系统的计算机有非常强的实时响应能力。

       (3)高可靠性

    导弹、、战机、舰艇、战车以及军事综合电子信息系统(C4ISR)等军事装备均是复杂、昂贵的大系统,它的可靠性在军事、经济、政治、人民生命财产安全上都有重大意义。而计算机是这些系统的控制核心,对它们的高可靠性要求是显而易见的。

    (4)高安全性

    长期以来计算机设计目标追求的主要是提高信息处理能力和降低成本,对军用计算机还有抗恶劣环境。而对于安全问题重视不够,留下许多不安全因素。随着计算机及网络的普及和应用,病毒、黑客、电磁泄漏等安全事件层出不穷,而且越演越烈。尤其在信息化作战中,计算机为核心的信息系统是敌人攻击的重点目标。因此,高安全性也是军用抗恶劣环境计算机必须具备的性能。

    (5)嵌入式

    军用抗恶劣环境计算机是整个武器系统的组成部分,对硬件、软件和输入/输出接口均有特殊要求。硬件除功能、性能须满足要求外,还必须在体积、功耗、质量、形状等方面满足要求。输入/输出接口众多,既有数字量,又有模拟量、开关量。编制可靠、有效的嵌入式作战软件更是非常复杂、繁重的任务。

    2军用抗恶劣环境计算机在武器装备中的应用方向

    20世纪末,电子信息技术与装备造价的比例,舰艇为25%~30%,导弹接近60%,军用飞机接近40%,战略轰炸机和隐形飞机超过60%,空间武器达75%,而军事指挥控制系统(C4ISR)竟高达88%。美国电子协会预计,到2010年,西方国家所有武器装备上述比例的平均值将超过50%。电子信息技术含量高低已经成为衡量武器装备性能优劣和现代化水平高低的最重要的标志。

    从20世纪90年代初开始至今以及今后若干年内军用抗恶劣环境计算机在武器装备中的应用方向主要是:

    (1)原有主战装备信息化改造

    20世纪90年代初期,即冷战结束后,美军的机械化建设已达到很高的水平,其武器装备性能已接近物理极限。为进一步提高武器装备和平台的作战能力,美军走武器装备信息化的道路。美三军均对原有的武器装备和作战平台进行信息化改造,美国海军率先走在前面,抛弃了老的过时昂贵的军标产品代之以性能先进、信息化程度高的所谓COTS(商用现成)产品。

    在2003年美英联军的对伊拉克作战中,美军的优势并不在于个别的先进武器,他们在伊拉克赖以取胜的武器装备几乎都是20年以前的东西,例如新华社记者登上的小鹰号航空母舰已服役近半个世纪,关键是这些装备都进行了信息化改造,使美军不同的武器系统形成了陆、海、空、天一体化的有机整体,而把其他国家的军队远远抛在后面。英军的装备性能并不比美国的差,但他们的信息化水平远远低于美军。因此,英军在这场战争中的表现明显差于美军。

    (2)武器装备的精导智能化

    1991年的海湾战争中,美军使用的精确制导的弹药不足整个用量的20%,而在2003年的伊拉克战争中带有精确制导的弹药已占整个用量的80%。美军防空的主战装备——爱国者导弹不断在进行计算机软、硬件方面的改进。美国目前正在研制智能化水平更高的导弹武器系统,采用传感器技术、微电子技术、信息处理技术、人工智能技术,使它们能区分外形和尺寸相同,但类型不同的敌我(友)军用卡车、运输车辆、通信车辆、地空导弹发射架与地地导弹发射架。目前,技术比较成熟的是“黄蜂”反坦克导弹,通过导弹上的计算机可以识别真伪目标,甚至可以从目标群中选中任何一辆坦克进行攻击。

    (3)武器系统中计算机硬、软件升级

    武器系统、不管是导弹、坦克、飞机、舰船,从设计、研制到生产定型,至少要5年~10年的时间,而服役期更长,至少10年~20年。而计算机技术的发展非常迅速,按摩尔定律CPU十八个月就换一代,性能提高一倍,价格降低一半。这是一个非常突出的矛盾。等武器系统生产出来以后,其核心部件计算机却已经非常落后,其部件甚至早已停产,也没有备件;即使有其价格也非常昂贵。近年来武器系统制造商,包括军用计算机制造商,都在大力解决这个问题。尤其是板极和部件级的技术更新更为重要。更新的成本主要在软件,既能升级,又要兼容。美国比较有名的军用计算机厂商Mercury公司,10年前其雇员70%是硬件工程师,而现在70%的雇员是软件工程师。2003年4月洛克希德·马丁公司成功地完成了美海军潜艇声纳系统的新型计算机硬件升级,用2.4GHz的“致强”处理器替换了原有的奔腾处理器,为软件升级提供了更好的运行平台。该公司每4年更新和升级所有硬件,并隔年进行软件升级。

    (4)全球信息网格的建设

    为满足网络中心战的要求,军事发达国家特别是美国强调信息优势和决策优势的作用,在原有电子信息网络的基础之上建设全球信息网格,以此增强电子信息系统之间、电子信息系统和武器系统之间的互操作能力,并将各种传感器、信息系统、指挥和控制能力、武器系统和弹药等资源网络化,并推动向网格化发展。美军网格的建设目标是为综合系统中所有的信息和能力,提供单一的、一体化的、安全的、端到端的系统、资源、数据和应用程序的共享。全球信息网格建设的核心就是构建各种功能和规模的计算机系统及网络。

    (5)单兵数字化装备

    主要是提供一体化头盔分系统,包括增强型视频放大装置、周围听力装置、高分辨率头盔显示器、无线电头盔控制装置和电源等;提供计算机分系统,亦称单兵C3I分系统,包括储有文字、图像、数据、战场态势等信息的单兵计算机,夜间枪具瞄准专用的视频强化图像增强器,平板显示器,全球定位系统,以及可在500m2000m距离内与战车、火炮、直升机等进行通信的电台等。

    3军用抗恶劣环境计算机产品现状

    目前,仅美国和加拿大就有几十家公司提供军用抗恶劣环境计算机产品系列。另外,台湾地区也有多家抗恶劣环境计算机产品的供应商,如研华、磐仪和控创等。表1列出了一些主要厂商,有DY4公司、SBS公司、Mercury 公司、Pentek公司、Bittware公司、TranstechDSP公司、Motolola公司、SpectrumSignal公司等,以及研华、磐仪和控创公司的产品。

     

    表1       抗恶劣环境计算机产品对照表

    公司

    处理器

    内部总线

    外部总线

    软件

    结构

    DY4

    CPU:PowerPC

    DSP:TMS320

    VME、CPCI

    1553B、千兆网、StarLink

    Vxworks、Linux

    6U、3U模块;

    19英寸机箱

    SBS

    CPU:X86或PowerPC

    CPCI、VME

    1553B、千兆网

    Windows2000/XP

    VxWorks

    LynxOS

    Linux

    6U、3U模块;

    19英寸机箱

    Mercury

    CPU:PowerPC

    CPCI、VME

    RACEway

    RapidIO

    MC OS

    6U模块;

    19英寸机箱

    Pentek

    MPC7455/57

    MPC7410

    TMS320C6x

    VME64

    FibreChannel

    RACE++

    GigabitEthernet

    VxWorks

    Linux

    单板:6U

    TranstechDSP

    ADSP-TS101S

    MPC7455/57

    Pentium M

    CPCI、VME

    Cluster、RACEway

    FPDP

    Windows2000/XP

    VxWorks

    LynxOS

    Linux

    OSE

    Gedae

    单板:6U、3U

    Bittware

    ADSP-TS201S

     

    CPCI、PMC、VME、PCI-X

    RocketIO

    LINKPORT

     

    单板:6U、3U

    Motorola

    PowerPC

    CPCI

     

    VxWorks

     

    单板:6U

    Spectrum

    MPC74x

    TMS320C6x

    CPCI、VME、PCI-X

    Ethernet、RapidIO

    VxWorks

    Linux

     

    单板:6U

    研华

    X86-Pentium

    M

    PCI

    ISA

    Ethernet

    Windows2000/XP

    VxWorks

    Linux

    ETX构架

    磐仪

    X86-Pentium

    M

    PCI

    ISA

    Ethernet

    Windows2000/XP

    VxWorks

    Linux

    ETX构架

    控创

    X86-Pentium

    M

    PCI

    ISA

    Ethernet

    Windows2000/XP

    VxWorks

    Linux

    ETX构架

     

    根据表1的统计,可以从嵌入式计算机的构成,即微处理器、总线和嵌入式软件等方面来概括目前军用抗恶劣环境计算机技术的发展主流。

    (1)微处理器

    微处理器是军用抗恶劣环境计算机的核心,主要以MOTOROLA和IBM公司的PowerPC系列,Intel公司的Pentium系列为主,信号处理器以TI公司的TMS320系列、ADI公司的ADSP系列为主。

    (2)内部总线

    内部总线用于嵌入式计算机模块之间的互连。以VME和CPCI总线为主。

    VME总线具有如下特性:

    ① 并行性。支持面向多主设备的并行处理

    ② 实时性。具有优异的中断处理系统,在其内部采用了独特的优先中断总线,可以很好地服务于多CPU的分布中断系统。

    ③ 可靠性和抗振性。VME总线对机箱、总线底板、插件板的电磁兼容性、机械结构等方面均有全面的规定,技术成熟可靠,插卡也采用Eurocard外形,具有良好的抗振性和抗冲击能力。

    CPCI总线具有如下特性:

    ① 高性能数据传输。能支持线性突发数据传输模式,可减少无谓的地址操作。线性突发传输能够更有效地运用总线的带宽来传送数据。

    ② 与处理器结构无关。CPCI总线与处理器的结构无关,可被各种处理器采用。CPU可以采用X86、PowerPC、DSP等芯片的模块,可以配有显示、网络输入/输出模块,也可以配有中频处理、视频处理等模块。

    ③ 支持多处理器和同步操作。

    ④ 兼容性强、低成本、高效益。CPCI总线与商用的PCI总线信号定义完全兼容,可充分利用PCI总线开发经验,用PCI总线接口部件相对便宜。CPCI总线采用地址/数据复用,使连接其它部件的引脚减少,节约了线路板空间。

    ⑤ 有良好的可靠性和抗振性。CPCI总线的电气性能与PCI兼容,但物理结构和接插件采用与VME相类似的技术,十分适合在抗恶劣环境下使用。

    ⑥ 支持热插拔,即插即用。

    从上述分析可以看出VME总线与CPCI有很多相同的地方:二者都有国际标准支持,都为主从式体系结构,支持多处理器系统,都采用欧洲卡(Eurocard)式外形,有良好的可靠性和抗振性。都具有多个供应商的标准底板、接口芯片及已实现的标准模块。并且二者都有较广泛的应用,如美国的第一代软件无线电采用了基于VME总线的结构,第二代软件无线电采用了CPCI总线。

    2002年出现了新的CPCI标准—ATCA(Advanced Telecommunication Computing Architecture)标准,与以前的CPCI相比它有巨大的优势:

    表2对CPCI计算机和ATCA计算机进行了对比。

    表2  CPCI和ATCA计算机的比较

     

    CPCI

    ATCA

    单板尺寸

    6U´160mm

    8U´280mm

    槽间距离

    0.8 inch

    1.2 inch

    单板功率

    35-50W

    150-200W

    背板带宽

    4Gb/s

    2.4Tb/s

    网络带宽

    OC-3/OC-12

    OC-192/OC-768

    机箱

    300mm450mm

    600mm

    供电系统

    集中转换器

    DC or AC

    3.3V,5V及12V

    分布转换器

    DC

    双48 V

    系统管理

    一般

    先进智能管理

    机架的功能密度

    时钟、更新和测试总线

    机箱功能密度

    计算机采用了ATCA技术,可以带来以下益处:

    ①     性能提高:ATCA的板卡面积约为CPCI板卡面积的2.5倍,而且板卡宽度也加大到1.2"(比CPCI宽0.4"),这使得单张板卡容纳多颗CPU成为可能,使得大容量RAM成为可能,增强了模块处理能力及速度。

    ②     可靠性和可用性提高:电源、风扇、机箱管理控制器、交换槽等均采用了冗余备份机制,确保单点故障条件下系统正常工作,提高了系统的可靠性和可用性。系统平台的可靠度达到99.999%甚至更高,几乎可以提供不间断服务,这一点对于武器系统尤为重要。

    ③     传输速度提高:弃用了并行总线,以交换接口配制成各种拓扑架构作为数据传输网络/接口,背板传输数据的速度最高可达2.4Tb/s。

    ④     良好的兼容性:平台的模块化设计和开放性,提高了系统的兼容性,加强了不同来源模块的互换性。

    ⑤智能平台管理:基于IPMI(智能平台管理接口),ATCA系统的管理性能有了大幅度的提高。通过ShMC(机箱管理控制器),系统管理子系统可以对机箱内的单板、电源、风扇、温度传感器等现场置换单元(Field Replaceable Units,FRUs)进行智能调节和管理,而管理子系统的实体承载采用双IPMB总线,可以确保一条总线失效的情况下系统管理仍可以稳定进行,进一步提高了系统的可靠性。

    (3)外部总线

    外部总线用于主机和外设之间的数据通信,传统的以1553B总线为主。CAN总线由于价格优势及其技术的稳定性,近年来也受到了高度关注,已在装甲车电子系统中得到了应用。

    高速串行总线近两年来不断涌现。主要的如千兆网、StarLink、FibreChannel、RapidIO等,在高端领域逐步得到应用。

    (4)嵌入式软件

    嵌入式计算机软件包括系统软件和应用软件。嵌入式实时操作系统主要以Vxworks和Linux为主。Vxworks已在各种军事系统得到了广泛应用,其可用性、可靠性、实时性都经受了实战应用的验证。近年来,Linux以其具有内核小、功能强大、运行稳定、易于定制、硬件支持广泛等特点,正受到高度关注。

    另外,这些公司还提供图像显示、采集和处理、网络、A/D、D/A、各种串行接口等功能的接口模块,来满足军事应用的不同要求。

    现以DY4为例来分析其产品的情况。DY4定义了三种不同的产品加固级别适用于不同的受保护应用和恶劣环境的军事应用。

    l          0级加固

    用在实验室或开发环境,使用商用的IC,工作温度范围在0℃50℃

    l          100级加固

    用于实际的设备安装环境,工作温度范围在-40℃71℃

    l          200级加固

    用于极度恶劣的设备安装环境如军事应用,工作温度范围在-40℃85℃,少数产品低温可达到-55℃

    DY4产品具备完整快速的板卡级诊断程序,目前的主流单板计算机采用PowerPC750、7400、7410、7455处理器,处理能力很强,板上的外设集成度高,提供丰富的外围接口供用户使用,包括以太网接口、SCSI接口、异步串口、同步串口(支持HDLC)、定时器、看门狗、离散的TTL I/O接口、PMC卡扩展口。具有高性能、自检覆盖率高、功能密度高的特点。在服务方面,DY4提供产品生命周期管理服务,用户可以获得风险降低和方案设计的自由度。

    4军用抗恶劣环境计算机发展趋势和特点

    美国是世界上最早将计算机广泛应用于军事目的的国家。当今,美国军用抗恶劣环境计算机技术的发展仍然代表着世界军用抗恶劣环境计算机技术发展的方向和主流。下文将阐述军用抗恶劣环境计算机发展趋势和特点。

    4.1专用系统向开放式系统转变

    美国过去用于武器系统中的计算机,都采用专用系统,随着计算机技术的发展,以及计算机在武器系统中广泛应用,专用系统阻碍了武器系统的发展,其研制周期长,软件和硬件成本高,可移植性和互操作性差,维护和培训困难,技术也相对落后。

    开放式系统的基本思想是:采用现成的标准微处理器,标准的实时操作系统、通信规程和总线接口。它的优点是软件可移植性好,系统研制周期短,改进、升级较容易,使用和维护方便。

    4.2充分利用商业计算机技术,定制开发军用抗恶劣环境计算机系统

    为解决专用系统研制周期长、风险高、价格贵、升级难的问题。美国军方首先提倡使用商用现成技术及产品,以加快计算机技术更新,缩短周期,降低成本。但商用现成产品变化快,与长寿命的军用装备需求不相适应。从而采取根据军用需求,充分利用先进的商业计算机技术,定制开发军用计算机系统的途径。

    4.3把经济可承受性作为一项重要指标

    武器装备系统中电子信息组成部分占的比例越来越大,必须把“买得起”和“用得起”作为一项重要研制指标。通过采用开放式系统、引入商业现成技术和产品、开发通用硬件模块和软件重用,改进可靠性和可维护性,并努力做到需求规范化、设备系列化、生产规模化,以实现这一目标。

    4.4向高性能、高可靠方向发展

    比如为提高武器系统探测、预警、对抗的实时性和精确打击能力,高端武器系统对军用嵌入式计算机的处理能力提出了新的挑战,对传输带宽、可靠性、抗干扰、信息融合能力等都提出了更高的要求。例如,美国第四代战斗机(F-35)的综合核心处理器(ICP)系统中使用水星(Mercury)计算机系统公司的RACE++系列多计算机系统,该系统具有100至200多个嵌入式处理器,提供信号处理能力达每秒5000亿次浮点(500GFLOPS)运算,数据处理每秒400亿次定点(40GIPS)运算,计算结点网络总带宽24GB/s。为此,嵌入式多处理器并行处理技术、调整数据传输技术、超高速电路板设计等技术正待不断开发和应用。

    4.5向轻型化和微型化发展

    嵌入式计算机在武器装备里面能够占用的空间是十分有限的。这就要求设计者必须减小嵌入式计算机的体积,减轻其重量,同时必须不断提高其性能来满足日益增长的需要。模块化设计基于低成本、商用现成技术、互用和重复使用的硬件和软件模块,可大大降低成本,提高产品性能。另外,可在单个芯片上实现全电子系统的集成(SOC/SOPC),这样的系统级芯片具有信号采集、转换、存储、处理及输入/输出等功能,再植入嵌入式软件,它能够大大降低成本、缩小产品体积、提高产品的可靠性,因此已被称为“未来嵌入式计算机”的基础。因此,高可靠性/高组装密度的通用化设计与组装技术、现场可编程门阵列(FPGA)及片上系统(SOC)设计技术亟待开发。

    4.6向网络化方向发展

    未来战争将会是网络化的战争,任何武器、作战人员都可能是网络中的节点,因此嵌入式计算机在未来战场上是无处不在的。无论是在外层空间,还是天地一体化联网,最终都是通过信息手段实现嵌入式计算机联网。分布式的嵌入计算机联网后,将发挥战斗力“倍增器”的作用,在战场侦察、环境监控、人员与装备定位、人员健康状况监控、战场人员访问信息及部队防护等综合能力都将比独立运行的嵌入式计算机系统有质的提高。

    4.7向功能综合化方向发展

    随着技术的发展,武器信息装备的数字化程度越来越高,嵌入式计算机在武器系统中已不再是一个独立的系统,而是与其应用领域的其它处理设备协同工作、彼此渗透,形成较为紧密的相互耦合与控制关系,如与传感器信息的融合,可以显著提高作战态势的感知能力;在战术通信、电子战与雷达等军事领域,数据处理与信号处理只有通过综合处理系统实现较为紧密的耦合关系,才能达到系统所需要的处理能力与实时性。如美军的四代战机综合处理系统、联合战术无线电系统(JTRS)、数据链端机等都是计算机和通信技术结合的产物。为此,计算机和通信的融合设计技术将不断开发。

    4.8软件功能将会更加强大

    随着武器装备“四化”(信息化、体系化、自主化和智能化)的发展以及网络化作战模式的逐步形成,武器系统越来越成为一种软件密集型装备。软件作为武器系统的重要组成部分,其功能更加复杂、规模更加庞大、研制周期更加紧迫、质量和可靠性要求更高,软件的地位更加重要。例如,美军20世纪50年代的F-4战机中只有4%的功能由软件来完成,60年代美军第二代战斗机F-111的航空电子系统功能有20%是通过软件的实现的,而到2000年,F-22战斗机的80%的功能要靠软件来实现。武器装备的功能将会越来越多由软件实现。

    4.9计算机及网络的安全性将大大加强

    信息安全是军用信息系统的关键。美军在信息安全方面研究力度不断加强。美国国防部、国防科学委员会、国防部高级研究计划局(DARPA)等不断推出极有价值的研究报告。建议采用一致的信息安全体系框架和标准尺度,实施细粒度访问控制,应对拒绝服务攻击,增强入侵指示警告和攻击追查,建立全球信息栅格(GIG)信息保障测试环境等措施,增强信息系统安全性。

    4.10把认知计算机技术列为新军事变革的战略要点技术

    美国军方认为,虽然目前的信息系统对美国国防极为关键,但它们仍然过于复杂,容易出错且排除错误代价大,不安全易于受攻击,需要用户适应它们,而且基本上不够智能。DARPA信息处理技术办公室提出认知计算技术作为战略要点之一。认知计算机系统将有能力对它的环境、目标和自己行为进行推理,能与用户自然地交互,以健壮的方式对意外事件做出反应。

     

    作者简介:刘恩德(1939-),男,河北唐山人,研究员,主要研究方向为计算机系统设计、计算机发展战略研究、计算机安全、计算机抗恶劣环境技术。




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