Sistemas electrónicos para aplicaciones de defensa

Tamaño, interoperabilidad y coste como requisitos básicos

Soldado de la 101ª Aerotransportada manejando equipos electrónicos. Los Marines ya han modificado sus pelotones para contar con un especialista en drones.

 

Sistemas electrónicos para aplicaciones de defensa

Tamaño, interoperabilidad y coste como requisitos básicos

 

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Más allá de la conocida rugerización, que protege los equipos electrónicos militares ante el maltrato propio de las operaciones, el barro, la temperatura, el polvo o incluso el agua y los golpes, el diseño de estos sistemas se lleva a cabo utilizando componentes que, en muchas ocasiones, están lejos de ser los más modernos del mercado pero que, en todos los casos, están sobradamente probados. Es así porque los requisitos básicos, además del tamaño, el coste o la interoperabilidad, son la seguridad y robustez, en el sentido de que no pueden fallar o bloquearse bajo ninguna circunstancia, por el riesgo que ello supone para sus operarios y para las propias operaciones.

A la hora de especificar las necesidades de sistemas electrónicos para defensa, hay requisitos imprescindibles en los diseños que imponen los destinatarios del producto final:

  • Tamaño reducido
  • Interoperabilidad
  • Coste reducido

Esta serie de requisitos, llevan a los diseñadores a elaborar sistemas con bajo tamaño, peso y consumo, conocidos como SWaP (por las iniciales en inglés de size, weight and power consumption), pero con una gran capacidad de proceso y con uso de estándares de sistemas abiertos.

Otros requisitos fundamentales en este tipo de sistemas son la seguridad y la robustez. Esto ha hecho aplicar las más altas herramientas de seguridad de sistemas embebidos y usar sistemas estándares pre-certificados para las normas de defensa.

En muchas de las aplicaciones de defensa, se necesitan computadores de altas prestaciones. Las aplicaciones para las que se requieren sistemas de Ordenadores Embebidos de Altas Prestaciones o HPEC (High Performance Embedded Computing) dentro del mercado de defensa son variadas, entre ellas:

  • Sistemas de combate de próxima generación
  • Sistemas para misiles controlados o autónomos
  • Radares de campo de batalla
  • Sistemas de gestión de combate
  • Sistemas con sensores para campo de batalla
  • GPS de defensa
  • Drones o UAVs (Unmanned Aerial Vehicles)
  • Sistemas para comunicaciones, comando, control, inteligencia, vigilancia y reconocimiento ó C4ISR (Communications, Command, Control and Intelligence Surveillance and Reconnaissance)

Existen dos maneras de afrontar este tipo de proyectos; con sistemas de montaje en rack basados en bus de datos y backplane estándares, como el tradicional VME (que tras más de 30 años en el mercado sigue siendo muy importante), el Compact PCI o el VPX , más moderno y para aplicaciones más potentes. La otra alternativa, son los sistemas conocidos como COTS (por las iniciales en inglés de Commercial Off-The-Shelf), sistemas cerrados basados en módulos COM (computer-on-module), listos para usar, también conocidos como Extreme Rugged PC.

 

 

La capacidad de supervivencia del VME

Las nuevas necesidades que han ido surgiendo durante el largo ciclo de vida del VME han hecho pensar que este estándar desapareciese, especialmente con la llegada del VPX, pero ha sobrevivido no sólo como actualización de sistemas antiguos introduciendo nuevas placas SBC, sino para sistemas nuevos.

Una de las fortalezas del sistema VME frente al VPX, es la facilidad de uso. Sólo tienes que calcular cuántos slots necesitas para tu aplicación y usar un backplane con el número suficiente de slots. Por el contrario, si necesitas una capacidad de proceso de señal digital complejo o vas a diseñar un sistema de visión que necesite FPGAs de alta velocidad, el VME está limitado.

Entre las posibles aplicaciones para las que sigue siendo apropiado el VME, están radares, sonares y aplicaciones ISR (Intelligence, Surveillance and Reconnaissance). El uso de placas con formato VME obliga a hacer migraciones de procesadores, ampliar las capacidades de E/S en los backplanes y a soportar mayores anchos de banda.En los últimos años se han incorporado los procesadores más potentes de Intel o Freescale PowerPC a placas VME con buenos resultados, por lo que no es fácil prever una obsolescencia cercana para sistemas que no requieran altas prestaciones digitales, a menos que haya problemas de fabricación de interfaces VMEBus en el futuro cercano.

 

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Siendo conscientes de su inclusión y probado valor en cientos de aplicaciones de defensa, marcas como Kontron, siguen invirtiendo para tener una amplia gama de productos dentro del formato VME, como por ejemplo, SBCs (Single Board Computers) con procesadores Intel® Core™ i7  o PowerPC en formato 6U y también anuncian nuevas placas con procesadores ARM de 64 bits de muy bajo consumo.

 

 

CompactPCI. Aprovechando las limitaciones de VME

Entre las aplicaciones de defensa especiales en las que se encuentra el CompactPCI están los submarinos, barcos de defensa, aplicaciones en aviones y vehículos terrestres.Las limitaciones de ancho de banda y de pines de E/S, así como la posibilidad de usar varias CPUs en un mismo backplane y el conocimiento amplio de los diseñadores del PCI, abrieron el mercado de defensa al formato CompactPCI.

Existe en el mercado una amplia variedad de placas en formato CompactPCI de 3U ó 6U entre las cuales están las placas CPU, pero también placas de E/S, comunicaciones, gráficas, Ethernet,…

 

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El estándar CompactPCI es una evolución de la especificación PICMG 2.0, con comunicación serie por el backplane. Las tarjetas de expansión que se conectan pueden hacerlo a través de Ethernet, PCI Express, SATA o USB.

 

 

La fortaleza del VPX

La gran flexibilidad del estándar VPX inicial (VITA 46), con una gran variedad de señales (single-ended, x1, x2, x4, etc.) hacía que hubiera un número elevado de topologías, lo que dificultaba la interoperabilidad entre distintos fabricantes.

Esto llevó a la aparición posterior de la especificación VITA65, conocida como OpenVPX, que solucionó la interoperabilidad entre fabricantes definiendo claramente las opciones de control, datos, expansión, gestión, etc.

El VPX fue adoptado rápidamente por usuarios de arquitecturas VME/VME64x, ya que usa el mismo factor de forma Eurocard 3U ó 6U que el VME/VME64x, con placas de 160 mm. de profundidad, lo que permite que se usen la mayoría de chasis de 19” y elementos mecánicos, pero el backplane será totalmente diferente. También serán diferentes los requisitos de alimentación y será más potente la solución de refrigeración necesaria.

Aunque aún sobreviven los formatos VME y CompactPCI, la expansión del VPX en los últimos años ha sido increíble, hasta el punto de que, según fuentes del mercado de defensa, actualmente se divide en 50% para el VPX (en formatos 3U y 6U) y un 50% para la suma de CompactPCI y VME. (Fuente: Military & Aerospace Electronics. Febrero 2018)

La división del uso del formato VPX entre 3U y 6U se hace en función de los requisitos de espacio que tenga el sistema o las necesidades de refrigeración.

 

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Si la aplicación va a estar, por ejemplo, en un puesto de vigilancia, de comunicaciones o radio, será más apropiado un sistema de 3U, pero si se puede montar en un rack de transporte aéreo (sin muchas limitaciones de espacio) o se va a usar refrigeración por conducción de aire, se suele usar un sistema 6U. También en las aplicaciones que requieren mayor demanda de potencia, con FPGAs o procesadores Xeon de altas prestaciones, por ejemplo, o en aplicaciones de gran potencia (3000 W) con una gestión térmica muy alta imposible de manejar en un sistema 3U, se usará el formato de 6U.La división del uso del formato VPX entre 3U y 6U se hace en función de los requisitos de espacio que tenga el sistema o las necesidades de refrigeración.

Existen plataformas HPEC en formato VPX 3U con refrigeración por conducción o por aire completamente preparadas para aplicaciones de clase de servidor (server class applications), con control de temperatura del aire en cada slot y con posibilidad de mantener en modo standby las placas no usadas para cumplir con los requisitos de bajo consumo.

También conviene destacar la posibilidad de incluir la gestión de alimentación y el control de salud de la plataforma, lo que lo hace muy apropiado para diseños donde el espacio esté limitado.

Una prestación muy importante de las plataformas VPX es la posibilidad de utilización de la virtualización, lo que permite que el desarrollo sea consistente en el tiempo, ya que se puede adaptar fácilmente a futuras evoluciones de CPU, memoria, factor de forma, disponibilidad de E/S, etc.

Los sistemas VPX combinan puertos integrados 10 GbE, y E/S como PCIe, USB, SATA y otras E/S de propósito general en un único sistema.

Con la definición del estándar abierto VPX VITA 46, que define los conectores y la infraestructura del backplane para alcanzar transferencia de datos por encima de 1 Gbit por canal físico, se logró implementar las prestaciones más avanzadas del mercado de los servidores y PCs. En la actualidad, VPX es capaz de alcanzar los ratios de transferencia de datos de las últimas versiones de dos de los protocolos más importantes: PCIe gen3, con 8 Gbits/s y Ethernet a 10 Gbits/s. Esto es posible gracias al uso de backplanes de calidad alta y productos basados en procesadores tipo Intel® Xeon D-1500 dual core u octal-core, como por ejemplo, en las placas VPX 3U modelos VX3052/VX3058 de Kontron.

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La posibilidad de tener varios puertos Ethernet 10Gbits en el mismo sistema gracias a placas VPX de switch, puede permitir tener hasta más de 20 placas CPU computando en paralelo e intercambiando datos entre ellas a una velocidad superior al Gigabit.

Un ejemplo de este tipo de sistemas lo ha lanzado al mercado Kontron. Es su modelo StarVX, un sistema con 6 placas CPU con Intel Xeon D1548 octal core, comunicadas a través de una placa switch de 10 Gbits, con entrada de datos de los sensores a través de un enlace Ethernet 40 Gbits QSFP+.

 

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Si se necesitan velocidades más altas de transferencia de datos entre CPUs o aceleración gráfica con GPGPUs, se puede conseguir por medio de los interfaces PCIe x8 gen3, que pueden proporcionar un ancho de banda utilizable de más de 5 Gbytes/s.

 

 

Aplicaciones listas para usar basadas en COMs (Computer-on-modules)

Esta alternativa de diseño, posibilita el uso de sistemas de tamaño reducido, adaptados a espacios limitados en aplicaciones de defensa, y con la garantía de asegurar un largo ciclo de vida, al mantener la placa madre diseñada con un zócalo compatible con un estándar como, por ejemplo, el COM Express, lo que permite actualizar a módulos con más o menos potencia de computación y menor consumo, en caso necesario.

Este tipo de soluciones permiten que la inversión realizada en el diseño del sistema pueda ser amortizada a largo plazo, ya que la actualización del sistema es muy simple, solamente cambiado el COM, evitando costosos y largos procesos de recalificación del diseño.

Otro punto importante de estos sistemas es su efectividad para gestionar los problemas de temperatura existentes en entornos de uso de defensa. Esto se consigue con el uso de chasis pre-certificados para operaciones robustas, fabricados para cumplir con las prestaciones exigidas por las normas MIL-E-5400 (exigencias térmicas), MIL-901D (exigencias para choque) o la MIL-STD-810F (requisitos de vibración).

Un ejemplo de este tipo de sistemas es el COBALT de Kontron, un sistema rugerizado que utiliza módulos COM Express Type 6 con procesadores Intel Dual Core, insertados en una placa madre integrada en un sistema con chasis IP67, que le permite operar en condiciones duras, incluyendo temperaturas extremas (-40 hasta +71ºC), choques vibraciones e interferencias electromagnéticas (EMI), lo que lo hace apropiado para uso en sistemas tales como vehículos o helicópteros de defensa.

 

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Una característica muy importante de este sistema COBALT de Kontron es la inclusión en su diseño de un circuito de apagado rápido (Rapid Shutdown) para proteger al sistema y permitir su supervivencia ante un posible ataque con pulsos de energía electromagnética de alta potencia (EMP). El uso de este tipo de armas (HPEM weapons) permite, teóricamente, mediante una ráfaga corta de EMP o fuertes perturbaciones electromagnéticas, dañar o destruir sistemas electrónicos objetivo como pueden ser radares, equipos de comunicaciones, aviones, etc. El estudio de este tipo de armas está aumentando en los últimos años, proporcionado importantes contratos, como el suscrito recientemente por Raytheon con la US Air Force por un valor de 15 millones de dólares.

Estos sistemas, para soportar vibraciones y choques deberán incluir sistemas de almacenamiento de datos tipo SSD, como por ejemplo RSSDs (Removable Solid State Drive), que pueden ser insertados y conectados en conectores especialmente diseñados para asegurar la fiabilidad después de miles de inserciones. El diseño del RSSD debe incluir algún  tipo de anclaje que permita que el chasis siga cumpliendo con el grado de protección IP67 una vez insertado y anclado.

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El reto de la refrigeración y la gestión térmica

Uno de los retos más importantes en los sistemas de uso de defensa es la gestión de la temperatura para poder trabajar en las exigentes condiciones de este tipo de aplicaciones.

Como hemos visto en el punto anterior, los sistemas rugerizados acabados, basados en COMs, pueden llegar a funcionar sin ningún tipo de refrigeración ni ventilación, usando un complejo y muy avanzado sistema pasivo de refrigeración a través de la carcasa, con disipadores que llevan el calor de los componentes principales (CPU, GPU, Chipset, etc.) hasta el exterior, por medio de difusores (heatspreaders) y disipadores (heatsinkers).

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En el caso de los sistemas más potentes (los HPEC de 3U ó 6U VPX) la gestión térmica y la refrigeración suele ser un problema. En este tipo de plataformas se usan técnicas de refrigeración estándares industriales entre las cuales están la refrigeración de altas prestaciones con aire, con líquido o un híbrido de ambas.

La refrigeración por transferencia de aire a través del sistema (air-flow-through) hace necesario el sellado de componentes en las placas para evitar la contaminación, ya que se usa aire soplado en cada placa para refrigerar individualmente cada una de las placas del sistema. Este tipo de refrigeración se usa generalmente en sistemas con hasta 250 W de consumo, y es una alternativa a la tradicional conducción de aire.

 

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Por encima de los 300 vatios, se suele usar refrigeración con líquido (liquid-flow-through), lo que abre también más posibilidades de usar otros materiales no metálicos para el chasis, para reducir tamaño y peso, como pueden ser polímeros y composites.

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Como alternativa, se puede utilizar un híbrido de ambas refrigeraciones con control de temperatura, haciendo funcionar la refrigeración por líquido en condiciones más extremas.

 

 

La mejora del rendimiento debida al uso de las GPUs y GPGPUs

Los ordenadores con misiones de visualización desempeñan un papel cada vez más importante en el mundo de defensa, con aplicaciones visuales como mapas digitales en movimiento, reconocimiento de la situación en 360º, formación/entrenamiento en el terreno y trabajo en entornos visuales complejos. Estos sistemas son diseñados con altas capacidades gráficas capaces de manejar múltiples displays y recibir video de diferentes fuentes como satélites, UAVs, cámaras de vigilancia, radares, etc. La imagen utilizada puede ser una combinación de la entrada de múltiples sensores, generación de mapas de vídeo digital, simbología y metadatos provenientes de muchas otras fuentes. Gracias a las GPUs (Graphics Processing Units) en conjunto con las CPUs se ha aumentado la capacidad de los sistemas de procesamiento considerablemente.

Estas son algunas de las áreas en las que las GPUs están demostrando una mejora del rendimiento sustancial (Fuente: NVIDIA):

  • Procesamiento de imágenes: Las GPUs aceleran todas las funciones que intervienen en el procesamiento de imágenes, entre ellas, la georrectificación, filtrado, detección de cambios, reconstrucción en 3D, etc. Para ver el impacto de la cantidad de imágenes a tratar en este campo, un simple dato. Las imágenes geoespaciales suministradas por los satélites cubren 5 veces la superficie de la tierra.
  • Videovigilancia: Las GPUS son una gran herramienta para procesar y analizar el vídeo por medio de algoritmos a medida que se van captando las imágenes. Como ejemplo, el Departamento de Defensa de EE.UU. recoge unas 10.000 horas de vídeo al mes de zonas en conflicto, como Irak o Afganistán.
  • Procesamiento de señales: Los sensores modernos tienes cada vez más capacidad de generar datos. Poder asimilar la capacidad de los sensores e integrar esos datos con otras fuentes en tiempo real es algo que se realiza con ayuda de las GPUs, que proporcionan la velocidad necesaria para realizar este trabajo de altas prestaciones.

Aunque en los años anteriores, la función de mezclar video se realizaba combinando las diferentes señales en una FPGA, la complejidad de la programación de estas, y los avances en las capacidades de las GPUs, con mayores prestaciones y ancho de banda, las han convertido en el reemplazo perfecto.

Las GPGPUs (General Purpose Computing on GPUs) han ido aumentando su presencia en el mundo de los sistemas embebidos, gracias a sus capacidades de aceleración de procesamiento gráfico para sensores de alta resolución y displays. La posibilidad de programar estos dispositivos con aplicaciones como NVIDIA CUPADirectCompute u OpenCL les han dado también una ventaja respecto a las FPGAs.

 

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Un ejemplo de estas placas lo encontramos en la VX3327 de Kontron. Una placa que incluye la GPGPU AMD Radeon E6760 y 480 cores a 600 MHz con 1GByte de DDR5, lo que le permite ejecutar hasta 576 GFlops (576 x 106 floating point operations per second).

También han ido apareciendo nuevas generaciones de CPUs con la GPU integrada, lo que permite tener procesamiento gráfico de video y multicore en un producto energéticamente eficiente.

Un ejemplo de estos procesadores es la familia Intel “Skylake” Xeon de 7ª Generación. Por ejemplo el Intel Xeon E3-1505L proporciona 4 cores trabajando a 2,0 GHz con 256 GFlops de prestaciones de vectores AVX2. Incluye, además, una GPU acoplada Intel HD Graphics P530 de 24 núcleos que incluye una prestación de pico de hasta 403 GFlops. Esta GPU puede manejar tres canales DVI de alta resolución independientes o tres salidas de video DisplayPort simultáneamente.

 

 

Sistemas operativos (convencionales o en tiempo real) y herramientas IDE

La robustez del sistema operativo es un punto fundamental para los sistemas de defensa. Este sistema operativo, en función de la criticidad de la aplicación deberá ser de tiempo real o convencional (entiéndase por convencional un sistema operativo que no sea en tiempo real).

De este modo, es habitual el uso de sistemas operativos como VxWorksLynxOS e Integrity RTOS para los sistemas operativos en tiempo real y diferentes distribuciones de Linux para los convencionales, como por ejemplo, Sysgo, Wind River, LynuxWorks™, TimeSys, etc. Es fundamental que el fabricante de las placas/sistemas proporcione los paquetes BSP (Board Support Package), que facilitarán considerablemente el desarrollo de las aplicaciones y el tiempo en llegar al mercado (time to market).

También es muy importante, especialmente para temas de coste y de tiempo al mercado, que el software suministrado por el fabricante sea compatible con herramientas de desarrollo muy extendidas y de uso habitual como el framework Eclipse®. Aquí podemos encontrar múltiples ejemplos de IDEs, como Luminosity de Lynx Wind River Workbench®.

 

 

Seguridad

La seguridad digital es uno de los asuntos más importantes en las aplicaciones de defensa. Así se han desarrollado herramientas seguras basadas no sólo en software, sino también en hardware.

Así podemos encontrar diferentes soluciones basadas en elementos TPM (Trusted Platform Module) como elementos de arranque seguros, que detectan posibles alteraciones de software y protegen a los sistemas en el arranque o comunicaciones seguras (SSL/TLS) que hacen autentificación hardware durante la comunicación.

También se han desarrollado aplicaciones que con un elemento hardware seguro comprueban la integridad de la aplicación y la confidencialidad de la misma.

Además, hay herramientas exclusivamente software que protegen los dispositivos de almacenamiento encriptando el contenido o permitiendo  sólo el arranque de software firmado digitalmente desde el firmware de la BIOS.

 

 

Alimentación

Aunque no entremos en detalle en este apartado, es fundamental el uso de sistemas de alimentación que cumplan con los diferentes estándares de defensa, que definen las especificaciones particulares de este mercado.

Por ejemplo, la norma MIL-STD-461 para medir las emisiones electromagnéticas, que pueden interferir en el resto de elementos del sistemas o la MIL-STD-1275, que establece los requisitos a seguir en temas electrónicos cuando la alimentación del suministro es de 28V, con el objetivo de garantizar que los productos electrónicas puedan trabajar correctamente, soportando las variaciones de tensión típicas (picos). Otro ejemplo es la MIL-STD-704A que hace referencia a las características de la potencia electrónica de las aeronaves y cubre temas como el voltaje, la fase, la frecuencia o el factor de potencia entre otros casos.

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