专为作战人员量身定制的坚固耐用的可穿戴式计算机

坚固耐用的移动数据终端（平板电脑、手持设备等）的设计人员发现，任务的适应性和可扩展性与降低尺寸、重量、功耗和成本 （SWaP-C） 同样重要。与此同时，嵌入式工程师继续寻找摆脱高性能处理器产生的热量的方法。

无论我们谈论的是台式机、笔记本电脑、平板电脑、可穿戴系统还是手持式智能手机，军用加固型计算平台都面临着对更小尺寸、更轻、更低功耗和更低成本 （SWaP-C） 的持续要求。市场和采购压力也在推动更多利用商业技术的商业现货（COTS）设计。

“在坚固耐用的平板电脑世界中，SWaP-C仍然很重要，因为客户希望通过尽可能多的处理和内存来管理重量和功率，”加利福尼亚州范奈斯IEE业务发展副总裁Steve Motter说，“他们还在寻找类似iPad或商用平板电脑的功能， 多点触摸屏、摆动边框和低重量。对许多嵌入式外设和连接的需求与支持水坑中下水淹没的要求的愿望相平衡。我们还看到，对电阻式触摸或电阻式多点触控的持续要求是，操作员能够戴着手套使用平板电脑。平板电脑正在快速增长，因为人们希望将他们通常在台式PC显示器中使用的应用程序移动到移动设备上。我们需要确保显示屏足够大（8到10英寸），以提供更多信息，如气象图、视频和其他交互式应用程序。

“一般来说，在主流计算领域，我们看到了对最新的至强桑迪桥和常春藤桥系列英特尔平台的推动，”爱荷华州海厄瓦萨水晶集团工程副总裁Jim Shaw说。“在嵌入式和可穿戴领域，我们看到对轻巧但功能强大的系统的巨大需求。这些正在应用于可穿戴计算机和无人机（UAV）应用。我们在这个市场上的最新产品是i7-3770S桌面四核加超线程CPU，16 GB DDR3，用于无人机的4磅计算机。

亚利桑那州坦培的黑钻先进技术工程师将电源管理功能整合到其可穿戴的模块化战术系统（MTS）中，该系统适用于可以处理宽电压范围的作战人员，并且“我们在系统的计算元素中利用了这一点，”黑钻先进技术的Norman Lange说。“该系统在一块电池上运行三个盒子。我们开发了电源管理系统，以摆脱多余的电池，并使用单个电池将电源拉入，调节和分配到多个系统。就像商用智能手机一样，当某些功能未使用或设备关闭时，它可以降低功耗。

“手持设备很多时候往往是特定于应用的产品，因此更容易将处理器和内存扩展到应用程序，并具有储备或增长的余地，”Motter说。“他们不需要最快的处理器和最多的内存来完成今天的工作，但希望能够支持未来的应用程序和定制。关于手持设备和加固的一件事是，［它们］只需要处理人类可以处理的东西，因为它居住在作战人员手的末端区域。它不需要满足远远超过人类无法生存的温度范围。电池和单元的尺寸由显示器的尺寸决定;对于小型显示器（3.5英寸），包装具有挑战性;在7英寸的尺寸下，有更多的空间容纳额外的电池和外围功能。

作战人员还希望获得能够根据不同任务进行扩展和调整的计算工具。每个任务还可能要求不同的SWaP要求以及不同的加固需求。因此，坚固耐用的可穿戴计算机设计人员正在设计足够灵活的模块化系统，以满足各种任务和人为因素要求。

“增长最快的外形并不是真正的外形尺寸。它提供了工作所需的最佳尺寸、重量和功率，“佛罗里达州西棕榈滩通用动力 C4 Systems 全球产品销售首席技术官 Mike Stelmat 说，”计算机越小、越轻、能效越高越好。我看到的变化是需要混合搭配各种选项，以最具竞争力的成本提供耐用性和功能的正确平衡。这样，客户只需为完成工作所需的内容付费。在执行任务期间需要发短信、聊天和保持态势感知的下马士兵需要一台轻巧、坚固耐用的计算机，其性能与智能手机非常相似，例如GD300。Stelmat补充说，GD还为移动指挥所的情报分析师提供坚固耐用的计算机，他们需要全级别的处理能力，内存和信息安全。他说，今年早些时候，驻阿富汗的陆军第75游骑兵团使用了GD300，反馈是积极的。

MTS是一种完全模块化的可穿戴计算方法，Lange说。“它是一个模块化的可穿戴电子平台，针对拆卸的精确瞄准，命令和控制，C4ISR，爆炸物处理（EOD）和其他需要计算功能的拆卸任务进行了优化。黑钻石并不真正制造计算机;我们制造武器系统，我们的设计人员由先前的导弹系统工程师组成。我们在人为因素上花的钱比我们系统的任何其他设计属性都多。经验性的最终用户反馈直接提供给设计师。与设计人员编写规范然后与最终用户联系的传统系统不同，我们通过将设计人员嵌入特种部队操作员来缩短该过程。他们与操作员一起生活以获得原始反馈，快速了解系统如何在所有条件下工作 - 雨夹雪和泥泞 - 以及其他设备。

MTS具有超强的可扩展性，用户可以根据任务需求调整系统，朗格继续说道。“如果操作员确实需要呼叫空袭，他可以将其缩小到仅具有导航以及命令和控制功能。该系统具有不同的元素，例如坚固耐用的显示器，GPS模块和战术扩展集线器。战术任务控制器 - 穿在上后背心面板上或与突击/携带包集成 - 包含战术计算核心，系统电源管理器和外围控制器，并且可以与头盔安装的显示器集成。空军，陆军，海军和海军陆战队的各种国防部（DoD）特种作战司令部（SOCOM）人员都使用MTS。大多数是联合终端攻击控制器（JTAC），爆炸物处理人员或控制无人机和无人驾驶地面车辆（UGV）的操作员。MTS是空军特种作战司令部战场飞行员计划的记录。

摆脱热量

对于军事系统设计人员来说，散热来自当今现代处理器的热量仍然是一个挑战。这项任务变得更加困难，因为军方希望产品包装越来越小，从而产生更少的空间来转移卡片或电路板上的热量。

“从最新的嵌入式处理器中获取热量一直是工程师面临的挑战，”威斯康星州麦迪逊市极限工程解决方案（X-ES）总裁兼首席执行官Rob Scidmore说。“对于英特尔处理器来说尤其如此，事实证明，对于最新的英特尔酷睿i7处理器来说，这是一个挑战。对于最新的英特尔酷睿i7处理器，我们［集成］了一种新的散热技术，可以改善从处理器到热框架和机箱侧壁的热量传递;这使我们能够在0.8英寸间距插槽内继续支持高达甚至超过+85°C电源轨的传导冷却应用，同时仍然支持单板计算机上的XMC/PMC模块。

来自俄勒冈州尤金的Versalogic的信用卡大小的猎鹰坚固耐用型计算机使用低功耗的Atom E6x0T处理器，但仍然内置了散热管理功能，Versalogic营销总监Gary Schultz说。“在热建模之后，会进行大量的测试，以确保热量以足够快的速度流向需要的地方，以保持电路板的功能。非常专业的热量接口材料（TIM），机加工的散热片或加热板（以保持平整度，与处理器和支持芯片的顶部完全匹配）和垫片确保它位于正确的高度（不会压碎CPU芯片）;所有这些都结合在一起，使它看起来是一个非常简单的散热解决方案。

“我们一直在通过用于GPGPU和高功率CPU的水冷系统来突破极限，”水晶集团的Shaw说。“水晶有一个水块组件，可以冷却五个C2075英伟达GPGPU。每个 GPGPU 的功耗约为 200 W;但是，我们已将密度从每个 GPGPU 占用两个插槽增加到只需要一个插槽。

液体冷却在军事系统设计人员中越来越受欢迎。“多年来，该行业一直处于箱式冷却的边缘，”派克宇航大客户经理Michael Humphrey说。“许多人不愿意采用液体方法，并试图在转向液体冷却结构之前尽可能多地使用空气。公司通常会在切换之前尽可能地推动空气的使用。在冲击和振动以及沙尘盛行的恶劣环境中运行无疑增加了风扇是关键组件的挑战。

“一旦客户用空气耗尽了所有的可能性，他们中的许多人就会进入新的领域，”派克宇航业务发展经理Dan Kinney说。“液体冷却可以增强两个重要特征：热密度每平方厘米瓦特和总密度。液体冷却确实可以帮助客户处理更高的热密度（即W / cm2）以及总热负荷（例如，从600 W到现在超过1 kW的盒子）。

两相冷却

汉弗莱说，派克宇航公司开发了一种称为两相冷却的热方法，该方法“利用液体向蒸汽的转变 - 汽化的潜热”。“这种转变所消耗的能量 - 热量 - 被蒸汽带到热交换器，在那里热量被散发，蒸汽返回到液体中。派克的SprayCool底盘和两相冷却技术正被内华达山脉用于陆军的直升机自主着陆系统（HALS）。

“两相是将热量从电子设备中拉出的有效方法，”Kinney说。“用非常简单的术语来说：当液体变成像炉子上的沸水一样的蒸气时，它可以产生良好的一致温度。由于几个原因，这种方法非常适合雷达应用。当涉及到热管理系统本身时，两相系统的除热能力转化为更低的流速和更小的储层体积，因此与传统的单相系统相比，产生重量更轻的解决方案。其次，电子封装受益于更低和更均匀的温度，从而提高了可靠性 - 更高的平均无故障时间（MTBF） - 并允许用户最大限度地提高性能。我们已经到达了系统中的一个转折点，在设计冷却架构时，素数开始超越嵌入式盒子。需要冷却的是整个系统，而不仅仅是计算引擎。它不再是关于密封系统中的内容;天线和传感器套件也需要冷却。机身设计师了解这一点，并将整个飞机的适当热管理系统视为减轻重量的一种方式，从而降低燃料成本。

审核编辑：郭婷