基于多核处理器的3U架构可降低UAS ISR平台的SWaP

作者：JACOB SEALANDER，AARON FRANK

在情报、监视和侦察 （ISR） 处理中，对减小尺寸、重量和功率 （SWaP） 有着永无止境的追求。传统上，在ISR应用领域所看到的是：复杂的，专业构建的系统往往非常大，功率非常高，难以冷却。

其中许多系统是地面系统。随着时间的推移，更多的人已经进入空中并进入各种不同的平台，如无人驾驶飞机系统（UAS）。当今的系统需要部署在越来越小的平台上，这使得满足传统ISR平台的SWaP目标更具挑战性。

另一个新兴趋势是，即使平台变小，ISR系统的技术要求也不断增长并变得越来越复杂。例如，基于UAS的成像系统需要比过去更高的分辨率和更高的处理水平，需要更高的吞吐量来摄取和分析数据，然后存储和中继信息。其他 ISR 应用也是如此。将这些因素与不断缩减的国防预算和封存等问题相结合，结果是压力越来越大，需要找到经济高效地重用和开发IP的方法，以利用现有技术和架构。

如今，更高的集成度和更高的性能水平有助于满足这些要求。昨天的ISR系统通常包含许多不同的6U处理板，每个处理板都有一个或多个单核处理器。过去，这些系统中的主要处理主力是Altivec数学库支持的电源架构处理器，以及基于DSP和基于FPGA的定制系统。最近，该行业已经看到使用通用计算平台来提供许多这些功能的转变。

这些早期基于6U的多处理ISR系统也倾向于使用许多结构将它们连接在一起，例如以太网，串行快速IO（SRIO），VMEbus，PCI等。在软件方面，已经使用了各种不同的操作环境，包括VxWorks和Linux，以及许多不同的应用程序编程接口（API）用于应用程序开发。此外，自定义库通常是针对特定硬件量身定制的。对于这些早期的系统，热管理是一个挑战：完成工作所需的电路板和硬件越多，所需的功率就越多，产生的热量就越多，解决方案就越重。

如今，纵观英特尔、飞思卡尔和AMD等领先供应商的最新一代处理器，业界看到了将多个处理内核集成到单个芯片中。如今，“最佳点”往往是由当今台式机和笔记本电脑计算世界驱动的双核和四核处理器，但我们也看到了具有更多内核的处理器的出现，例如英特尔的八核超线程至强处理器，或飞思卡尔的12核双线程处理器（具有24个“虚拟”内核处理器）集成到单个芯片上。内核到内核互连结构通常是具有多级处理器缓存的高速总线，以确保处理器在共享公共内存接口时不会挨饿。通过多个内存通道，处理器能够访问大量数据并为处理内核供电。

今天的处理内核还具有专用的加速器，可用于数学密集型过程。例如，电源架构处理器再次采用 Altivec 处理引擎，而英特尔酷睿 i7 则采用 AVX 或 AVX2 指令的矢量处理引擎。更好的是，当前一代设备还具有板载图形加速器，也可以用作通用GPU（GPGPU）处理器，提供超过350 GFLOPS的浮点性能，以及超过20个或更多的GPGPU引擎，所有这些都在一块硅上。所有这些现代处理器的共同点是使用PCIe来提供与外部世界的连接。

基于当今领先处理架构的 3U 处理板可提供 173，000 Dhrystone MIPS 范围内的性能。这与上一代通用6U处理器相比，后者可能提供大约3，000 MIPS，代表了性能的巨大飞跃。例如，今天的Core i7 3U主板还具有内置的Altivec2处理引擎，可提供大约300 GFLOPS。他们的片上图形处理GPU还增加了另外350 GFLOPS。结果是，现在只有一台3U单板计算机（SBC）的处理能力相当于许多上一代6U板。此外，对于板对板数据通信，当今芯片上的内置 PCIe 连接通过使用设备中已内置的结构提供 8 或 16 GB/s 的连接，有利于降低 SWaP。这消除了对额外的结构接口芯片的需求，否则这些芯片将需要安装到3U板上。

小型 ISR 系统示例

基于当今基于多核处理器的 3U 主板的小型 ISR 系统的一个例子，它由三个 3U VPX3-1258 SBC 组成，这些 SBC 采用最新的第四代英特尔酷睿 i7 处理器。使用XMC夹层模块，其中两块板用于采集和数字化传感器输入，而第三块SBC用于进一步处理数据以进行分析、显示和存储。这种三板组合可提供接近 2 TFLOPS 的浮点性能，并且由于这些板基于标准 VPX 外形尺寸，因此整个信号采集和处理内核仅占用 75 平方英寸的面积。与上一代 6U ISR 解决方案相比，热管理也简单得多。此示例系统的功率小于 200 W，在 3U 外形中非常易于管理。

与基于6U的系统相比，3U可部署系统的散热设计更容易的原因之一是电路靠近3U机箱中两个侧面冷却壁中的每一个。通过使用多个SBC，每个SBC都有自己的多核处理器，可以更好地管理机箱中多个模块的热量。通过使用已内置于处理器中的高性能结构（如 PCIe）和优化的软件中间件（如共享内存驱动程序、OFED 和用于优化矢量处理的 VISPL 库），现在可以实现快速开发和部署当今要求苛刻的 ISR 应用程序所需的性能、易开发性和可负担性。

加快 3U VPX ISR 系统的开发到部署

在选择在ISR系统中使用的3U COTS板之后，系统集成商在将解决方案从开发到部署时面临的最大挑战之一是确保这些板在特定设计配置中按预期工作。因此，集成商通常必须将大量时间和精力集中在开发和执行测试软件和流程上，以便将任何商用现货（COTS）板正确集成到其ISR系统中。

预配置、预封装和预测试的 3U VPX ISR 解决方案可提供更好的解决方案。Curtiss-Wright 国防解决方案开发了集成的、预先测试的参考设计，这些参考设计由测试支持工具和数据项提供支持，可用于各种计算机密集型应用（包括 ISR）的现有开发程序中。其3U VPX子系统已经部署在无人机上，包括诺斯罗普·格鲁曼公司的“全球鹰”和“海卫一”。这些参考设计旨在满足特定的关键性能参数 （KPP） 和基准测试，并由一套软件工具提供支持，用于根据程序要求对参考设计进行性能测试。该嵌入式软件基础架构的主要功能还包括系统级内置测试（BIT）解决方案，可配置的压力测试套件，基于硬件的后台BIT和通用测试集基础架构。

审核编辑：郭婷