面向军事的COM-HPC：机遇与挑战

美国军方一直在寻找能够提高军事能力的技术，同时将作战人员的风险降至最低。COM-HPC标准有望增加边缘计算的功能，并迎来新的应用，这些应用将永远改变军事行动的进行方式。在军事用途中采用COM-HPC存在多种机会以及一些挑战。

什么是 COM-HPC？

COM-HPC 是由 PCI 工业计算机制造商集团 （PICMG） 开发和批准的新计算标准，最近于 2021 年初获得批准。该标准适用于高性能计算机模块（COM）。COM-HPC 旨在满足嵌入式计算机和边缘服务器对高速性能的需求。

高性能计算 （HPC） 是聚合计算能力以提供比从典型工作站获得的性能更高的性能的做法。它利用并行计算等技术实时解决传统计算系统无法解决的大型复杂问题。HPC系统用于军事指挥和控制环境，以促进战术作战中心和作战人员之间的通信。

COM-HPC 标准建立在当前的 COM Express 规范之上，以满足对比 COM Express 定义的 440 引脚更多的接口的需求;这种指定的大小限制了功能强大的新边缘服务器的可扩展性，并对其满足工业和军事应用程序要求的能力产生了负面影响。COM Express 标准中定义的连接器也正在达到其最高性能水平：它可以处理 PCIe Gen 3 所需的 8.0 GH 时钟速度和 8 Gbit/秒吞吐量，但可能无法充分运行 PCIe Gen 4、5 和 6 等新进步。

军事高性能计算用途

计算能力的许多军事应用都需要实时收集和处理数据。自 1992 年以来，军方一直对 HPC 感兴趣，当时启动了高性能计算现代化计划 （HPCMP），以履行国会关于实现美国国防部 （DoD） 现代化的指令。其目标是通过使用高性能的计算机硬件和软件来解决现代军事和安全问题。该计划整合了在陆军和海军等各个军事部门的实验室和测试中心进行的超级计算研究。

自 1992 年以来，计算世界发生了很大变化;首先，“云”和边缘计算在当时无处可寻。随着技术格局的发展，军方开始利用云计算等进步。HPCMP的目标之一是开发能够执行高级仿真的系统，作为预测建模的基础。2018年太空部队的引入激发了人们对HPCMP的新兴趣，因为它试图确定技术来协助探索，卫星通信，并最终从卫星和潜在的太空武器系统进行监视和情报。

军方目前以多种方式采用HPC解决方案，因为它发现可靠决策所需的大量数据呈指数级增长。通过使用并行计算和 GPU ［图形处理单元］ 的高级处理功能，HPC 系统可以以大大提高的速度执行计算，以充分利用数据资源。应用包括：

增强的图像处理：需要处理卫星或无人机（UAV）捕获的图像，以提高其提供的信息质量。HPC/GPU 系统处理这些数据的速度比传统的基于 CPU 的系统快 12 到 40 倍。边缘处理对于数据更可用、有效和及时且延迟有限至关重要。目标是将这些系统部署在高处或现场，以消除将数据传输到远程数据中心进行处理的需要。

地理空间智能：借助专用软件和 HPC 硬件，系统可以在几秒钟而不是几天内绘制大面积区域。使用卫星图像和基于 GPU 的系统，可以在不到 20 秒的时间内详细绘制一个 200 平方英里的城市。这种能力对于为军事指挥和地面靴子提供情报至关重要。

SWaP-C 的优势：SwaP-C ［尺寸、重量、功率和成本］ – 所有特性对于设计用于必须易于移动设备且电源可能有限的现场使用的系统都是必不可少的。GPU 技术使系统更小、更轻，功耗更低，同时提供高级计算功能。

坚固耐用的 HPC：现场使用的设备需要符合军用标准，以承受过度振动、冲击和温度。军方还需要电子包装来保护这些资产免受沙子和灰尘等元素的影响。

COM-HPC 在军事用途中的优势

边缘计算，即在现场而不是在集中式数据中心完成处理，在整个工业和军事领域变得越来越重要。外勤人员进行有助于决策的计算的能力，可决定特派团的成败。消除传输要处理的数据的需要可以节省时间并消除可能在处理任务的行动中造成严重延迟的故障点。

COM-HPC提供了一套技术规范，解决了为军事提供最佳计算解决方案而需要解决的许多问题。其中一些包括：

扩展 RAM 功能：COM-HPC 服务器模块设计用于在 8 个 DIMM 插槽中托管多达 1 TB 的 RAM。此配置可将 I/O 性能提高到 256 GB/秒。

更多引脚和接口：COM-HPC 标准中的引脚数量已从 440 个增加到 800 个，几乎是单个模块可以建立的连接数量的两倍。这种提升将以更小的外形提供更多的功能和优势，这将使作战人员受益。

增强的服务器主板管理：通过新的服务器接口实现灵活配置，该接口允许使用薄插槽卡来减小机架系统的尺寸。

这些功能结合在一起，有望提供更高性能的紧凑、移动、多功能和可靠的系统，从而带来更成功的结果。

军事 HPC 系统挑战

不同的挑战影响着 HPC 在军事应用中的广泛采用。一个是网络安全，这个话题会影响所有计算环境，并对军方使用的系统提出额外的关注。HPC系统必须确保数据的安全传输，并消除军事应用受到损害的可能性，从而使任务面临风险。另一个挑战是网络：需要具有数十万个端点和智能传感器的大型网络来实现军方所需的可行边缘计算。验证这些端点和传感器的连接性和安全性是为军事应用实施 HPC 系统的重要组成部分。

HPC难题的另一部分：在开发HPC系统时确定合适的合作伙伴对军事机构至关重要。将优先考虑那些能够展示出提供嵌入式系统功能的记录的公司，这些功能经过加固以符合军事行动的需求。紧跟新趋势和标准，如COM-HPC，传感器开放系统架构（SOSA），模块化开放系统方法（MOSA）或模块化开放RF架构（MORA）也是将用于满足军事计算需求的组织的特征。

高性能计算有不同的风格，例如 GPU 与标准 CPU 处理。还有一个新的PICMG规范正在为基于COM Express系列的小尺寸HPC开发。COM-HPC 具有比 GPU 多一倍的内存、四倍的吞吐量和两倍的扩展能力。（图 1。

［图1 |CPU与GPU的比较。

传统CPU计算密度低，控制逻辑复杂，专为串行操作、流水线浅、低时延而建。另一方面，GPU 处理具有很高的计算密度;每次内存访问执行高计算;可以执行并行应用程序;并具有深度管道、高吞吐量和高延迟容错能力。GPU和COM-HPC的使用将使军事应用受益匪浅。

这里没有延迟

高性能 GPU 处理可以获取 PB 级的大规模数据馈送，并以比传统处理快 12 到 40 倍的速度将战场上的视频数据实时传输给用户。这种巨大的增长使作战人员能够在战场上做出复杂的实时决策，而无需在云中处理数据，从而减少延迟。例如，来自空中监视任务的实时视频数据可以无缝下载到地面车辆上，使作战人员能够加速定位并有效消灭对手。

COM-HPC将使数据能够在边缘云中进行处理和保存，以有效地实时检索信息并将其传播给团队。采用 COM-HPC 服务器将为作战人员提供以非常有效的小外形进行高性能处理的优势，并将降低 SWaP-C 作为设计目标。

随着我们进入21世纪，最有效地利用计算技术的能力很可能是军事争端和活动的决定性因素。国防部将这种情况视为一个严峻的挑战，并试图建立最强大和可靠的基础设施，以使作战人员免受伤害。有了一代人之前无法想象的高性能计算系统，未来看起来是光明的，可以提高我们的安全性，同时限制对任务和作战人员的接触。

审核编辑：郭婷