Стандарт VPX: шлях до зрілості

15.09.2016

Стандарт VPX: шлях до зрілості

Почавши свій шлях як наступниця технології VME для нових і перспективних проектів в оборонних програмах, системна архітектура VPX вступила в пору зрілості. У своєму сучасному вигляді VPX – це розвинутий стандарт, який користується серйозною підтримкою на ринку і дозволяє створювати ефективні бойові рішення екстра-класу, які майже неможливо створити ні на який інший технологічній основі.

Строго кажучи, під терміном «VPX» слід розуміти не конкретну специфікацію асоціації VITA: «VITA 46». Це велика серія пов’язаних стандартів, які описують питання архітектури, системотехніки, механіки, альтернативних системних з’єднувачів, методів охолодження і обслуговування систем на рівні ТЕЗов для бойових вбудованих систем.

До розгляду такого складного і масштабного явища, як VPX, можна підходити з різних сторін. У тому числі з історичної. До початку 21-го століття технологія VME виявилася в еволюційному глухому куті, вичерпавши всі істотні можливості розвитку. Ініціатива VME Renaissance асоціації VITA мала своєю основною метою підвищення пропускної спроможності VME-сумісних систем, оскільки саме пропускна здатність шини VMEbus була на той момент (і залишається донині) найбільш проблемним місцем класичної архітектури VME.

На першому етапі «ренесансу VME» був придуманий протокол 2eSST (специфікація VITA 1.5), завдяки якому швидкість паралельного інтерфейсу VME вдалося підняти до 320 Мбайт / за. Потім була розроблена специфікація VITA 31, що описує реалізацію в крейти VME якоїсь подібності високопродуктивної системи CompactPCI PICMG 2.16 з підключенням плат до швидких внутрішньосистемним каналах GEthernet через стандартний роз’єм VME64x P0 (по два порти GEthernet на один роз’єм).

Надалі з’явилася можливість залучати для організації взаємодії між слотами не тільки GEthernet, а й інші передові комунікаційні технології, такі як InfiniBand, Serial RapidIO, 10 GEthernet і PCI Express. Відповідний стандарт, який отримав назву VXS (специфікація VITA 41), визначив роз’єм P0 нової конструкції, який дозволив забезпечити підтримку до чотирьох найшвидших 10-гігабітних портів на одну плату, але призвела до часткової втрати механічної сумісності з вихідної системної архітектурою VME.

В середині «нульових» стало остаточно ясно, що традиційна версія системної архітектури VME з усіма її модифікаціями не має майбутнього в довгостроковій перспективі. На цьому історичному тлі пролунав заключний акорд програми VME Renaissance: асоціація VITA (http://www.vita.com) схвалила специфікацію VPX (VITA46), остаточно порвати з вихідної архітектурою VME в плані механіки системного роз’єму, електрики і протоколів передачі даних.

Операція «Наступник»

Як вже говорилося вище, стандарт VPX мав підвести логічний підсумок програмі VME Renaissance, акцент в якій було зроблено на підвищення внутрісистемної пропускної здатності для VME-подібних систем. Однак розробники нової магістральної-модульної архітектури з числа компаній, що входять в консорціум VITA, бажали використовувати надала їм шанс по максимуму. Поряд з простим збільшенням швидкостей обміну між платами, вони збиралися вирішити ряд інших давно назрілих проблем, які не представлялося можливим вирішити в рамках класичних магістральної-модульних стандартів на кшталт VME і CompactPCI.

На думку творців, архітектура VPX повинна була підтримувати ті ж типорозміри 3U і 6U (мал. 1, 2), що і її попередниці, але базуватися на інших системних роз’ємах, оскільки успадковані роз’єми VME і CompactPCI володіли поруч непереборних недоліків. Основний з них – мала смуга пропускання для підтримки сучасних послідовних технологій обміну даними.

Рис. 1. Кондукционный модуль формата 6U VPX серверного уровня

Мал. 1. Кондукційний модуль формату 6U VPX серверного рівня

 

Рис. 2. Кондукционный модуль формата 3U VPX с многоядерным процессором

Мал. 2. Кондукційний модуль формату 3U VPX з багатоядерним процесором

 

Крім того, претендуючи на статус ключової технології для клієнтів з оборонної й аерокосмічної галузей, VPX повинна була бути готовою до застосування в проектах з життєвим циклом, що обчислюється десятиліттями. Це зобов’язувало її авторів створити заділ на майбутнє і передбачити в новому стандарті підтримку високошвидкісних послідовних внутрішньосистемних з’єднань на основі як вже існуючих (наприклад, 10 GEthernet), так і перспективних високопродуктивних комунікаційних технологій (40 GEthernet, 100 GEthernet).

При цьому системи на основі архітектури VPX повинні були стати комфортним середовищем проживання для потужних процесорів поточного і наступних поколінь, що вимагало передбачити ефективне відведення тепла від окремих модулів. Було дуже бажано також, щоб платформа, що йде на зміну VME і CompactPCI, стала відповіддю на сподівання абсолютної більшості власників бойової комп’ютерної техніки, давно мріяли про можливість безпечної заміни добре захищених окремих модулів в польових умовах.

Не буде великим перебільшенням сказати, що новий системний роз’єм є центральним структурним елементом всієї будівлі VME і багато в чому визначає ключові споживчі властивості цієї системної архітектури. Новий роз’єм орієнтований на використання високопродуктивних комунікаційних технологій на зразок 10 GEthernet, PCI Express, Serial RapidIO і InfiniBand. Для сумісності з успадкованими системами VME на роз’ємі «распінована» класична шина VME. Тому постачальники обладнання іноді підносять VPX як глибокий тюнінг VME-рішень, що вірно лише частково.

Проте сильна зв’язок між VPX і VME очевидна. Ці системні архітектури ріднить орієнтація на одні і ті ж додатка (переважно оборонні та аерокосмічні), а також підтримка з боку одних і тих же виробників, які, власне, і просувають стандарт VPX на ринок в якості заміни і «продовжувача справи VME». Подібно виробам VME, вироби VPX можуть існувати в захищених версіях, розрахованих на експлуатацію в екстремальних умовах. В даному відношенні VPX йде багато далі VME, оскільки підтримує таку ступінь захищеності на рівні плат, яка дозволяє замінювати окремі модулі «в полі» без прийняття особливих заходів обережності і участі висококваліфікованого обслуговуючого персоналу (стандарт VPX REDI).

Крім того, системна архітектура VPX близька до VME в тому сенсі, що вона близька до користувачів VME. Існуючим користувачам вона пропонує найбільш природний і ефективний шлях в майбутнє на правах офіційно оголошеної наступниці VME. Якщо ж вести мову про освоєння з нуля, тобто про нових користувачів, архітектура VPX може виявитися навіть простіше VME, оскільки технологічно набагато сильніше пов’язана зі світом загальногромадянських систем, наслідуючи з цього світу найбільш розвинені технології передачі даних.

Стандарт з людським обличчям

Може здатися, що через відсутність сумісності між архітектурою VME і VPX на фізичному, електричному і програмному рівнях освоєння технології VPX є справа складна й дорога, проте це не так. VPX вельми дружня до користувача в силу однієї важливої ​​обставини: з точки зору застосовуваних базових технологій типова VPX-система набагато ближче до світу звичайних настільних ПК, ніж система VME. У типовій VPX-системі немає екзотичної шини VMEbus, а все інше здебільшого запозичене з ринку настільних комп’ютерів і серверів.

Основна маса обладнання VPX будується на базі тих же x86-сумісних процесорів, модулів пам’яті і периферії і спирається на ті ж інтерфейсні та комунікаційні технології (PCI Express, GEthernet, USB, HDMI / DisplayPort), що і настільні системи. Навіть потужні мультипроцесорні комплекси в стандарті VPX, при всій їх новизні і унікальності, – це, по суті, не що інше, як звичні обчислювальні кластери, де роль окремих комп’ютерів грають VPX-модулі, а межмашинного (межмодульного) взаємодія, як і раніше, здійснюється по каналах GEthernet, виконаним не у вигляді кабелів, а у вигляді доріжок на об’єднавчої магістралі.

Як наслідок, левова частка праці по створенню типової VPX-системи не вимагає якихось сакральних знань, які набуваються лише за довгі роки роботи в спеціальних областях над спеціальними проектами і стає можливою експертами по цілком звичайним системам настольно-офісного класу.

Стандарт VPX допускає використання різних комунікаційних технологій для організації взаємодії між платами. Однак на практиці внутрішньосистемний обмін найчастіше організовується за допомогою звичних технологій GEthernet і PCI Express. Легко зрозуміти, чому це так: абсолютна більшість що випускаються в даний час VPX-модулів будується на базі сучасних x86-сумісних процесорів, чиї чіпсети підтримують технологію PCI Express за умовчанням.

При найближчому розгляді дружніми виявляються навіть ті аспекти технології VPX, які не мають ніяких аналогів на ринку масових комп’ютерів. Ми маємо на увазі перш за все стандарт VPX REDI, що визначає використання захищених модулів в герметичних корпусах з кондуктивним або рідинним охолодженням. У світі ПК немає нічого схожого на VPX REDI, однак цей стандарт розроблявся спеціально для того, щоб гарантувати граничну простоту і зручність взаємодії з обладнанням для недосвідченого користувача.

Отже, ні відсутність зворотної сумісності з VME, ні принципово нова функціональність не можуть вважатися факторами, які ускладнюють освоєння системної архітектури VPX. Проте аж до недавнього часу труднощі з освоєнням VPX виникали у багатьох клієнтів. І обумовлені ці складності були несумісністю обладнання в рамках самої екосистеми VPX.

Свобода чи вседозволеність?

Повітря свободи зіграв з авторами стандарту VPX злий жарт. Творці VPX так сильно прагнули вирватися за тісні рамки VME, що трохи переоцінили потреби ринку в свободу вираження поглядів з боку постачальників устаткування. Бажаючи забезпечити охоплення максимально широкого діапазону кінцевих додатків, автори нового стандарту зробили його воістину всеосяжним – і, як не дивно, саме це стало серйозною перешкодою на шляху VPX до широкого визнання. Кілька надмірна свобода маневру, закладена в специфікацію VITA 46, приводила до того, що обладнання одного виробника виявлялося несумісним з обладнанням іншого виробника. В результаті більш-менш закінчені проекти вдавалося реалізовувати лише на базі виробів одного постачальника: Kontron, GE IP, Curtiss Wright або кого-то еще.

Ентузіасти – і таких було чимало – не бачили в цьому нічого страшного, однак переважна більшість «нормальних» користувачів такий стан справ не влаштовував. Розробники, які звикли брати найкращі сумісні продукти з різних джерел і швидко створювати мультивендорної кінцеві системи, оптимально «заточені» під конкретні прикладні завдання, були де-факто позбавлені такої можливості. Несумісність між VPX-виробами різних виробників мала місце, головним чином, на системному рівні, більш конкретно – в таких найважливіших аспектах, як призначення контактів в роз’ємі і організація тильного введення-виведення.

Теоретично VPX, як і всякий пристойний стандарт, повинен був забезпечувати беззастережну сумісність задовольняють йому продуктів від різних постачальників, на практиці ж такої сумісності не спостерігалося, бо специфікація VITA 46 занадто багато залишала на розсуд виробників. Виходило, що свобода творчості постачальника обладнання йшла на шкоду ринкової свободи дій клієнта. З урахуванням орієнтації технології VPX на оборонні та аерокосмічні додатки цей момент служив серйозним стримуючим фактором на шляху впровадження VPX.

Склалася досить дивна ситуація, коли в цілому ідеологія VPX влаштовувала всіх учасників ринку, але практика роботи з VPX не влаштовувала майже нікого. Відсутність сумісності між виробами різних виробників призводило до того, що ринок VPX був малоконкурентную, а ціни на нього – порівняно високими. У підсумку в середовищі розробників досить швидко утвердилася думка, що VPX – це складно, незручно і дорого. Найсумніше, що не всі носії подібних уявлень були людьми упередженими.

Дорожнеча обладнання VPX була обумовлена ​​не тільки слабкою конкуренцією між виробниками. Далеко не завжди з одного джерела можна було отримати всі комплектуючі, необхідні для побудови системи з конкретними властивостями. Як правило, в продуктовому портфелі кожного окремого виробника присутнє майже все, що потрібно, а решту він був готовий розробити спеціально для замовника за окрему й чималу плату, і те, що повинно було виглядати як закупівля плат, перетворювалося в замовлення проектного рішення.

В результаті страждали як клієнти, позбавлені можливості вільно конфігурувати свої VPX-системи, так і постачальники, які продають обладнання стандарту VPX в менших обсягах, ніж їм би хотілося. Невдоволення ситуацією, що склалася призвело до того, що компанія Mercury Computer Systems і ряд інших відомих виробників обладнання для оборонних систем зробили спробу безпосередньо домовитися один з одним про те, як забезпечити сумісність випускаються ними продуктів на рівні систем. Так по сусідству з VITA виникла альтернативна організація OpenVPX, що проголосила своєю метою усунення проблеми несумісності. До цієї організації увійшли ті виробники, яких не влаштовували поточні темпи зростання ринку VPX і які були готові слідувати спільно виробленим правилам, направленим на забезпечення сумісності апаратних засобів з різних джерел. В результаті на світ з’явилася специфікація OpenVPX, яка спочатку існувала поза рамками VITA, так як, по суті, була створена іншим консорціумом. Згодом об’єднання виробників OpenVPX було легалізовано в форматі одного з комітетів VITA, а стандарт OpenVPX отримав статус специфікації VITA 65.

Свобода через самообмеження

Стандарт OpenVPX був покликаний «модернізувати» технологію VPX таким чином, щоб на її основі могла розвинутися конкурентне середовище, яке б сприяло зниженню цін і забезпечувала сумісність обладнання з різних джерел. Подібні екосистеми, що виникають навколо відкритих промислових стандартів, дозволяють користувачам оптимізувати кінцеві рішення за рахунок вільного, без оглядки на відсутню проблему сумісності, вибору тих виробів, які найкращим чином підходять для конкретних завдань.

В даний час продукти, що задовольняють стандарту OpenVPX (VITA65), пропонуються усіма ключовими гравцями сегмента VPX. Сьогодні невигідно розробляти і виробляти нові вироби тільки за базовим стандартом VPX, без урахування вимог OpenVPX.

Межі свободи

Специфікація VITA 65 пропонує набір шаблонів (профілів), яким повинні відповідати частині VPX-системи (процесорні модулі, плати вводу-виводу, об’єднавчі магістралі), щоб коректно функціонувати в її складі. Фактично, в багатовимірному просторі можливостей, що надаються базовим стандартом VPX, виділяються і конкретизуються деякі області з досить чітко окресленими кордонами, відповідні найбільш поширеним типам продуктів і сценаріями їх застосування. І ідея свободи, загнана в ці рамки, стала нарешті конструктивної ринковою силою. Тепер виробник, який бажає розробити модуль з деякою функціональністю, знаходить в стандарті OpenVPX потрібний профіль, створює продукт з задовольняє цим профілем розводкою висновків і відображає даний факт в описі вироби у вигляді буквено-цифрового коду. На підставі цього коду користувач може визначити, з якими продуктами інших виробників має бути сумісним дане конкретне виріб, і прийняти зважене рішення щодо його купівлі.

Руками чіпати!

Ще одна перевага технології VPX, що дозволяє витрачати бюджет більш ефективно, – це стандарт VPX REDI (VITA 48), що визначає модулі в герметичних захисних кожухах (рис. 3). Автори специфікації VITA 48 стандартизованих різні види охолодження: повітряне, кондуктивно, потоком рідини, розбризкуванням. У замовних кастомізованих системах все це використовувалося і раніше, але коштувало чималих грошей. Специфікація VPX REDI вперше дозволила реалізовувати просунуті схеми охолодження на основі стандартних серійних апаратних засобів від різних виробників за значно менші гроші.

Рис. 3. Универсальная система VPX 3U с защищёнными коннекторами

Мал. 3. Універсальна система VPX 3U з захищеними коннекторами

Не секрет, що для бойової комп’ютерної техніки, терміни експлуатації якої обчислюються десятиліттями, загальна вартість володіння може багаторазово перевищити початкові витрати на розробку, закупівлю обладнання, інтеграцію і написання програмного забезпечення (ПО). Стандарт VPX REDI відображає концепцію дворівневої підтримки (2-level maintenance), покликаної зменшувати вартість володіння за рахунок виключення з процесу обслуговування одного етапу. Традиційно користувачі оборонних комп’ютерних рішень замінювали вийшов з ладу крейт цілком з усім вмістом. Несправна система демонтувати, після чого або відправлялася до виробника, або просто викидалася, а на її місце встановлювалася справна.

При використанні обладнання, що задовольняє стандарту VPX REDI, кінцеві користувачі можуть мати справу з вмістом крейта і замінювати окремі несправні модулі в його складі, що набагато зручніше, швидше і дешевше. Крім того, завдяки герметичному виконання модулів VPX REDI з ними можна працювати без спеціального електростатичного захисту в умовах, далеких від лабораторних.

Закриті кожухи, передбачені стандартом VPX REDI, надійно ізолюють друковані плати від електричних, механічних і кліматичних зовнішніх впливів і дозволяють здійснювати заміну модулів без участі висококваліфікованого технічного персоналу. Заміна може проводитися людьми, які не мають взагалі ніяких навичок поводження з комп’ютерною технікою. По суті, стандарт VPX REDI дозволяє звести весь комплекс операцій з обслуговування розгорнутих систем до найпростішої послідовності дій: вилучення несправного модуля і установки на його місце справного.

У стандарті VPX REDI знайшли своє втілення давні сподівання військових з приводу того, щоб типовим елементом заміни був б не крейт, а захищений модуль, для вставки / вилучення якого не був би потрібний кваліфікований обслуговуючий персонал.

Альтернативи

Технологія VPX здатна забезпечити перевагу в практично будь-яких додатках, що відносяться до сегментів високопродуктивних оборонних, аерокосмічних і відповідальних систем. Особливо велику користь VPX приносить в тих завданнях, які добре розпадаються на окремі частини і можуть бути вирішені шляхом побудови мультипроцесорних конфігурацій з широкосмуговим зв’язком між окремими центральними процесорами (ЦП). Якщо обробки дуже багато і при цьому вона не повинна бути локалізована в одному процесорі, VPX буде прекрасним вибором, оскільки ця технологія дозволяє створювати добре масштабовані Сільносвязанная системи з величезним числом обчислювальних вузлів.

Хоча у всій красі переваги VPX проявляються саме в кондуктивних рішеннях (мал. 4), це не применшує значення VPX як технології для побудови високонадійних високопродуктивних систем з повітряним охолодженням (мал. 5). Для завдань вищої продуктивності, різних DSP-подібних і групових застосунків дуже важливі численні швидкісні лінії зв’язку між частинами системи. Такі системи не можна побудувати на обладнанні CompactPCI або VME, яке в принципі не здатне забезпечити достатній рівень внутрікрейтовой пропускної здатності. Багатопроцесорні комплекси в стандартах CompactPCI або VME завжди будуть слабкіше VPX-систем просто в силу обмеженості відповідних системних архітектур. При цьому системи CompactPCI і VME ще й будуть менш надійні, що важливо з урахуванням особливостей тих прикладних областей, які входять в сферу інтересів всіх трьох стандартів.

Рис. 4. Универсальная кондукционная система VPX 3U

Мал. 4. Універсальна Кондукційний система VPX 3U

 

Рис. 5. Типовые конвекционные платформы VPX 6U

Мал. 5. Типові конвекційні платформи VPX 6U

 

На технологічній платформі VPX можна вирішувати чи не всі мислимі завдання, що вимагають високошвидкісного зв’язку між компонентами системи і гнучкості при організації внутрішньосистемних з’єднань (підтримки різноманітних інтерфейсів). Стандарт CompactPCI Serial не дозволяє створювати багатопроцесорних, оскільки технологія PCI Express успадкувала від шини PCI архітектурний принцип виділеного хоста. В архітектурному відношенні система CompactPCI Serial є, по суті, звичайний комп’ютер з одним ЦП і периферійними платами. І, зрозуміло, стандарт CompactPCI Serial допускає використання лише одного методу організації внутрішньосистемних з’єднань, тоді як VPX підтримує мінімум чотири таких методу.

Стандарт VPX дозволяє будувати будь-які конфігурації: мультімашінние (рис. 6), мультипроцесорні, мультипроцесорні з периферією і навіть сегментовані, в яких певні периферійні плати можуть працювати через VPX-комутатори тільки з певними хостами, а хости при цьому можуть взаємодіяти один з одним по каналах PCI Express або Gigabit Ethernet. Подібного не дозволяє робити жодна інша системна архітектура, включаючи MicroTCA.

Мультипроцесорні системи на основі MicroTCA створювати можна, але комутатори MCH не можуть забезпечувати сегментацію. Крім того, стандарт MicroTCA начисто позбавлений будь-якої наступності по відношенню до VPX, CompactPCI і іншим системним архитектурам. Зокрема, процесорні і периферійні модулі в стандарті MicroTCA (AdvancedMC) мають зовсім інші розміри, передбачені не звичної механікою 3U / 6U. Нарешті, системи MicroTCA навіть у версіях Rugged / Hardened (специфікації MTCA.1, MTCA.2 і MTCA.3 консорціуму PICMG (www.picmg.com) не можуть забезпечити тих рівнів захищеності і зручності у використанні, які дає стандарт VPX REDI. Можна довго сперечатися про те, де тут закінчуються об’єктивні технічні переваги і починається відсталість мислення, однак правда в тому, що сама консервативна частина цільової аудиторії VPX сприймає галас навколо ініціатив на кшталт Rugged / Hardened MicroTCA в кращому випадку як жарт.

Рис. 6. Двухмашинный компьютерный кластер с многоядерными процессорами, в формате VPX 6U для систем класса РЭБ

Мал. 6. Двомашинні комп’ютерний кластер з багатоядерними процесорами, в форматі VPX 6U для систем класу РЕБ

Дві причини для життя VPX

Сьогодні VPX – це зрілий промисловий стандарт для використання в найвідповідальніших проектах. Системна архітектура VPX в її нинішньому стані – хороша основа для вирішення складних завдань в реальному світі, а не в світі високих ідей. Хоча, як показує практика, на поле VPX реальний світ і високі ідеї непогано співіснують …

Стандарт OpenVPX прийнятий на озброєння як провідними світовими та вітчизняними виробниками виробів рівня плат і систем, так і їх численними клієнтами. Причому термін «на озброєння» в багатьох випадках можна розуміти буквально. Проблеми VPX, відтягувати початок масштабного впровадження цього перспективного стандарту, вирішені.

Якщо року три-чотири тому ще могли бути якісь сумніви щодо того, «злетить» чи технологія VPX, то сьогодні відповідь на це питання очевидна. За майбутнє VPX можна бути абсолютно спокійним за двома дуже простих причин:

1. Жодне розвинену державу світу не відмовляється від планів створення, покупки або продажу сучасних засобів озброєнь, розвиток яких вимагає використання скоєних вбудованих комп’ютерних технологій. Бюджети більшості військових відомств говорять самі за себе.

2. Жодна магістральної-модульна комп’ютерна технологія на світовому ринку не володіє сьогодні аналогічним сукупним набором властивостей і переваг, які роблять її гідним конкурентом VPX при створенні величезного розмаїття перспективних відповідальних оборонних систем самого різного призначення: від торпеди до бортової РЛС винищувача або ЗРК.

Олександр Ковальов, Віктор Синенко, RTSoft

При використанні матеріалів сайту vkt.ua активне посилання на джерело обов’язкове

Статьи

30.04.2018

Ринок індустрії 4.0, Internet of Things (IoT) і Industrial Internet of Things (IIoT) буде продовжувати розвиватися в 2018 році, як прогнозують аналітики ринку галузевої (читать далее)

27.04.2018

Всесвітня торгова ярмарка Embedded World відбулася в 15-й раз з 27 лютого по 1 березня 2018 року в Нюрнберзі. Як завжди, не обійшлося без (читать далее)