ملاحظات انتخاب GPU برای کاربردهای نظامی

از ابتدای قرن بیست‌ویکم میلادی تولید‌کنندگان تجهیزات اویونیک نظامی در حال توسعه و دستیابی به ابتکاراتی هستند تا امکان جمع‌آوری و ترکیب بلادرنگ داده‌ها در شرایط بحرانی فراهم شود. این کار در راستای بهبود ایمنی و بهره‌وری از مزایای تاکتیکی بیشتر در هنگام عملیات‌های نظامی است. در بخش هوایی یکی از مهمترین فناوری‌های معرفی شده برای رسیدن به این هدف «کابین شیشه‌ای

[1]» است.

کابین شیشه‌ای در واقع مفهومی از ارتقاء تجهیزات و نشانگرهای آنالوگ کابین به سیستم‌ها و نمایشگرهای دیجیتالی است. این تغییر با هدف افزایش ایمنی و ساده‌سازی وظایف خلبان در قبل، حین و بعد از پرواز است. علاوه بر این فناوری مذکور می‌تواند ضمن کاهش هزینه‌های ساخت و تعمیرونگهداری، طول عمر هواپیما را نیز افزایش دهد. در مورد هواپیماهای نظامی با توجه به پیچیدگی بسیار زیاد عملیات‌ها، بهره‌مندی از این فناوری می‌تواند تاثیر زیادی بر نتیجه عملیات داشته باشد.

در یک کابین شیشه‌ای رابط انسان- ماشین مغز متفکر سیستم بوده و مسئولیت ارائه حجم زیادی از اطلاعات مختلف را به صورت قابل درک همراه با امکان پاسخ‌گویی از سوی خلبان دارد. این ابزار باید وظیفه خود را از طریق برنامه‌های گرافیکی در حداقل فضای ممکن که در آن توان الکتریکی محدود بوده و دمای هوا به شدت متغیر است انجام دهد. علاوه بر این رابط انسان- ماشین باید کلیه فعالیت‌های خود را مطابق با استانداردها و الزامات تعریف شده برای تجهیزات اویونیک انجام دهد. بنابراین می‌توان گفت یکی از چالش‌های اساسی تولیدکنندگان سیستم‌های نمایشگر هواپیماهای نظامی انتخاب یک پردازشگر گرافیکی (GPU) است که علاوه بر هزینه و مصرف توان کم، کارایی مورد نیاز آن‌ها را نیز فراهم کند.

هرچند برخی FPGAها با مشخصات نظامی یا دیگر تراشه‌های قابل برنامه‌ریزی ASIC می‌توانند تا حدودی این نیازمندی‌ها را برآورده کنند، اما سیستم‌هایی مانند نمایشگر اولیه پرواز، نقشه‌های سه بعدی یا سیستم دید مصنوعی اغلب نیازمند قابلیت‌های پردازش گرافیکی بسیار بیشتری از این گونه تراشه‌ها هستند. از سوی دیگر سفارش یک GPU با مشخصات دلخواه می‌تواند هزینه بسیار زیادی را به تولیدکنندگان تحمیل کند. بنابراین آن‌ها سعی می‌کنند نیازهای خود را از طریق تهیه GPUهای تجاری مرسوم در بازار (COTS) برآورده کنند. این‌گونه GPUها می‌توانند قابلیت‌های گرافیکی چندکاناله با کارایی بسیار بالا و ابعاد کوچک را فراهم کنند. علاوه بر این برخی از آن‌ها در داخل خود از حافظه‌های سرعت بالا بهره می‌برند.

ملاحظات اصلی در انتخاب یک GPU از نوع COTS برای کاربردهای هوانوردی نظامی شامل بازه دمایی قابل تحمل، توان مصرفی، ماندگاری قطعات (تولید مداوم)، درایورها، پشتیبانی مناسب از سوی شرکت سازنده و همچنین سازگاری با استانداردهای ایمنی- بحرانی هوایی مانند DO-178C و ED-12C است.

مدیریت توان و کارایی

طراحان سیستم در هنگام انتخاب یک GPU تجاری برای استفاده در محیط‌های محاسباتی با منابع محدود، باید یک متعادل‌سازی بین کارایی و قابلیت‌های مورد نیاز ایجاد کنند. در واقع تراشه مورد نظر باید در عین برآورده‌سازی نیازمندی‌های حال حاضر، قابلیت تطبیق با نیازهای آینده سیستم که در گذر زمان ایجاد می‌شود را نیز داشته باشد. برخی از تولیدکنندگان GPU همچون NVIDIA و AMD محصولاتی با کارایی بالا تحت عنوان پردازشگرهای گرافیک تعبیه‌شده^[2] ارائه می‌کنند که به طور خاص برای تطبیق با این ویژگی طراحی شده‌اند.

برخی از پردازنده‌های سیستم روی تراشه^[3] با هسته‌های گرافیکی اختصاصی می‌توانند برای برنامه‌های گرافیکی با کارایی کم یا متوسط مورد استفاده قرار گیرند، اما در مورد برنامه‌های گرافیکی سه بعدی با کارایی بالا و پردازش تصویر پیشرفته، هیچ چیز نمی‌تواند با پردازنده‌های گرافیک تعبیه‌شده امروزی رقابت کند. برخی از GPUهای تعبیه شده توانایی برنامه‌ریزی حجم کارایی را با هدف کاهش مصرف توان الکتریکی دارند تا طراح از این طریق کنترل بیشتری بر مدیریت انرژی داشته باشد. هر چند در پردازنده‌های گرافیک معمولی نیز می‌توان با کاهش کلاک پردازنده ضمن کاهش کارایی آن، توان مصرفی را نیز کاهش داد، اما این کار به صورت بهینه انجام نمی‌شود. در GPUهای تجاری تعبیه‌شده علاوه بر امکان تغییر کلاک پردازنده، گزینه‌های زیادی برای دستیابی به یک نسبت توان مصرفی-کارایی مناسب وجود دارد که همچنین موجب افزایش طول عمر تراشه می‌شود.

محدوده دمایی گسترده

برای دستیابی به درجه‌بندی نظامی و صنعتی، در یک تراشه باید ملاحظات محیطی مختلفی در نظر گرفته شود که یکی از مهم‌ترین آن‌ها عملکرد در محدوده دمایی گسترده است. شرکت‌های تولیدکننده سیستم‌های تعبیه‌شده که از قطعات COTS استفاده می‌کنند معمولا تست‌های دمایی را در سطح بورد انجام می‌دهند. قطعاتی که در صنایع هوافضا استفاده می‌شوند باید بتوانند در بازه دمایی 40- تا 105 درجه سانتیگراد عملکرد عادی داشته باشند. فرایند تست و غربالگری چنین قطعاتی به دلیل بروز خطا در اجزا هزینه زیادی داشته و فرایند تولید محصول را نیز پیچیده می‌کند. نرخ بروز عیب و خطا برای تست‌های در سطح بورد می‌تواند از طریق انتخاب قطعات COTS که قبلا مورد آزمایش قرار گرفته‌اند به طور قابل توجهی کاهش یابد. از آنجا که ارائه‌دهندگان GPU معمولا فقط تراشه‌های تست‌شده در بازه دمایی تجاری ارائه می‌دهند، کارخانه‌های تولید بوردهای هوافضا به دنبال شرکت‌هایی همچون Core Avionics هستند که GPUهای تجاری را در سطح نیازمندی‌های نظامی تولید می‌کند.

منسوخ شدگی

منسوخ شدگی قطعات و اجزای پلتفرم‌های هوایی یکی از بزرگترین مشکلات این صنعت است که می‌تواند هزینه‌های سنگینی را دربرداشته باشد. به همین دلیل است که در بسیاری از کشورها، سازمان‌های دولتی شامل یک بخش با عنوان مدیریت منسوخ‌شدگی هستند که زیر نظر بخش مدیریت توسعه فناوری‌ها فعالیت دارد. در واقع فرایند توسعه یک پلتفرم نظامی در بخش هوافضا از مرحله طراحی تا تولید بین 3 تا 5 سال به طول می‌انجامد و از سوی دیگر طول عمر یک هواپیمای نظامی نیز حدود 20 سال است. بنابراین می‌توان گفت قطعات الکترونیکی استفاده شده در این پلتفرم حدود 25 سال استفاده خواهند شد. از این‌رو طراحان سیستم باید در نظر داشته‌ باشند که تراشه‌های نیمه‌هادی مورد استفاده در سیستم‌ها در طول این مدت زمان توسط شرکت سازنده در دسترس باشد. این مسئله در مورد پردازنده‌ها با توجه به سرعت بالای رشد فناوری‌های مربوطه بسیار چالش برانگیز است.

یکی از راهکارهای مهم در این رابطه تهیه قطعات از شرکت‌های بزرگ و معتبر است که در هنگام خرید به مشتری زمان پایان تولید قطعات را اطلاع می‌دهند. همچنین سازمان‌هایی مانند اداره استانداردسازی دفاعی ایالات متحده به زیر مجموعه‌های خود توصیه می‌کند پیش از اتمام زمان تولید از قطعه، تعدادی از آن را تهیه و به عنوان یدک در انبار نگهداری کنند.

پردازنده گرافیکی شرکت AMD با عنوان Radeon E4690 که بازه دمایی 40- تا 105 درجه سانتیگراد را تحمل کرده و تضمین 20 سال در دسترس بودن را دارد.

پشتیبانی نرم‌افزاری، یکپارچگی و گواهینامه‌ها

برخی از صفحه نمایش‌های تولید شده برای بخش هوایی برای عملکرد صحیح نیازمند سیستم‌عامل بلادرنگ، درایورهای گرافیکی و ابزار توسعه نرم‌افزاری خاص هستند که توسط بسیاری از تولیدکنندگان GPU پشتیبانی نمی‌شوند. بر خلاف درایورهای مورد استفاده در بازارهای تجاری، درایورهای استفاده شده در محیط‌هایی با قابلیت اطمینان بالا باید دقیقا مطابق با استانداردهای ایمنی- بحرانی و سیستم‌عامل‌های بلادرنگ تعریف شده برای آن تجهیز باشد. در واقع درایور GPUها برای استفاده در سیستم‌های ایمنی- بحرانی باید دارای پاسخ قطعی بوده و در محیط‌هایی مطابق با راهنماهای ارائه شده در سند MISRA-C (مجموعه‌ای از راهنمایی‌ها برای توسعه نرم‌افزار تحت زبان برنامه‌نویسی C) نوشته شده باشند. درایورهای گرافیکی که با استفاده از رابط برنامه‌نویسی OpenGL SC ایجاد می‌شوند نیازمندی‌های بسیاری از برنامه‌های صنعت هوایی را برآورده می‌کنند.

در مورد نرم‌افزارهای توسعه محصول و گواهینامه‌های مورد نیاز نیز محدودیت‌هایی وجود دارد. تعداد کمی از ارائه دهندگان GPUهای تجاری استانداردهای هوایی و الزامات مربوط به آن را در نرم‌افزارهای خود لحاظ می‌کنند. با این حال شرکت‌هایی مانند Core Avionics درایورهایی با سطح A استاندارد DO-178C ارائه می‌دهند که توسط FAA مورد تایید قرار گرفته‌اند. همچنین شرکت‌های طراحی‌کننده نرم‌افزارهای رابط انسان- ماشین مانندENSCO، Esterel و DiSTI ابزارهایی را تولید کرده‌اند که یکپارچگی بالایی با درایورها و سیستم‌عامل‌های ایمنی- بحرانی محبوب همچون VxWorks و Integrity-178 دارد.

یکی دیگر از عوامل مهم در انتخاب GPU، بهره‌مندی تراشه از توابع تست داخلی است. این توابع ارتباط بین نرم‌افزار و GPU را از طریق بررسی خروجی‌های گرافیکی تولید شده نظارت می‌کند. در صورت بروز یک خطا، ماژول‌های تست داخلی می‌توانند بلافاصله گزارش آن را تولید کرده و حتی سیستم را مجددا راه‌اندازی کنند. در صورتی که سیستم در سطوح بالای ایمنی باشد، این ماژول‌ها به منظور جلوگیری از بروز حادثه می‌توانند سیستم پشتیبان را راه‌اندازی کنند.

استفاده از GPUهای تجاری شرکت AMD و سیستم‌عامل‌های بلادرنگ COTS در سیستم‌های نمایشگر هواپیمای A380

پشتیبانی توسط شرکت سازنده

شرکت‌های تولید کننده GPU سطوح مختلفی از پشتیبانی را به مشتریان خود ارائه می‌دهند. این پشتیبانی می‌تواند حتی در سطح همکاری مستقیم در فرایند طراحی و توسعه سیستم نیز باشد. بنابراین در هنگام انتخاب یک تراشه GPU آگاهی دقیق از میزان پشتیبانی بخصوص در سطح طراحی و توسعه سیستم و اطلاع از هزینه‌های مربوطه از اهمیت بالایی برخوردار است. برخی از شرکت‌های سازنده GPU در هنگام خرید مشتری را از نقشه راه توسعه محصول خود نیز آگاه می‌کنند. چنین اطلاعاتی می‌تواند به طراحان در پیش‌بینی راهکارهای ارتقاء سیستم در آینده دید بهتری دهد. همچنین معمولا تولیدکنندگان GPU با سایر شرکت‌های مرتبط در بخش نرم‌افزار و سخت‌افزار سیستم‌های تعبیه‌شده هوایی همکاری‌ داشته و می‌توانند به منظور دستیابی به کارایی بهینه، مشتری را در انتخاب صحیح سایر اجزای سیستم که با GPU در ارتباط هستند، راهنمایی کنند.