Построение информационно-вычислительных комплексов на базе 3D М ФЭФ М
На сегодняшний день в hi-tech-сообществе не существует окончательного видения направлений развития элементной базы и архитектуры построения вычислительных систем эксафлопного класса. Концепция универсальной многоядерности сталкивается с проблемой конфликтного доступа множества ядер к общей памяти. В связи с этим возникает необходимость в принципиально новых, революционных решениях.
Исходя из вышеизложенного, предлагаются две концепции продвижения решений по созданию высокопроизводительных информационно-вычислительных, коммутационных и радиолокационных устройств, систем и комплексов на базе 3D М ФЭФ М.
Первая концепция создания изделий на базе 3D М ФЭФ М предполагает их использование для связи абонентских устройств с удалёнными изделиями, в том числе с помощью модулей с АЦП-ЦАП и коммутатора аэрокосмического стандарта SpaceWire.
Вторая концепция предусматривает создание информационно-вычислительных устройств с разветвлённой прямой многоканальной оптической связью.
Конфигурации встраиваемых информационно-вычислительных, коммутационных и радиолокационных устройств, систем и комплексов строятся на базе платформы MicroTCA OM открытого стандарта MicroTCA.
Конструкторские и технологические разработки
Базовой конструкцией трёхмерных матричных фотон-электрон-фотонных модулей (3D М ФЭФ М) является мезонинная плата, на которую монтируются металлокерамические корпуса PGA с многоканальными электрическими контактами и металлическими корпусами-разъёмами для многоканальных оптических линий связи, с распайкой необходимых электронных и коммутационных электронных компонентов.
На рисунке 59 показаны конструкции 3D М ФЭФ М в разработанных исполнениях с мезонинной платой.
Данная конструкция подразумевает использование в устройствах с разнесёнными элементами 3D М ЭФ СБИС М при создании информационно-вычислительной среды, в том числе подразумевающей конечных пользователей-абонентов.
На рисунке 60 приведена конструкция 3D М ФЭФ М с одиночным кристаллом. Данное исполнение применимо для одиночного абонента при работе с многопоточной оптической информацией.
На рисунке 61 представлена конструкция 3D М ФЭФ М с мезонинной платой в виде изделия в составе металлокерамического PGA-корпуса с использованием матрицы вертикально излучающих лазеров (3D М ЭФ СБИС VCSEL), коммутационного кремниевого функционального кристалла с элементами аналого-цифрового преобразования оптического излучения (3D М ФЭ СБИС Si) и многоканального оптического металлического корпуса-разъёма с матричным линзовым растром и двумя внешними электрическими разъёмами.
Преимущества представленной конструкции перед другими решениями состоят в «горячей» замене основных элементов конструкции – функциональных кристаллов 3D М ЭФ СБИС М.
На рисунке 62а представлена концепция вычислителя с 3D М ФЭФ М для многоканальной потоковой обработки информации с прямой оптической связью на базе механического интерфейса «планка Пикатинни».
Данная конструкция позволяет формировать произвольную длину конвейера потокового вычислителя. На рисунке 62б приведена фотография опытного образца данного вычислителя.
На рисунке 63 представлена реализация концепции формирования указанного вычислителя – конвейерный потоковый вычислитель.
На рисунке 64 приведена фотография опытного образца вычислителя с 3D М ФЭФ М для многоканальной потоковой обработки информации, используемыми при создании информационно-вычислительной среды, созданного для платформы µTCA (MicroTCA OM).
Функционально ориентированная интегральная вычислительная среда перспективных бортовых вычислительных систем
В комплексах бортового оборудования летательных аппаратов (КБО ЛА) нового поколения образуется интегрированная многодатчиковая информационная среда без подразделения на отдельные подсистемы. В общем случае данная среда может включать следующие информационные каналы:
- радиолокационный канал;
- канал радиотехнической разведки;
- индикационно-информационный канал;
- оптико-электронный прицельно-навигационный канал;
- канал информационного подавления.
В концепции организации бортовых вычислительных систем (БВС) перспективных летательных аппаратов принята открытость архитектуры бортовых средств вычислительной техники (СВТ), базирующаяся на основе использования ограниченного набора унифицированных функциональных модулей – средств обработки и передачи информации, что позволяет создавать масштабируемые БВС с широким спектром функциональных характеристик.
Для передачи, хранения и обработки всё возрастающих потоков передаваемых данных перспективных БВС архитектурная организация средств информационного обмена должна постоянно развиваться. Например, сигналы от аналоговых датчиков в настоящее время преобразуются в цифровые потоки уже на ранней стадии их обработки, при этом благодаря повышению частоты квантования удаётся повысить объём собираемой информации (более 108 выборок/с). Таким образом, комплексирование на уровне датчиков обуславливает концентрацию обрабатываемой информации в централизованных высокопроизводительных процессорах цифровой обработки сигналов. Кроме того, всё чаще требуется преобразование аналогового видеосигнала в цифровую форму.
Высокая пропускная способность также необходима для обеспечения межпроцессорных соединений. Процессоры с равнодоступной памятью предполагается применять при реализации параллельных процессорных систем и технологии коммерческих суперкомпьютеров, с помощью которых возможно интенсифицировать вычисления, критические для выполнений задач авионики.
Создание структуры перспективной БВС на основе открытой масштабируемой информационно-вычислительной системы (ИВС) с непрерывно перестраиваемой структурой, ресурсы которой могут перераспределяться произвольным образом, является сложной научно-технической проблемой. На рисунке 65 представлена интегрированная БВС перспективных ЛА.
Для того чтобы обеспечить построение ИВС, функциональные и надёжностные характеристики которых будут отвечать требованиям перспективных КБО, необходима разработка бортовых СВТ следующего поколения высокоинтегрированных модульных бортовых средств обработки информации на основе высокоскоростных сетевых интерфейсов, обеспечивающих совершенно новые качества и характеристики (масштабируемость, реконфигурируемость, повышенную производительность и пропускную способность) [1].
Для реализации интегрированных БВС перспективных ЛА предлагается использовать на базе 3D М ФЭФ М унифицированный интеллектуальный порт связи с электрическим стандартом SpaceWire и его реализацией с помощью волоконно-оптических многоканальных связей с удалёнными портами – трёхмерный матричный фотон-электрон-фотонный модуль с интеллектуальными портами (3D М ФЭФ М ИП) для обработки и коммутации информации.
3D М ФЭФ М ИП с унифицированными интеллектуальными портами связи
3D М ФЭФ М ИП предназначен для подключения к конечным устройствам с помощью электрических и оптических связей, он реализует функции скоростного ввода/вывода, обработки и коммутации информации, обеспечивая интерфейсную связь с хост-ЭВМ, и при этом является электронной компонентной базой для разработки и серийного производства интегрированных комплексов бортового оборудования летательных аппаратов на основе концепции интегрируемой модульной электроники.
3D М ФЭФ М ИП реализует обмен информацией в сети по электрическим связям с топологией «точка – точка» (технология SpaceWire) и по многоканальным волоконно-оптическим линиям связи с топологиями «точка – точка», «точка – многоточие».
Таким образом, конечное устройство (датчик, микропроцессор, исполнительный механизм, подключенный к 3D М ФЭФ М ИП) образует интеллектуальный порт.
3D М ФЭФ М ИП – это гибридная сборка бескорпусных 3D М ФЭФ СБИС и корпусных полупроводниковых микросхем, смонтированных на металлокерамической подложке. Такой модуль имеет многоканальные оптические и электрические связи со следующими техническими характеристиками:
- число каналов с SpaceWire интерфейсом связи к конечным устройствам – 2;
- число оптических каналов ввода/вывода – 64;
- число оптических каналов интегральной матрицы коммутации – 64 (8×8);
- скорость приёма/передачи информации по оптическим линиям не менее 166 МГц;
- пропускная способность 3D М ФЭФ М ИП по оптическим каналам – 10 624 Гбит/с;
- набор периферийных интерфейсов – в соответствии с управляющим процессором TMS320C6455.
На рисунке 66 приведена структурная схема 3D М ФЭФ М ИП.
Конструкция 3D М ФЭФ М ИП представляет собой многослойную керамическую полосковую плату, изготовленную по технологии LTCC, с установленными на ней электронными и оптоэлектронными элементами, электрическими и оптическими разъёмами.
На рисунке 67 представлена модель конструкции 3D М ФЭФ М ИП.
3D М ФЭФ М ИП реализован на основе кристаллов 3D М ФЭ СБИС МА/Ц и 3D М ЭФ СБИС VCSL фирмы ООО «ОЭС», которые были представлены в [2–4], процессора TMS320С6455BGTZA фирмы Texas Instruments, микросхемы AT7911E фирмы Atmel, кристаллов памяти DDR2-K4T1G164QE**E7 фирмы Samsung (или Micron) и кристаллов памяти EEPROM – AT24C512BU2-UU фирмы Atmel.
3D М ФЭФ М ИП оснащён интерфейсами I2C, JTAG, ETHERNET, SRIO и предназначен для установки на мезонинной плате стандарта MicroTCA для высокопроизводительных информационно-вычислительных систем платформы MicroTCA OM.
Управление 3D М ФЭФ М ИП осуществляется с помощью одноплатной хост-ЭВМ платформы MicroTCA OM. Высокопроизводительная обработка информации осуществляется с помощью процессора TMS320С6455.
Производительность процессора TMS320С6455 в вычислениях с фиксированной точкой – 2,9 МIPS (млн инструкций в с) / мВт.
Пропускная способность разработанного 3D М ФЭФ М ИП по оптическим каналам теоретически составляет 10 624 Гбит/с. Пропускная способность 3D М ФЭФ М ИП по электрическому интерфейсу SRIO – до 3,125 Гбит/с, по интерфейсу EMAC – до 1 Гбит/с.
3D М ФЭФ М ИП функционирует со штатным программным обеспечением одноплатной хост-ЭВМ платформы MicroTCA OM. На рисунке 68 представлена структурная схема интегрированной БВС перспективных ЛА на базе 3D М ФЭФ М ИП с резервированием.
Применение 3D М ФЭФ М ИП – унифицированных интеллектуальных портов с электрическими и оптическими связями на базе кристаллов 3D М ФЭ СБИС МА/Ц и 3D М ЭФ СБИС VCSL – позволяет в значительной степени улучшить тактико-технические, надёжностные, энергетические и весовые характеристики при реализации интегрированной БВС на базе стандарта SpaceWire по сравнению с существующим набором электронных компонентов.
На разрабатываемых самолётах перспективного направления бортовые вычислительные системы в партнёрстве с экипажем должны решать новый класс задач. Решение таких задач требует использования новой структуры бортовой цифровой вычислительной машины и алгоритмов – структур с элементами искусственного интеллекта, реализованных в унифицированных 3D М ФЭФ М ИП в соответствии с концепцией создания электронной компонентной базы для разработки и серийного производства интегрированных комплексов бортового оборудования летательных аппаратов на основе концепции интегрированной модульной авионики.
В следующей части статьи речь пойдёт о преобразователях оптико-электрического интерфейса (3D ФЭФ М ПОЭИ), многоканальных 3D ФЭФ-модулях абонентского сопряжения (3D М ФЭФ М АС) и многоканальных 3D ФЭФ-модулях высокоскоростных вычислений (3D МФЭФ М ВВ), представленных в концепте решений по созданию высокопроизводительных информационно-вычислительных, коммутационных и радиолокационных устройств, систем и комплексов, с описанием технических характеристик и способов кодирования при обработке и передаче информации.
Литература
- Павлов А.М. Принципы организации бортовых вычислительных систем перспективных летательных аппаратов: http://asutp.ru/?p=600338
- Сведе-Швец В., Сведе-Швец Вл., Зиновьев М. Кремниевая и арсенид-галлий-алюминиевая технология: создание М ЭФ СБИС VCSEL и М ФЭ СБИС Si. Часть 3. Современная электроника. 2017. № 5.
- Сведе-Швец В., Сведе-Швец Вл., Зиновьев М. Кремниевая и арсенид-галлий-алюминиевая технология: конструктивные решения 3D М ФЭФ М. Часть 6. Современная электроника. 2018. № 1.
- Сведе-Швец В., Сведе-Швец Вл., Зиновьев М. Кремниевая и арсенид-галлий-алюминиевая технология: конструкторские решения в области изготовления оптических трёхмерных матричных приёмо-передающих модулей 3D М ФЭФ М. Часть 7. Современная электроника. 2018. № 2.
