Die Bedeutung der Modular Open Systems Architectures Initiative
Die Ziele von MOSA — Verbesserung der Systemfähigkeit, Kompatibilität und Kosten — basieren auf einer engen Zusammenarbeit zwischen Regierung und Industrie. Zwar hat jede Dienststelle des Militärs in ihren Normen ein Modell oder eine Vorstellung davon, was sie für die Herstellung der benötigten Systeme benötigen, aber ein gemeinsames Ziel der Interoperabilität hat die Landschaft der militärischen Elektronik in den letzten Jahren verändert.
Interoperabilität ist ein wichtiges Konzept, wenn es darum geht, einen Vorteil bei der Ausführung von Rechenprozessen über die Hardware zu erzielen, die zum Aufbau eingebetteter Systeme verwendet wird.
Was brauchen wir, um Dinge in einem System zu verbinden, das das DoD verwenden kann? Zu den wichtigsten Elementen gehören eine Netzwerksysteminfrastruktur und die Kommunikation, die über Hochgeschwindigkeits-Ethernet abgewickelt wird. In die Architektur sind jedoch mehrere andere Elemente eingebettet, die berücksichtigt werden müssen. Dazu können Synchronisations- und präzise Zeitsignale für die Navigation, Systemmanagement zur Überwachung von Modulen für das Gesundheitswesen und Energiesysteme gehören, die den Betrieb der Module ermöglichen.
Die Open Group Sensor Open Systems Architecture™ (SOSA) ist der maßgebliche Standard, der andere offene Standards verwendet, die unter das Dach von SOSA fallen und alle dem MOSA-Ansatz folgen. Einer davon, OpenVPX oder VITA 65, ist im Wesentlichen der Hardwarestandard für DoD-Module, die auf SOSA ausgerichtet sind.
Kurzer Überblick über das Hauptelement von OpenVPX
Schauen wir unter die Haube von OpenVPX. Es wird von VITA verwaltet und ist eine Familie von bewährten, VITA-basierten offenen Standards. Zunächst ist zu beachten, dass es spezifische Steckplatzmodulprofile definiert, um die Art und Weise, wie Komponenten miteinander verbunden werden können, einzuschränken und so mögliche Inkompatibilitäten zu verringern. Die Systemverwaltung erfolgt über VITA 46.11, einen Standard, der Gehäuse- und Systemmanagementkonzepte abdeckt.
In ähnlicher Weise wurde eine gemeinsame Methode zur Stromversorgung des Systems definiert, die Standardnetzteilmodule ermöglicht, die den Bedarf sowohl für 3U- als auch für 6U-Systeme decken können. OpenVPX normalisiert die Schnittstellendefinition für Leistungsmodule über eine Untergruppe, VITA 62, sodass für alle LRUs Konsistenz besteht.
Die Unterstützung von Modulen mit höherer Leistung durch neue Kühltechniken ist ebenfalls Teil von OpenVPX. Durch den SOSA-Hardwarestandard sind die Module auch auf CMOSS und HOST abgestimmt und decken so die Bedürfnisse der Armee, Marine und Luftwaffe ab.
OpenVPX hält mit den Veränderungen in der Branche Schritt
Die Bedürfnisse eines Marktes stehen nicht still. Nehmen wir zum Beispiel Ethernet und PCIe. Von 1980 bis 2020 ist Ethernet von 10 MB auf 1 GB und dann von 10 auf 25 und bis zu 100 GB gestiegen, da der Bedarf an schnellerer Geschwindigkeit weiter zunimmt. (Abbildung 2)
PCIe ist die Art und Weise, wie wir Daten zwischen Modulen und Systemen verschieben. Es begann mit 2,5 Gigatransfers, dann 5, jetzt 8, und bewegt sich in den Bereich von 16 Gigatransfers pro Sekunde. Diese beiden Trends ermöglichen es Embedded-Designern, schnellere Designs in OpenVPX zu implementieren. Die Industrie tut dies, indem sie die Standards übernimmt und die Backplane-Technologie implementiert, die für den Bau fortschrittlicher militärischer Systeme erforderlich ist.
Um verschiedene Karten miteinander zu verbinden und die Interoperabilität zu gewährleisten, muss es eine einheitliche Methode geben, sie zu identifizieren und zuzuordnen, sodass sie mit den Signalen übereinstimmen und die Platinen letztendlich über eine Backplane miteinander verbunden werden können. OpenVPX bietet eine Methode, um die Karten einheitlich miteinander zu kommunizieren oder miteinander zu verbinden, sodass keine Zeit damit verbracht wird, dafür zu sorgen, dass Elemente zusammenarbeiten. Stattdessen können sich die Entwicklungsbemühungen auf den Ausbau der Systemfunktionalität konzentrieren.
Schauen wir uns einige andere Arbeiten an, die OpenVPX in den letzten Jahren geprägt haben. Auf Initiative der US-Armee wurde eine Hardware-Konvergenzarchitektur entwickelt, die neue Konzepte wie Hochgeschwindigkeitsverbindungen in die netzwerkgebundene Kommunikation einführte. Der Einsatz neuer Glasfaser- und HF-Steckverbinder, Funkpläne für das Timing und die Ausrichtung auf höhere Leistungsdichten im Modul wurden ebenfalls in den VPX-Bereich aufgenommen.
Reaktion auf Trends im Systemdesign
Zwei weitere Trends sind die zunehmende Komplexität der Systeme sowie der zunehmende Bedarf an Synchronisation, um die Art und Weise, wie das Timing zwischen den Karten erfolgt, zu standardisieren. OpenVPX hat sich dieser Herausforderung gestellt und eine radiale Taktstrategie und einen Timing-Slot definiert. Diese Timing-Karte erzeugt Timing-Informationen und generiert Taktsignale, die über die Backplane verteilt werden können.
Höhere Bandbreitenanforderungen haben die System-Backplanes unter Druck gesetzt, die jetzt 2,5-mal schneller arbeiten müssen als noch vor ein oder zwei Jahren. Dies hat zu neuen Hochgeschwindigkeits-Backplane-Implementierungen geführt, die neue Signalintegritäts- und Simulationsmodelle sowie Steckverbinder mit einer Bandbreite von 10 bis 25 Gb nutzen, wobei die Schaltgeschwindigkeit von den Anschlüssen unterstützt wird. (Abbildung 3)
Im Laufe der Zeit wurden die Module je nach Bedarf pro Modul von 40 W auf 60 W und auf 130 W umgestellt. Dies auf konduktionsgekühlte Weise zu tun, ist schwierig und führt dazu, dass wir nach anderen Ansätzen suchen müssen. Durch den Luftdurchfluss (AFT), VITA 48.8, wird mehr Luft durch ein Modul geleitet, sodass es auf eine modifizierte konduktionsgekühlte Art gekühlt werden kann, indem Luft durch die Module geleitet wird, um die Karten zu entlüften und Wärme abzuführen. Liquid Flow-Through (LFT), VITA 48.4, ist ein weiterer neuer Kühlstandard, der eine Roadmap für Lösungen bietet, die mehr Strom benötigen, um Flüssigkeitskühlfunktionen nutzen zu können.
Kontinuierliche Entwicklung von Architekturen mit offenen Standards
OpenVPX ist ein Lebensstandard, der sich mit neuen Herausforderungen konfrontiert, da sich die technologischen Anforderungen militärischer Plattformen weiterentwickeln. Dabei geht es ständig darum, wie neue Technologien in ein robustes System integriert werden können, um die vom Verteidigungsministerium vorgeschriebenen Anforderungen zu erfüllen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass zukünftige DoD-Systeme vom modularen Ansatz der offenen Systemarchitektur und dem Bedarf an aktuellen Technologien beeinflusst oder vorangetrieben werden. Diese wirken sich auf neue Systeme aus und werden sich auf zukünftige Designs, Gehäuse, Backplanes, Stromversorgungsanforderungen usw. auswirken. Dieser kurze Blick unter die Haube dessen, was OpenVPX bietet, zeigt, dass es sich um einen unterstützten, aktiven Standard handelt, der heute existiert und wachsen wird, um den zukünftigen Systemanforderungen des DoD gerecht zu werden. Es passt hervorragend zu MOSA und den höheren Standards SOSA, CMOSS und HOST und bietet einen Hardwarestandard, mit dem MOSA seine Ziele erreichen kann.
