L’Intelligence Artificielle monte à bord des calculateurs SWaP haute performace (HPEC)

L’Intelligence Artificielle (IA) et l’automatisation système pénètrent au cœur du traitement de signal numérique et RF pour créer des systèmes Sonar/Radar, de guerre électronique (EW) et de surveillance reconnaissance (ISR) toujours plus performants grâce aux avancées des calculateurs SWaP embarqués haute performance (HPEC).

Depuis les années 2000, sont apparus sur le marché des radars dénommés « Adaptive » ou « Agile » en français. Ils ne sont ni complètement actifs, ni tout à fait passifs. Ils peuvent automatiquement changer leurs formes d’ondes RF et changer leurs fonctions de filtrage en temps réel, en fonction de la mission, de son environnement éminemment changeant et des systèmes de contre-mesures associés à chaque menace. Avec l’apparition des nouveaux radars AESA à antenne active, tel celui embarqué dans le RAFALE, ou à large bande spectrale à faible niveau d’énergie, et un traitement de données en aval de plus en plus performant, les radars deviennent des systèmes multifonction combinant détection, traitement d’images, classification, identification, poursuite, communication et, pas la moindre, guerre électronique. Ces systèmes multifonction agiles sont de plus en plus pilotés en front-end par logiciel pour la génération, adaptée en temps réel, de signaux radar permettant aux armes modernes de détecter une multitude de missiles ayant chacun une très faible signature radar dans un environnement radio très brouillé. De son côté, la partie back-end du radar est en charge du management de la mission, des communications et des contre-mesures. En ciblant les seules fréquences utiles, il remonte à l’opérateur ou à l’algorithme de traitement de l’information, des éléments décisionnels clairs et précis, débarrassés du bruit et des fausses alarmes.

Des fonctions qui en 2010 auraient nécessité une puissance de calcul assurée par 14 cartes PowerPC Quad-Cœur dans un châssis VME, sont aujourd’hui intégrées sur une seule carte VPX 3U à base d’un Xeon D 12-cœurs avec une puissance consommée divisée par 10. C’est dû aux performances des systèmes HPEC en environnement contraint en taille, en poids, en consommation et en haut niveau de performance (SWaP). L’explosion des capteurs dans de très nombreux domaines (EO/IR, AESA, SAR…), et leur résolution de plus en plus grande, qui sont embarqués de nos jours dans les différents porteurs (avions, drones, hélicoptères, véhicules terrestres, bateaux, sous-marins) génèrent des flots de données qui sont à pré-traiter et à fusionner avant d’être transmis au système de combat (CMS). Ceci permet d’obtenir une vision globale de la situation pour prendre la bonne décision dans le délai le plus court possible.

On voit vite que, devant une telle quantité d’information, l’être humain ne peut à lui seul surnager et réagir en temps réel (trop d’info tue l’info). L’informatique embarquée dans le système radar/sonar va donc devoir automatiser bien plus qu’aujourd’hui les traitements, apporter des aides à la décision pour réduire la charge de l’analyste grâce à l’intelligence artificielle (CF CRYSTAL 23 Console Navale multifonctions). Le système radar devra proposer et dialoguer avec l’opérateur sur d’éventuelles actions afin de contrer, tromper la ou les menaces. C’est ce que la DARPA aux USA – Defense Advanced Research Projects Agency- appelle le « cognitive radar » ou en français le « radar intelligent », qui permettra un contrôle plus global de la situation. Après une phase d’apprentissage en « Deep Learning », le système va automatiquement adapter la transmission des signaux et les faisceaux radar en fonction de ce qu’il aura appris, de sa mémoire, des modifications de l’environnement et des réactions de la menace, afin d’améliorer en temps réel ses fonctions intrinsèques de détection, les estimations comportementales de la cible ennemie… L’intelligence artificielle embarquée lui permettra également de générer des contre-mesures bien plus pertinentes pour sa furtivité.

Le but recherché est d’obtenir un système de guerre électronique qui pourra détecter et analyser des nouveaux signaux, puis en temps réel, proposer le type de brouillage adapté ou renvoyer un signal falsifié qui fournira de fausses informations sur la taille, la direction ou la position du porteur sans que l’ennemi ne puisse s’en rendre compte immédiatement. Les radars intelligents de faible énergie ratissent en temps réel toute la largeur du spectre de fréquences radio. Ils détectent, le plus discrètement possible, le comportement des radars ennemis et, dès réception d’un signal, ils pourront dans le même spot créer un profil électromagnétique de blocage pour protéger l’avion ou le sous-marin. Le principal challenge pour les nouveaux systèmes radar consiste en leur agilité à suivre le rythme imposé par l’évolution rapide des environnements et des systèmes de contre-mesures.

Le radar multifonction de nouvelle génération permet d’optimiser ses probabilités de détection de cibles ennemies tout en ménageant ses propres ressources énergétiques, grâce à un faisceau RF très concentré sur les cibles, en augmentant la fréquence de balayage.

Pour se faire, les calculateurs SWaP durcis embarqués font appel de plus en plus à une architecture hétérogène de type FPGA/CPU/GPU sachant tirer la quintessence spécifique de chaque composant pour une fonctionnalité donnée du système :

  • La technologie FPGA excelle dans le traitement haut débit avec déterminisme des entrées/ sorties en parallèle afin d’acquérir et générer les faisceaux de signaux RF dans la partie front-end du radar. ECRIN Systems dispose d’une offre conséquente chez son partenaire VadaTech pour proposer des solutions COTS à base de cartes FPGA Xilinx UltraScale (cf VPX-599) ou des cartes porteuses FPGA du même type avec une extension mezzanines FMC, VITA-57, pour ajouter différentes combinaisons de convertisseurs ultra-rapides ADC et/ou DAC (par exemple, Dual ADC 12-bit @ 6.4 GSPS plus Dual DAC 16-bit @ 12 GSPS ; idéal pour réaliser des contre-mesures de type brouillage DRFM en un temps record de l’ordre de la nanoseconde)
  • les processeurs multi-cœur Xeon D de classe serveur, introduits par Intel en 2016, offrent des architectures internes pouvant aller jusqu’à 12 cœurs en gamme certifiée de température -40°C/+85°C sous une consommation électrique très faible (TDP de 45W), pour apporter au système les fonctions complexes DSP, de branchement et d’apprentissage par arbre de décision;
  • des coprocesseurs graphiques (GPU) sont utilisés en complément des nœuds Xeon D pour le traitement massif de données en parallèle afin de multiplier sur des centaines de cœurs, des fonctions simples nécessaires à l’exécution des algorithmes de type « Deep Learning » qui sont au cœur de l’Intelligence Artificielle. Ceci afin d’exploiter de manière intensive dans le back-end du système, les flux de données en provenance des antennes radar. Chez ECRIN Systems, nous avons déjà des solutions à base du tout nouveau NVIDIA Pascal offrant jusqu’à 6.2 TFLOPS sur 2048 cœurs CUDA et 16GB GDDR5.

 

Architecture d’un système COTS pour des applications radar, guerre électronique ou ISR

L’architecture hétérogène, présentée ci-dessus va de plus en plus aider au développement et déploiement de cette nouvelle génération de systèmes radar/sonar multifonction intelligents et agiles.

Comme dans le domaine de la radio logicielle (Software Define Radio), les composants matériels RF du front-end sont de plus en plus remplacés par des systèmes définis par logiciel qui permettent, de façon très agile et flexible, de changer de mission sur le théâtre d’opérations, de s’adapter en temps réel sur le terrain aux contraintes environnementales qui peuvent évoluer très rapidement. Les technologies de traitement numérique du signal vont permettre au back-end d’analyser les informations de manière plus approfondie et d’adapter plus efficacement le fonctionnement du radar à ses besoins immédiats. Les systèmes adaptatifs vont continuer à converger, en effectuant de multiples fonctions RF. Les technologies employées pour les radars et les applications d’Intelligence-Surveillance-Reconnaissance ou de guerre électronique sont souvent les mêmes suivant les différentes classes de capteurs, de sorte que dans l’avenir, ce sont vraiment les back-ends logiciels et la gestion efficace des front-ends RF qui apporteront des avantages substantiels dans l’armée pour offrir une grande agilité pendant la mission et une grande flexibilité au cours du cycle de vie du produit pour suivre le rythme d’un environnement de menaces très évolutif.

Les systèmes COTS poussent et continueront à pousser les frontières du possible dans les applications EW, ISR et Radar/Sonar. Avec sa nouvelle pépite TOPAZE D en cours de développement dans son bureau d’études à Crolles (38), ECRIN Systems va offrir un système VPX-3U multi-CPU durci selon les normes MIL-STD-810/704/461 et RTCA/DO160, léger, extrêmement souple et puissant, grâce à son système de fond de panier adaptatif VPX et aux modules COTS Open VPX qu’il pourra intégrer. Cela permettra de configurer à façon le jeu de fonctions qui correspondra le mieux aux exigences de l’application client.

À la différence des grands fournisseurs américains de cartes qui poussent toujours leurs propres modules VPX 3U dans un système SWaP, souvent au détriment de la satisfaction client car leur carte n’est pas toujours la meilleure du marché dans des domaines aussi variés et pointus que sont les FPGA, les convertisseurs ADC/DAC ultra rapides, les GPU ou les switches… ECRIN Systems, fort de sa grande expérience acquise sur les 40 dernières années en tant qu’intégrateur/constructeur de systèmes durcis pour l’Aéronautique et la Défense, préférera piocher, sans complaisance, dans son réseau de partenaires qualifiés sur le marché mondial COTS pour sélectionner, à l’instant T, le meilleur produit de l’expert en GPU, en FPGA avec la compétence associée en traitement numérique du signal.