SMALL FORM FACTORS

Les calculateurs embarqués de petite taille, appelés « SMALL FORM FACTORS » aux Etats-Unis, envahissent le marché Mil/Aero

Les systèmes d’information des années 1990-2010, étaient conçus sur des architectures centralisées à base de cartes enfichables au format 6U sur des fonds de panier VME ou Compact PCI. Ils sont remplacés sur les programmes de remise à niveau à mi-vie et dans les nouveaux porteurs, par des systèmes distribués SMALL FORM FACTOR (SFF) basés la plupart du temps, autour du concept de module processeur COM Express. C’est déjà le cas dans les drones tactiques, les véhicules terrestres. Mais l’hémorragie se repend très vite dans les UAS de type MALE et HALE, dans les hélicoptères d’attaque et de transport. Bientôt, ils seront intégrés dans les systèmes de défense sol-air, les Radar/Sonar et la guerre électronique en général.

Toutes ces plateformes mobiles ont besoin de charges utiles embarquées de plus en plus performantes et sophistiquées. Les réseaux de communications sécurisés internes et externes doivent être et de plus en plus rapides (voir le nouveau profile ONYX-Datalink sur le stand ECRIN à EUROSATORY) avec des bandes passantes très élevées et des temps de latence minimum. Les systèmes de traitement du signal, les caméras Vidéo HD-SDI, 3G-SDI ont besoin d’une très forte puissance de calcul pour traiter des flux d’informations de plus en plus gigantesques, digne du « Big Data », afin d’en extraire les seules informations utiles qui permettront aux centres de commandement de prendre très vite la bonne décision au bon endroit, au bon moment. Les calculateurs de mission militaire deviennent plus complexes à réaliser quand on y ajoute des conditions d’environnement extrêmes, les contraintes de taille qui sont de plus en plus critiques, de poids, de consommation et de prix. Le fameux acronyme SWaP-C, désormais cher à toutes les applications militaires et aéronautiques.

Si les équipementiers sont à la recherche de SFF alliant petite taille et haute performance, ils veulent aussi s’affranchir de tous les problèmes liés à la dissipation thermique. Il existe une grande variété de systèmes SFF, supportés par plusieurs consortium bien connus comme les comités d’influence américaine PICMG et VITA, mais aussi européen come le SGET. Mais à ce jour aucun format de système ne se détache vraiment du lot. En sera-t-il autrement dans quelques années ? Rien de moins sûr tellement les applications sont variées et le spectre d’applications large. On peut comparer le prometteur marché des SFF dans le Mil/Aero au phénoménal « Internet-of-Things » du marché grand public. Pourtant, au niveau de l’électronique embarquée dans les SFF, ce n’est pas prendre trop de risque que d’annoncer les formats COM Express et VPX-3U comme les grands favoris pour être intégrés dans des boitiers de plus en plus petits dans la prochaine décade.

Avec la famille ONYX, introduite pour la première fois sur le marché pendant le salon EUROSATORY 2012, ECRIN Systems ne s’était pas trompé en choisissant comme colonne vertébrale de sa gamme de calculateurs de mission, le format de module processeur COM Express avec le pin-out Type 6. Avec son nouveau modèle µONYX (prononcer micro ONYX), qui sera introduit officiellement à EUROSATORY 2016 du 13 au 17 Juin 2016 à Paris, ECRIN confirme sa stratégie sur le marché des SFF avec un produit dont la taille a été réduite de moitié, le poids divisé par deux et la consommation énergétique réduite de 60% versus l’ONYX développé en 2012. L’arrivée massive des System-on-Chip de faible consommation à architecture Intel et ARM, intégrant des fonctions GPU et FPGA de plus en plus performantes, vont faciliter la prolifération de SFF de plus en plus petits. Que de chemin parcouru depuis quatre ans!

Les SFF inaugurent une nouvelle architecture système distribuée vers des nœuds de calculs dédiés et placés aux meilleurs endroits du mobile porteur et dans ses moindres recoins. Pour acquérir les flots de données et réduire les goulots d’étranglement, les front-end d’acquisition, basés sur la technologie FPGA, seront placés au plus près de chaque capteur ou groupe de « Sensors » qui sont toujours plus performants en termes de dynamique (Radar) ou de haute définition (Vidéo en 1920 x 1080 @ 30 ou 60 Hz). Pour traiter ces informations, deux possibilités : soit de façon massivement parallèle avec des GPGPU dédiés, les données transitant sur des bus internes commutés ultra-rapides (PCI Express 3.0) afin de  fournir une information temps réel en réalité augmentée (ONYX-HD en démonstration sur le stand ECRIN Systems hall 5 – stand J 730 en partenariat avec notre partenaire ESG GmbH), soit en très léger différé par d’autres nœuds SFF de réseau intelligents via Ethernet Gigabit et/ou 10 Gigabit. Cette architecture répartie, en plus des avantages SWaP-C évoqué plus haut, permet d’augmenter la disponibilité du système complet d’information grâce à la suppression des « single-point of failure » de l’ architecture centralisée, de répartir la charge utile sur plusieurs calculateurs de mission en éliminant les points chauds des calculateurs centralisés qui doivent être conçus avec des systèmes de refroidissement de plus en plus complexes et couteux (caloducs, circuits séparés d’eau…), pénalisants en terme de poids, volume et d’entretien.

L’un des plus gros avantages du module processeur COM Express est sa forte capacité pour évacuer les calories du boitier dans lequel il est intégré. Le CPU et son Chipset, et aussi le System-on-Chip maintenant, placés sur le dessus du module peuvent évacuer les watts par des drains thermiques directement en contact avec le boitier du calculateur qui sert ainsi de radiateur passif, lui-même refroidi extérieurement par la ventilation naturelle ou forcée des ailettes ou par une plaque froide rattachée au châssis métallique du véhicule qui sert aussi à refroidir le SFF. Une efficacité bien plus grande comparée aux architectures VPX, VME, cPCI qui doivent faire passer tous les Watts à dissiper par le seul goulot d’étranglement des « Wedgelocks » entre les cartes et la carcasse mécanique du châssis. Dans l’ONYX-HD, l’autre source de chaleur est le GPU AMD E8860. Sur le même principe d’évacuation directe, le module mezzanine MXC a été préféré à l’utilisation plus courante des mezzanines XMC, chères aux mêmes cartes VME et VPX qui ont leurs composants en face des composants de la porteuse (une aberration technologique du point de vue mécanique et thermique)

COM Express a bien d’autres avantages. La modularité du module processeur COMe offre de grandes capacités de maintenabilité et de mise à jour. Cette flexibilité permet d’augmenter considérablement la durée de vie des SFF au-delà de 20 ans si on prévoit des mises à niveau du produit tous les 7 à 8 ans afin de suivre les évolutions des processeurs imposées par la roadmap Embedded d’Intel. Ces évolutions se réaliseront sans changer la forme du boitier, ni sa connectique externe; seule une nouvelle compilation de l’application avec les drivers spécifiques du nouveau module processeur sera nécessaire, rarement plus. Un vrai respect de la technologie d’insertion, chère aux architectures distribuées.

Pour les applications SFF haut de gamme qui nécessitent des solutions multiprocesseurs et une architecture système hétérogène, les calculateurs VPX-3U et/ou µTCA pourront se révéler un bon choix complémentaire des SFF COM Express. Typiquement, les applications de traitement de signal Radar/Sonar, la guerre électronique et les radiocommunications logicielles « Software Define Radio » sont les cibles à privilégier. Beaucoup de programmes dits de « retrofit » remplacent les vieux calculateurs centraux VME par un ou plusieurs SFF au format VPX-3U en interne. La nouvelle plateforme TOPAZE VPX qui sera présentée également sur le salon EUROSATORY 2016 par ECRIN Systems, répond à ce type de profile et niveau de performance. Le processeur serveur Intel Xeon-D intégrant 8 cœurs ouvre une nouvelle ère pour les systèmes mobiles en termes de puissance et de taille mémoire centrale offrant ainsi les grands avantages de la virtualisation. Le Broadwel-DE (Codename du Xeon-D) est le seul processeur haut de gamme à microarchitecture Core i7 d’Intel, garanti et certifié par le fabricant, fonctionnel entre -40°C et +85°C. Seul, à ce jour l’ATOM Bay Trail l’était pour les applications entrée de gamme. Ce qui en fait un candidat sérieux pour les prochains calculateurs embarqués dans l’aéronautique. On trouvera très souvent dans TOPAZE des cartes compagnons intelligentes pour le traitement du signal Radar à base de FPGA KINTEX UltraScale XCKU115 de Xilinx à forte valeur ajoutée en DSP pour les applications miliaires, équipées en frontal de module FMC VITA 57 pour des ADC/DAC très rapides (ADC 12-bit @ 4GSPS et DAC 14-bit @ 5.7GSPS par exemple). Le calculateur HPEC pourra être enrichi d’un compagnon discret GPGPU CUDA Maxwell 28nm de dernière génération du fabricant Nvidia pour traiter et analyser en temps réel et en parallèle les signaux acquis et filtrés à la sortie des FPGA.

Autant de choses à venir découvrir sur notre stand J730 dans le Hall 5 pendant la semaine d’EUROSATORY 2016 du 13 au 17 Juin prochain.

Nous vous attendons nombreux malgré les grèves dans les transports, la crue de la Seine et le temps maussade en ce début Juin…

A bientôt,

Elie Gasnier