軍用電腦科技趨勢與產業應用 全科科技 陳以昌

Agenda 軍用電腦的技術與功能簡介 商規電腦的演進與軍規電腦的應用趨勢 軍規FPGA 功能與國防航太電子產品 軍用電腦科技對民生應用與產業結合

軍用電腦 電腦 = 計算機 多核運算; How? 處理速度與頻寬的增加; How 軍規;軍用; 特點與規範? 哪些地方用軍規電腦?思考 from 一般產業觀點 通常依據使用場合;情境;環境;資料量;系統大小;定 義商用電腦與軍用電腦,使用者的定義是專業的, 與具長期經驗的。 軍用更可以說僅是科學與工程的一支。

技術平台 定義 整合平台: COTS + FPGA-DSP base OS Middleware COTS (商規;工規電腦;軍規),如Intel base FPGA-DSP base(與軍規電腦處理客製化相關的縮裝電 路;具有商規;工規;軍規元件與IC化處理能力) 整合平台: COTS + FPGA-DSP base OS Middleware

商規電腦演進與軍規電腦 商規電腦技術(Commercial Off-The-Shelf，COTS)就是 直接利用民間市場上現成的電腦產品，經過某種程 度的加固(Ruggedized)後被軍方的武器系統使用。 民間資訊科技進步神速，以往軍規電腦不斷地進行 性能提升，結果依舊遠遠落在民間科技，運算速度、 擴充性、相容性等落差太大。 商規產品另一個好處就是在市場上隨時能買到現貨， 購置、維修替換或升級都很方便，成本也低廉得多 台灣上市公司,茂訊/研華/瑞傳/凌華/融程…

商規電腦演進與軍規電腦 加固COTS組件的性能優良、成本表現出色，而且可靠 度與惡劣環境下的運作能力也有一定水準 。 但美國海軍最初還是對COTS充滿疑慮，限定其只能用 於支援性的用途，跟作戰直接相關的部分仍由軍規電腦 掌控；此外，考量到系統的穩定性，美國海軍仍不開放。 隨著技術與使用經驗的不斷累積，加固COTS電腦已經 逐漸能擔任海軍直接作戰任務，取代軍規系統。 美國空軍空用電子與陸軍戰場則是對COTS持保留態度, 並應用產品品保制度自製與委製相對是用與穩定的電腦 系統,已軍方大環境的觀點,把環境複雜度與資料處理等 級等因素加入後,大量使用軍規FPGA與DSP元件,完成軍 規電腦,縮小體積,增加可靠度與產能,製造度更是獲得改 善,提升COTS的整體性能與績效評估。 商規電腦與軍規電腦各有其優勢與適用性。

Xilinx FPGAs發展成本降低;時間更短 UART RS232 Ethernet PHY 10/100/1K Industrial Networking Protocols UART RS485 AES & Device Security CAN CAN Industrial I/O GPIO SPI Analog Input Dedicated DSP LCD/LED GPIO Watch dog Suspend Modes DRAM Timer/Counter Motor control Bridge/Feed back Motor control Algorithm PID;PWM FLASH controller FLASH Optional MMU FPU DDR/DDR2/DDR3 Crystal Oscillator Clock Management Memory controller Microblaze processor PCIex1 PCIe CPU Glue logic Area (Supported by Xilinx) Base Platform Domain Specific Memory Market Specific

Xilinx FPGA 產品線 特性比較 特性 Virtex-6 Virtex-5 Spartan-6 Spartan-3A延伸系列 邏輯單元 多達760,000個 多達330,000個 多達150,000個 多達53,000個 用戶I/O 多達1200個 多達576個 I/O多達519個 支持的I/O標準 超過40種 超過20種 時鐘管理技術 PLL DCM + PLL DCM 嵌入式Block RAM 高達38Mb 高達18Mb 高達4.8Mb 高達1.8Mb 用於DSP的嵌入式乘法器 有（25 x 18 MAC） 有（18 x 18 MAC） 有（18 x 18 MAC） 十億位元級高速串列 6.5 Gbps、超過11Gbps 3.75 Gbps、6.5 Gbps 3.125 Gbps 無 PCI Express®技術 Gen 1, x8,硬 Gen 2, x8,硬 Gen 1, x8,硬 Gen 2, x8,軟 Gen 1, x1,硬 MicroBlaze™軟處理器 有

軍規FPGA 功能與國防航太電子產品 軍用產品級Virtex®-5Q系列提供了最廣泛的、面向 任務關鍵型航太和軍事應用的可重程式設計器件選 擇。軍用產品級Virtex-5Q系列是A&D行業獨有的， 包括4種專用軍用產品級FPGA。 分類與設計評估 LX -航太和軍事應用高性能邏輯 LXT -航太和軍事應用高性能邏輯和連接功能 SXT -航太和軍事應用針對數位信號處理進行了優化 FXT -航太和軍事應用針對嵌入式處理進行了優化

軍用產品級Virtex-5Q FPGA的特性 LX LXT SXT FXT 帶有6-輸入LUT的ExpressFabric架構 Yes 500 MHz時鐘控制與管理檔（2DCM + 1PLL） 2 - 6 1-6 500 MHz block RAM 1,152-10,368  936-11,664 3,024-18,576 2,448-16,416 1.25 Gbps SelectIO™技術 RocketIO™ GTP收發器 -- 4-24 8-24 RocketIO GTX收發器 PCI Express®端點模組 1 1-4 乙太網媒體存取控制器 2 - 4 4 4-8 500 MHz DSP48E slice 32-192 24-192 192-1,056 64-320 PowerPC® 440處理器模組 1 - 2 系統監控器和模數轉換器 Sparse chevron封裝技術 增強型配置和位元流保護

軍用產品級Virtex-5Q平臺對比列表 系統要求 LX LXT SXT FXT 邏輯 Yes 高密度ASIC原型邏輯 通用處理 高性能處理   高密度ASIC原型邏輯 通用處理 高性能處理 數位信號處理(DSP) 低功耗串列I/O 高性能串列I/O 片上系統設計

F-xx戰鬥機任務計算機 (範例) 任務計算機

航太任務計算機 抬頭顯示( HUD) 地面戰術導航資料 VIRTEX-5Q 飛彈姿態計算 航太載具GPS資料 1553B Bus Controller 目標雷達資料 飛行員操作介面控制信號 電源與飛彈發射單元控制

軍規;軍用; 特點與規範 軍規特點 品質規範/採購/測試 充分考量嚴苛的實戰環境與狀況，在可靠性、可維修 性、安全性、在惡劣環境下的運作能力(軍規電腦而 言需考慮濕熱、霉菌侵蝕、鹽霧、震動搖擺以及電磁 兼容性(EMC)等環境)等方面有非常高的要求 商規產品即使經過加固也達不到軍規的耐用標準。 品質規範/採購/測試 軍規電腦必須符合嚴格的規範，加上採購法令、程序 繁瑣，在測試以及行政程序上往往花費極長的時間； 軍規電腦產量不可能達到經濟批量、必須自行建立一 套軟硬體架構，導致軍規電腦的價格十分高昂

FPGA-DSP base 的特色 具有運算速度、擴充性、相容性的性能。 Xilinx; (另外Altera; Alctel) FPGAs 供應商 依據功能多寡,量身訂做最佳化的平台。優點如下 : 內嵌式硬體客製化能力高於目前PC base工規電腦。 具有進入ASIC製程,保證可以利用cell 技術,達到目前科技的極 限,即最高與最直接的頻寬與速度利用率. 具有高規格定義的硬體信號處理能力,如 FFT…等。 具有可定義與規劃的高寬頻的通信介面。 低成本的商、工、軍、航太規格的平台移植發展模式。 內在的智財核心(IP cores),量身訂作與彈性的共同開發平台,並 強調智財核心的保護機制,具有防側錄盜拷功能。 具有彈性與豐富的多核心運算處理器功能。

FPGA應用 軍事用途範例 美國國防部 將 Xilinx 軍用產品解決方案視為其未來 平臺的主要驅動因素。 Xilinx世界級領導地位基於最先進的工藝技術、器 件功能、開發工具和 IP。 整合了全球技術支援和主要的協力廠商關係，著重 滿足軍用電子系統的主要要求，並為用戶創造新的 商機。

工業應用範圍 航空與軍事 汽車船舶工業 數位廣播與多媒體 消費性類 資料資訊處理與儲存 ISM 產業 有線與無線通訊

航空與軍事 航空電子學 資訊娛樂和顯示器系統 用於中子 SEU 的 FPGA 的窮舉分析 用於修正配置記憶體單元的 IP 電子戰 先進的信號處理和嵌入式處理 軍事通信 SDR 開發套件 軍事衛星通信 用於實現最佳的集成式處理解決方案的嵌入式 PowerPC® 處理器模組 用於實現高速率資料傳輸的十億位元級收發器 邏輯密度最大、性能最高、功耗最低的解決方案 導彈和軍需品 用於大多數世界領先的導彈設計中 集成式 PowerPC 處理器、DSP 引擎、邏輯和高速鏈路 EO/IR、成像和雷達即時 DSP 處理 制導、控制、目標跟蹤和 RF 應用 雷達 安全解決方案 信號情報 UAV 用於控制台處理的嵌入式 PowerPC 處理器模組 用於目標識別和交戰的影像處理 IP 現有 UAV 的制導與導航控制

內嵌式FPGA特點 1)內嵌式硬體客製化能力高於目前PC base工規電腦。 2)具有高規格定義的硬體信號處理能力,如 FFT…等。 3)具有可定義與規劃的高寬頻的通信介面。 4)低成本的商、工、軍、航太規格的平台移植發展模式。 5)內在的智財核心(IP cores),量身訂作與彈性的共同開發平台,並6)強調智財核心的保護機制,具防止剽竊功能。 7)具有彈性與豐富的多核心運算處理器功能。 航太軍警 產業 航海船舶 產業 車輛電子 產業 機械電子 產業 能源/工業控制 產業 醫療工業 產業

產業結合 監控產業 航海船舶 車輛電子 Data collector 工控產業

產業分析(航海船舶) 聲納/地形水文/GPS繪圖與辨識與紀錄 聲納/魚群監測/ 影像處理 航行電腦/渦輪/致動器控制 影像處理

感應器(安全氣曩;倒車雷達;影像CMOS;壓力; 震動;限制開關) 產業分析(車輛電子) 慣性單元/GPS導航與地理資訊系統 /防盜監測/ 影像處理 行車電腦/胎壓管理系統 各類影像處理 /通訊/ 感應器(安全氣曩;倒車雷達;影像CMOS;壓力; 震動;限制開關)

產業分析(Data collector) 二維動態微像掃描 點鈔機 工業檢視系統 低耗電;微型手持式資料擷取器 經濟型光學掃描器

傳統工控產業分析(微處理機電路縮裝;省電/變小) 工業無線控制模組 戶外型控制電源與信號主機 太陽能電源管理 風力發電能源管理 無線/手持的各類信號測試器

民生應用的軍事科技整合 國土安全/自然災害預防與恢復/ 綠能/節能環境/替代能 通訊/視訊與語音 大型系統計畫能力與管理 監控/工控/醫療/車輛/船舶/飛機 機械人/微機電系統/ 其他

謝謝與指教