MOSA, SOSA ו-VITA מוסברים: התקנים שמאחורי אלקטרוניקת ההגנה של VPX

אם אתם עובדים במחשוב משובץ להגנה, סביר שהיתקלתם ב-MOSA, SOSA, VITA ו-VPX באותה שיחה ותהיתם בדיוק כיצד הם משתלבים זה בזה. הוסיפו את IEEE, SpaceVPX, PCI ומספר מסגרות רגולטוריות והנוף יכול להרגיש מבלבל במהירות. מדריך זה מפרק כל תקן ומסגרת, מסביר כיצד הם קשורים זה לזה ומבהיר מה משמעותם למהנדסים המתכננים, רוכשים או מאחדים מערכות אלקטרוניות קשוחות.

מהי MOSA ולמה היא נדרשת לתוכניות הגנה?

MOSA מייצג Modular Open Systems Approach (גישה למערכות פתוחות מודולריות). זוהי אסטרטגיה טכנית ועסקית המוטלת על פי חוק אמריקאי תחת 10 U.S.C. 4401-4403 לכל תוכניות הרכש הגדולות של ההגנה (MDAPs) וככל שניתן, לכל תוכניות הרכש של משרד ההגנה. MOSA אינה מפרטת חומרה או אישור מוצר. זוהי מסגרת מדיניות המחייבת תכנון תוכניות עם רכיבים מודולריים וממשקים פתוחים וסטנדרטיים המאפשרים הוספה, החלפה או שדרוג של חומרה ותוכנה לאורך מחזור חיי המערכת ללא צורך בתכנון מחדש של כל המערכת.

משרד ההגנה (DoD) מקדם את MOSA מחמש סיבות עיקריות:

• תחרות מוגברת בין ספקים באמצעות ארכיטקטורה פתוחה ומודולרית המאפשרת תחרות פתוחה על רכיבים בין ספקים.
• רענון טכנולוגי קל יותר על ידי החלפת רכיבים בודדים ללא צורך בתכנון מחדש של כל המערכת.
• הכנסת חידושים מהירה יותר באמצעות גמישות תפעולית לקונפיגורציה וקונפיגורציה מחדש של נכסים כדי לעמוד בדרישות משתנות.
• חיסכון בעלויות באמצעות שימוש חוזר ברכיבים לאורך מחזור חיי הרכש ובין תוכניות שונות.
• שיפור באינטרופרביליות על ידי מתן אפשרות להחליף מודולי חומרה ותוכנה באופן עצמאי ללא שינויים מערכתיים מתמשכים.

MOSA נאכף באמצעות שפת חוזה בתוספת הרגולציה הפדרלית לרכש של משרד ההגנה (DFARS). הדרך שבה MOSA מיושמת בפועל בחומרה היא באמצעות תקנים פתוחים מבוססי קונסנזוס, שם גופים כמו VITA ו-IEEE, וקונסורציומים כמו SOSA, הופכים להיות חיוניים.

עבור ספקי חומרה ומאינטגרטורים של VPX, תאימות MOSA אינה אישור נפרד שיש לרדוף אחריו. היא התוצאה הטבעית של בניית מוצרים סביב תקנים פתוחים מבוססי קונסנזוס. ווודלוקים ומפלטים שתוכננו לפי תקני המידות של VITA מאפשרים מקורות כרטיסים מרובי ספקים בכל מארז תואם, ומאפשרים ישירות את הארכיטקטורה התחרותית והניתנת לרענון ש-MOSA דורשת. תוכנית OpenCOTS של WaveTherm לוקחת זאת צעד נוסף קדימה על ידי מתן עיצובים פתוחים של מסגרות חום להפחתת מחסומים למהנדסים הבונים מערכות תואמות VITA.

מהו SOSA וכיצד הוא קשור ל-VITA ול-VPX?

SOSA הוא ראשי תיבות של Sensor Open Systems Architecture. זהו תקן טכני שפותח על ידי קונסורציום The Open Group SOSA, המתמקד במיוחד במערכות חיישנים לתוכניות הגנה. מטרת SOSA היא לקדם תאימות, מודולריות ושימוש חוזר במטעני חיישנים ועיבוד בין פלטפורמות וספקים שונים. בעוד MOSA היא מדיניות עליונה של משרד ההגנה, SOSA היא מסגרת יישום ספציפית בתוך מדיניות זו, המתמקדת בתחום מערכות החיישנים.

SOSA לא יוצרת גורם צורה חומרתי משלה. התקן הטכני של SOSA משתמש בפרופילי חריץ ומודול OpenVPX (VITA 65) כבסיס החומרה שלו. VITA מגדירה מעל שישים פרופילי VPX 3U מובחנים. SOSA בוחרת כ-15 אחוז מהם ובמקרים מסוימים מוסיפה דרישות נוספות מעליהם. כרטיס תואם SOSA הוא כרטיס VPX שנבנה לפי פרופילי VITA 65 ספציפיים עם דרישות SOSA נוספות. אי אפשר לבנות חומרה תואמת SOSA מבלי לעמוד תחילה בתקני VITA הבסיסיים.

כמו VPX סטנדרטי, SOSA תומך במגוון שיטות הקירור של VITA 48. גישת הקירור למערכת נתונה מוגדרת ברמת פרופיל החריץ, ולא מחייבת באופן אחיד בכל פריסות SOSA. עבור רכיבים תרמיים ומכניים, SOSA לא מוסיף דרישות חדשות מעבר לתקני VITA הבסיסיים. גאומטריית הוודג'לוק, מימדי מסגרת החום והממשקים התרמיים מוגדרים על ידי VITA. SOSA יורש אותם.

מהי VITA ואילו תקנים היא מפקחת עליהם?

VITA הוא ראשי תיבות של VMEbus International Trade Association. זו ארגון תקנים מוסמך ANSI שכותב ומתחזק תקנים טכניים פתוחים לחומרה מחשובית משובצת עמידה. VITA הוא גוף התקנים שמייצר את אבני הבניין שתוכניות כמו SOSA משתמשות בהן ומסגרות מדיניות כמו MOSA מסתמכות עליהן. תקני VITA מגדירים מחברים, מעטפות מכניות, מבני לוח אחורי, ממשקי קירור, וכל מה שהופך כרטיסי VPX ומארזים לתואמים פיזית וחשמלית בין ספקים.

מכיוון ש-VITA מוסמכת על ידי ANSI ומפתחת תקנים באמצעות תהליך מבוסס קונסנזוס, תקני VITA נחשבים ל"תקנים נתמכים באופן נרחב ומבוססי קונסנזוס" לפי 10 U.S.C. 4401, החוק שמגדיר את דרישות MOSA. זה מה שהופך את VITA לכלי המרכזי לציות ל-MOSA בחומרה מחשובית משובצת. תוכניות שמתכננות לפי תקני VITA בונות מטבען על הממשקים הפתוחים והמבוססי קונסנזוס ש-MOSA דורש לפי חוק.

VITA 46: מהו VPX?

VPX הוא תקן מחשוב משובץ מחוספס המשמש בתחומי ההגנה, התעופה ויישומים בסביבות קשות אחרות. מערכת VPX מורכבת ממארז, לוח אחורי וכרטיסי התקנה (PICs) שנכנסים ללוח האחורי. המארז מספק את המבנה המכני, תשתית הקירור והפצת ההספק. הלוח האחורי מעביר נתונים במהירות גבוהה בין הכרטיסים. כרטיסי ההתקנה הם המקום שבו מתבצעת העיבוד, החישה, התקשורת או ה-I/O בפועל. VPX הוצג בשנת 2007 כיורש ל-VMEbus, שנועד לתמוך בקצבי נתונים סריאליים מהירים מודרניים תוך שמירה על פורמט Eurocard המחוספס שתוכניות הגנה הסתמכו עליו במשך עשורים. הוא מגיע בשני גדלים עיקריים: 3U (קטן יותר, קל יותר, נפוץ ביישומי SWaP מוגבלים באוויר ובכלי רכב) ו-6U (גדול יותר, בעל קיבולת הספק גבוהה יותר, משמש במערכות עם דרישות I/O ועיבוד גבוהות יותר).

VITA 46 הוא התקן הספציפי שמגדיר את VPX ביסודו. הוא מגדיר את המחבר הבסיסי, הפורמט המכני וממשק הלוח האחורי שכל כרטיסי VPX והמארזים חולקים. במקום ארכיטקטורת האוטובוס המקבילית של VME, לוחות אחוריים התואמים ל-VITA 46 משתמשים בפרוטוקולי בד סריאלי מהיר כולל PCIe, Ethernet ו-RapidIO, מה שמעניק ל-VPX את רוחב הפס הדרוש להזנת מעבדים ו-FPGA מודרניים. VITA 46 הוא אחד התקנים המרכזיים המאפשרים MOSA למחשוב משובץ בתוכניות הגנה. תוכניות המשתמשות ב-VPX יכולות להשיג לוחות מספקים מתחרים מרובים ללא עיצוב מחדש של המארז, מה שמאפשר ישירות את התחרות הרב-ספקית ואת רענון הטכנולוגיה ש-MOSA דורש.

VITA 48: איך VPX מטפל בניהול תרמי?

VITA 48, הידועה גם כ-REDI (יישום עיצוב משופר מחוספס), היא משפחת התקנים השולטת בניהול תרמי ובעיצוב מכני עבור יחידות VPX. כל תת-תקן מגדיר גישת קירור שונה המתאימה לסביבת פריסה שונה. בחירת שיטת VITA 48 הנכונה היא החלטה ברמת המערכת המונעת על ידי תשתית הקירור הזמינה, צפיפות ההספק ודרישות הסביבה.

VITA 48.1: קירור אוויר

VITA 48.1 משתמשת בזרימת אוויר כאמצעי העיקרי להסרת חום מיחידות VPX. זו הגישה הסטנדרטית לפיתוח והגדרות מעבדה, שבהן לא נדרש מארז אטום וניהול תרמי לסביבה קשה. מערכות מסוימות המופעלות בשטח גם מפעילות קירור אוויר כאשר סביבת הפעולה מאפשרת זאת.

VITA 48.2: קירור בהולכה

VITA 48.2 הוא התקן הדומיננטי למערכות צבאיות קשוחות בפריסה. החום שנוצר בכרטיס המעגל עובר דרך ה-heatframe, דרך מנעול היתד, ואל קיר הקור של המארז. מנעול היתד אינו רק מחזיק מכני. הוא ממשק תרמי קריטי במסלול החום, וכוח ההידוק שלו, שטח המגע, וחתך החום שלו קובעים ישירות כמה חום יוצא מהכרטיס. VITA 48.2 מגדיר גם דרישות תחזוקה ברמה דו-שלבית (2LM), כלומר מנעולי יתד ומפלטים חייבים לאפשר לטכנאים בשטח להחליף כרטיסים ללא כלים מיוחדים או תמיכה ברמת המחסן.

WaveTherm מעצבת מנעולי יתד ומפלטים במיוחד לפי דרישות VITA 48.2. תוכנית OpenCOTS מספקת ערכות heatframe סטנדרטיות ופתוחות למהנדסים הבונים מערכות VITA 48.2, ומסירה אחד מהצווארי בקבוק הנפוצים בפיתוח: קבלת עיצוב heatframe שניתן לייצור ללא צורך בספק מותאם לפרויקט קטן.

VITA 48.4: קירור זרימת נוזל דרך המודול

VITA 48.4 מעביר נוזל קירור ישירות דרך המודול, תוך שימוש במערכת ניהול החום של הרכב המארח. הוא מיועד ליישומים משולבי רכב שבהם צפיפות ההספק גבוהה מספיק כדי לעלות על מה שקירור בהולכה יכול להתמודד איתו. מכיוון שמקור הקירור הוא הרכב עצמו, פרטי היישום בדרך כלל ספציפיים לכל פלטפורמה.

VITA 48.5: קירור זרימת אוויר דרך מחליף חום

VITA 48.5 מעביר אוויר דרך מחליף חום המבודד מהאלקטרוניקה הפנימית של המודול. שמירת זרם האוויר נפרד מהאלקטרוניקה הופכת את הגישה הזו לפרקטית בסביבות שבהן חלקיקים או מזהמים באוויר עלולים להוות בעיה.

VITA 48.7: קירור זרימת אוויר בצמוד

VITA 48.7 מזרים אוויר על פני סנפירים המשולבים במשטח החיצוני של המודול. הביצועים התרמיים תלויים במידה רבה בגאומטריית הסנפירים ובקצב זרימת האוויר הזמין, לכן עיצוב גוף הקירור מותאם בדרך כלל ליישום הספציפי.

VITA 48.8: קירור זרימת אוויר דרך מחליף חום עם סנפירים

VITA 48.8 מעביר אוויר דרך מערך סנפירים מובנה במודול, עם מסלולי זרימה ניתנים להתאמה לשיפור היעילות התרמית. שווה לציין שעיצובים עם אוויר מאולץ בעלי ביצועים גבוהים לא תמיד עולים על קירור בהולכה כאשר צפיפות ההספק עולה. השוואה ברמת המערכת מול VITA 48.2 מומלצת לפני שמחליטים על גישת קירור באוויר.

VITA 65: מהו OpenVPX ולמה זה חשוב?

VITA 65, הידוע כ-OpenVPX, הוא תקן האינטרופרביליות ברמת המערכת המבוסס על VPX. VITA 46 מגדיר את החומרה הפיזית. VITA 65 מגדיר כיצד להרכיב את החומרה הזו למערכת רב-ספקית עובדת ואינטרופרבילית. OpenVPX עושה זאת דרך שלושה סוגי פרופילים: פרופילי חריצים (מה חריץ במארז מקבל), פרופילי לוח אחורי (כיצד החריצים מחוברים זה לזה), ופרופילי מודולים (מה כרטיס התקנה תומך). כל השלושה חייבים להתאים כדי שמערכת רב-ספקית תעבוד כראוי.

OpenVPX הוא השכבה שבה האינטרופרביליות בין ספקים מרובים הופכת לניבויה ומובטחת במקום להיות אפשרית תיאורטית. כאשר תוכנית מגדירה פרופיל חריץ OpenVPX, כל כרטיס תואם מפרופיל זה מכל יצרן יוכנס לחריץ ויתקשר דרך המשטח האחורי. זוהי הארכיטקטורה התחרותית והמתחדשת ש-MOSA דורש ברמת החומרה. SOSA בוחרת את פרופילי החומרה שלה מתוך OpenVPX ומוסיפה דרישות נוספות, מה שהופך את ההתאמה לפרופילי VITA 65 הרלוונטיים לתנאי מוקדם לכל חומרה התואמת ל-SOSA.

VITA 78: מהו SpaceVPX?

VITA 78 הוא התאמה של תקן VPX שנועדה במיוחד ליישומי חלל, כולל לוויינים, כלי שיגור וחלליות. VPX הסטנדרטי תוכנן לסביבות קרקע, אוויר וימיות. החלל מציב אתגרים שונים מהיסוד: תנאי ואקום שמבטלים קירור באמצעות הסעה, קרינה מיוננת שפוגעת באלקטרוניקה סטנדרטית, מחזורי חום קיצוניים בין שמש לצל, רעידות וזעזועים קשים בשיגור, ודרישות פליטת גזים שמונעות שימוש בחומרים רבים הנפוצים במערכות קרקע.

במערכת SpaceVPX, קירור בהולכה אינו העדפה אלא דרישה. ללא אטמוספירה, כל מודול חייב להעביר חום בהולכה דרך מבנה השלדה, שמקרין אותו לחלל. זה הופך את הממשק המכניקלי בין הכרטיס, המקביל ל-wedgelock, לבין מסילת השלדה לקריטי באופן מוחלט יותר מאשר במערכות קרקעיות. SpaceVPX דורש גם רכיבים עמידים לקרינה או מחוסני קרינה וחומרים התואמים לדרישות פליטת גזים לכל החומרה שבנתיב התרמי.

מזרקי WaveTherm תואמים במלואם ל-VITA 78.0, וקיימים ערכות OpenCOTS heatframe ליישומי VITA 78.0.

מה ההבדל בין PCI, CompactPCI ו-VPX?

PCI, או Peripheral Component Interconnect, הוא תקן אוטובוס מקבילי שפותח על ידי אינטל בתחילת שנות ה-90 לכרטיסי הרחבה במחשבים שולחניים. PCI עצמו אינו בשימוש במערכות VPX מודרניות, אך הוא האב של PCIe (PCI Express), שהוא אחד מהסיבים הסריאליים המהירים העיקריים המשמשים כיום במשטחי VPX. PCIe מנוהל על ידי PCI-SIG (PCI Special Interest Group) ומוכר כתקן המאפשר MOSA דרך תהליך פיתוח מבוסס קונסנזוס.

CompactPCI (cPCI), שפותח על ידי PICMG באמצע שנות ה-90, התאימו את סרגל ה-PCI לפורמט המכני של Eurocard המשמש ביישומים תעשייתיים וצבאיים קשוחים. cPCI היה פלטפורמת המחשוב המוטמעת הקשוחה הדומיננטית עד סוף שנות ה-90 ותחילת שנות ה-2000 לפני שהוחלף על ידי VPX ביישומי ביצועים גבוהים צבאיים. VPX החליף את סרגל ה-PCI המקביל ברשתות סריאליות מהירות תוך שמירה על המורשת המכאנית הקשוחה של Eurocard. תוכניות צבאיות רבות עדיין פועלות על חומרת cPCI, ורענון טכנולוגי מונע MOSA הוא אחד הכוחות המרכזיים שמזיזים תוכניות אלה לארכיטקטורות VPX מודרניות. המפלטים של WaveTherm משרתים פלטפורמות cPCI בנוסף ל-VPX, ומכסים את כל טווח הצרכים לשימור לוחות מבוססי Eurocard.

איזו תפקיד ממלא IEEE במערכות VPX?

IEEE, המכון למהנדסי חשמל ואלקטרוניקה, הוא אחת מארגוני התקנים הטכניים הגדולים בעולם. IEEE רלוונטי ל-VPX כי VITA ו-IEEE משתפות פעולה ישירות: VITA בונה כמה מהתקנים שלה על בסיס תקני יסוד של IEEE. IEEE מוכר גם כגוף תקנים מבוסס קונצנזוס ומאושר ANSI, מה שאומר שתקני IEEE מתאימים כתקני MOSA לפי 10 U.S.C. 4401 באותה מידה כמו תקני VITA.

IEEE 1101.2: היסוד המכני ל-VPX מקורר הולכה

IEEE 1101.2 הוא התקן IEEE הרלוונטי ביותר לעיצוב תרמי ומכני של VPX. הוא מגדיר את דרישות העיצוב המכני והממשק התרמי לכרטיסי Eurocards מקוררי הולכה. VITA 48 מתבסס ישירות על IEEE 1101.2, ו-6U VPX דורש במפורש עמידה במעטפת מקוררת הולכה לפי IEEE 1101.2. זה הופך אותו למסמך היסוד לגאומטריית ממשק תרמי wedgelock ולעיצוב heatframe במערכות VPX.

wedgelock או heatframe התואמים ל-VITA 48.2 מתאימים בהרחבה גם לתקן המכני הבסיסי IEEE 1101.2. שני התקנים משולבים, לא מתחרים. IEEE 1101.2 מגדיר את המעטפת הפיזית לכרטיסי Eurocards מקוררי הולכה. VITA 48 מוסיף דרישות ספציפיות ל-VPX מעל בסיס זה.

תקני IEEE נוספים באקוסיסטם VPX

IEEE 802.3, תקן האת'רנט, משמש בתקשורת VPX ב-backplane. VITA פיתחה תקני ממשק לטיפול בשכבות פרוטוקול IEEE 802.3 על פני backplanes של VPX. IEEE 1149.1, הידוע גם כ-JTAG, הוא תקן סריקת גבול המשמש לגישה לבדיקות וניפוי שגיאות בעיצוב לוחות VPX. IEEE 1386, תקן כרטיס PCI Mezzanine, הוא התייחסות היסטורית המספקת הקשר להבנת התפתחות VPX מצורות Mezzanine מוקדמות יותר. תקנים אלה פועלים ברמת החשמל והפרוטוקול ואין להם השפעה ישירה על רכיבים תרמיים או מכניים במערכת.

תקני רגולציה וציות: ISO, ITAR, DFARS, RoHS ו-REACH

מעבר לתקנים הטכניים המפקחים על עיצוב חומרה, ספקי אלקטרוניקת הגנה פועלים במסגרת רגולטורית וציותית. אלו אינם מפרטי עיצוב אלא דרישות חוקיות וחוזיות המשפיעות על אופן ייצור, יצוא ומכירת מוצרים לתוכניות הגנה.

• ISO 9001 (ניהול איכות): תעודת מערכת ניהול האיכות הבסיסית. לקוחות הגנה דורשים בדרך כלל ISO 9001 כהסמכה בסיסית לספק, המראה תהליכים מתועדים וניתנים לחזרה לעיצוב, ייצור ובקרת איכות. WaveTherm מוסמכת ISO 9001.
• ITAR (תקנות תעבורת נשק בינלאומיות): תקנות משרד החוץ האמריקאי המפקחות על יצוא וייבוא של פריטי הגנה ונתונים טכניים הרשומים ברשימת התחמושת האמריקאית. רישום ITAR הוא דרישה בלתי ניתנת למשא ומתן לספקים המוכרים פתרונות תרמיים או מכניים לתוכניות VPX של ההגנה האמריקאית. התקנה מגבילה כיצד חומרה ונתונים יכולים להיות משותפים עם אזרחים זרים או ישויות ללא רישיון יצוא.
• DFARS (תוספת לתקנות הרכש הפדרליות של ההגנה): תוספות ספציפיות ל-DoD לתקנות הרכש הפדרליות המפקחות על חוזי הגנה. DFARS הוא האופן שבו מדיניות MOSA הופכת לחובת חוזה. DFARS חלק 207.106 דורש במפורש ארכיטקטורות מודולריות ופתוחות כדי לאפשר תחרות לשדרוגים. DFARS 252.227 מפקח על זכויות נתונים טכניים הרלוונטיים לדרישות תיעוד ממשקי MOSA.
• RoHS (הגבלת חומרים מסוכנים): הוראת האיחוד האירופי המגבילה חומרים מסוימים מסוכנים באלקטרוניקה. אלקטרוניקת הגנה וצבאית בדרך כלל פטורה מ-RoHS הן באיחוד האירופי והן בארה"ב. תוכניות צבאיות מציינות לעיתים קרובות תהליכי הלחמה לא-RoHS (עם עופרת) מסיבות אמינות, שכן הלחמה ללא עופרת רגישה יותר לצמיחת שערות בדיל ביישומים בעלי אמינות גבוהה.
• REACH (רישום, הערכה, אישור והגבלת כימיקלים): תקנה של האיחוד האירופי המפקחת על חומרים כימיים במוצרים הנמכרים בשווקי האיחוד האירופי. עמידה ב-REACH רלוונטית בעיקר לספקים החשופים לשוק האירופי. עבור תוכניות הגנה אמריקאיות טהורות, ל-REACH יש יישום ישיר מוגבל, אך מודעות לחומרים מוגבלים בחומרי ייצור נחשבת לפרקטיקה טובה.

יש לכם שאלות לגבי האופן שבו התקנים הללו חלים על התוכנית שלכם או אילו מוצרים מתאימים ליישום שלכם? צרו קשר עם צוות ההנדסה של WaveTherm לקבלת תמיכה טכנית ישירה.