14 декабря, 2014

Стандарт VPX: путь к зрелости

Строго говоря, под термином «VPX» следует понимать не конкретную спецификацию ассоциации VITA: «VITA 46». Это большая серия связанных стандартов, которые описывают вопросы архитектуры, системотехники, механики, альтернативных системных соединителей, методов охлаждения и обслуживания систем на уровне ТЭЗов для боевых встраиваемых систем. К рассмотрению такого сложного и масштабного явления, как VPX, можно подходить с разных сторон, в том числе с исторической. К началу XXI столетия технология VME оказалась в эволюционном тупике, исчерпав все существенные возможности развития. Инициатива VME Renaissance ассоциации VITA имела своей основной целью повышение пропускной способности VME-совместимых систем, поскольку именно пропускная способность шины VMEbus являлась (и остается) наиболее проблемным местом классической архитектуры VME. На первом этапе «ренессанса VME» был придуман протокол 2eSST (спецификация VITA 1.5), благодаря которому скорость параллельного интерфейса VME удалось поднять до 320 Мбайт/с. Затем была разработана спецификация VITA 31, описывающая реализацию в крейте VME некоего подобия высокопроизводительной системы CompactPCI PICMG 2.16 с подключением плат к быстрым внутрисистемным каналам GEthernet через стандартный разъем VME64x P0 (по два порта GEthernet на один разъем). В дальнейшем появилась возможность привлекать для организации взаимодействия между слотами не только GEthernet, но и другие передовые коммуникационные технологии, такие как InfiniBand, Serial RapidIO, 10 GEthernet и PCI Express. Соответствующий стандарт, получивший название VXS (спецификация VITA 41), определил разъем P0 новой конструкции, который позволил обеспечить поддержку до четырех быстрых 10-гигабитных портов на одну плату, но привел к частичной утрате механической совместимости с исходной системной архитектурой VME.

Рис. 1. Защищенный модуль стандарта VPX REDI в герметичном кожухе

В середине «нулевых» стало окончательно ясно, что традиционная версия системной архитектуры VME со всеми ее модификациями не имеет будущего в долгосрочной перспективе. На этом историческом фоне прозвучал заключительный аккорд программы VME Renaissance: ассоциация VITA (http://www.vita.com) одобрила спецификацию VPX (VITA46), окончательно порвавшую с исходной архитектурой VME в плане механики системного разъема, электрики и протоколов передачи данных.

Операция «преемник»

Разработчики новой магистрально-модульной архитектуры из числа компаний, входящих в консорциум VITA, желали использовать представившийся им шанс по максимуму. По мысли создателей, архитектура VPX должна была поддерживать те же типоразмеры 3U и 6U, что и ее предшественницы, но базироваться на других системных разъемах, поскольку унаследованные разъемы VME и CompactPCI обладали рядом неустранимых недостатков. Основной из них – малая полоса пропускания для поддержки современных последовательных технологий обмена данными.

Кроме того, претендуя на статус ключевой технологии для клиентов из оборонной и аэрокосмической отраслей, VPX должна была быть готовой к применению в проектах с жизненным циклом, исчисляемым десятилетиями. Это обязывало ее авторов создать задел на будущее и предусмотреть в новом стандарте поддержку высокоскоростных последовательных внутрисистемных соединений на основе как уже существующих (например 10 GEthernet), так и перспективных высокопроизводительных коммуникационных технологий (40 GEthernet, 100 GEthernet). При этом системы на основе архитектуры VPX должны были стать комфортной средой обитания для мощных процессоров текущего и следующих поколений, что требовало предусмотреть эффективный отвод тепла от отдельных модулей. Было весьма желательно также, чтобы платформа, идущая на смену VME и CompactPCI, стала ответом на чаяния абсолютного большинства владельцев боевой компьютерной техники, давно мечтавших о возможности безопасной замены хорошо защищенных отдельных модулей в полевых условиях.

Не будет большим преувеличением сказать, что новый системный разъем является центральным структурным элементом всего здания VPX и во многом определяет ключевые потребительские свойства этой системной архитектуры. Новый разъем ориентирован на использование высокопроизводительных коммуникационных технологий вроде 10 GEthernet, PCI Express, Serial RapidIO и InfiniBand. Для совместимости с унаследованными системами VME на разъеме распинована классическая шина VME.

Системные архитектуры VPX и VME роднит ориентация на одни и те же приложения (преимущественно оборонные и аэрокосмические), а также поддержка со стороны одних и тех же производителей, которые, собственно, и продвигают стандарт VPX на рынок в качестве замены и «продолжателя дела VME». Подобно изделиям VME, изделия VPX могут существовать в защищенных версиях, рассчитанных на эксплуатацию в экстремальных условиях. В данном отношении VPX идет много дальше VME, поскольку поддерживает такую степень защищенности на уровне плат, которая позволяет заменять отдельные модули «в поле» без принятия особых мер предосторожности и участия высококвалифицированного обслуживающего персонала (стандарт VPX REDI).

Кроме того, системная архитектура VPX близка к VME в том смысле, что она близка к пользователям VME. Существующим пользователям она предлагает наиболее естественный и эффективный путь в будущее на правах официально объявленной преемницы VME. Если же вести речь об освоении с нуля, т. е. о новых пользователях, архитектура VPX может оказаться даже проще VME, поскольку технологически гораздо сильнее связана с миром общегражданских систем, наследуя из этого мира наиболее развитые технологии передачи данных.

Стандарт с человеческим лицом

Может показаться, что ввиду отсутствия совместимости между архитектурами VME и VPX на физическом, электрическом и программном уровнях освоение технологии VPX есть дело сложное и дорогое, однако это не так. VPX является весьма дружественной к пользователю в силу одного важного обстоятельства: с точки зрения применяемых базовых технологий типичная VPX-система гораздо ближе к миру обычных настольных ПК, чем система VME. В типичной VPX-системе нет экзотической шины VMEbus, а все остальное по большей части заимствовано с рынка настольных компьютеров и серверов. Основная масса оборудования VPX строится на базе тех же x86-совместимых процессоров, модулей памяти и периферии и опирается на те же интерфейсные и коммуникационные технологии (PCI Express, GEthernet, USB, HDMI/DisplayPort), что и настольные системы. Даже мощные мультипроцессорные комплексы в стандарте VPX, при всей их новизне и уникальности, являются, в сущности, ни чем иным, как привычными вычислительными кластерами, где роль отдельных компьютеров играют VPX-модули, а межмашинное (межмодульное) взаимодействие, как и ранее, осуществляется по каналам GEthernet, выполненным не в виде кабелей, а в виде дорожек на объединительной магистрали. Как следствие, львиная доля труда по созданию типичной VPX-системы не требует каких-то сакральных знаний, которые приобретаются лишь за долгие годы работы в специальных областях над специальными проектами, и может осуществляться экспертами по вполне обычным системам настольно-офисного класса.

Стандарт VPX допускает использование различных коммуникационных технологий для организации взаимодействия между платами. Однако на практике внутрисистемный обмен чаще всего организуется при помощи привычных GEthernet и PCI Express. Легко понять, почему это так: абсолютное большинство выпускающихся в настоящее время VPX-модулей строится на базе современных x86-совместимых процессоров, чьи чипсеты поддерживают технологию PCI Express по умолчанию.

Ни отсутствие обратной совместимости с VME, ни принципиально новая функциональность не могут считаться факторами, осложняющими освоение системной архитектуры VPX. Тем не менее, вплоть до недавнего времени сложности с освоением VPX возникали у многих клиентов. И обусловлены эти сложности были несовместимостью оборудования в рамках самой экосистемы VPX.

Свобода или вседозволенность?

Воздух свободы сыграл с авторами стандарта VPX злую шутку. Создатели VPX так сильно стремились вырваться за тесные рамки VME, что несколько переоценили потребности рынка в свободе самовыражения со стороны поставщиков оборудования. Желая обеспечить охват максимально широкого диапазона конечных приложений, авторы нового стандарта сделали его воистину всеобъемлющим – и, как ни странно, именно это стало серьезным препятствием на пути VPX к широкому признанию. Несколько чрезмерная свобода маневра, заложенная в спецификацию VITA 46, приводила к тому, что оборудование одного производителя оказывалось несовместимым с оборудованием другого производителя. В результате более-менее законченные проекты удавалось реализовывать лишь на базе изделий одного поставщика: Kontron, GE IP, Curtiss Wright или кого-то еще.

Энтузиасты – и таких было немало – не видели в этом ничего страшного, однако подавляющее большинство «нормальных» пользователей такое положение дел не устраивало. Разработчики, привыкшие брать лучшие совместимые продукты из разных источников и быстро создавать мультивендорные конечные системы, оптимально заточенные под конкретные прикладные задачи, были де-факто лишены такой возможности. Несовместимость между VPX-изделиями разных производителей имела место, главным образом, на системном уровне, более конкретно – в таких важнейших аспектах, как назначение контактов в разъеме и организация тыльного ввода-вывода. Теоретически VPX, как и всякий приличный стандарт, должен был обеспечивать безоговорочную совместимость удовлетворяющих ему продуктов от разных поставщиков, на практике же такой совместимости не наблюдалось, ибо спецификация VITA 46 слишком многое оставляла на усмотрение производителей. Получалось, что свобода творчества поставщика оборудования шла в ущерб рыночной свободе действий клиента. С учетом ориентации технологии VPX на оборонные и аэрокосмические приложения этот момент служил серьезным сдерживающим фактором на пути внедрения VPX.

Сложилась довольно странная ситуация, когда в целом идеология VPX устраивала всех участников рынка, но практика работы с VPX не устраивала почти никого. Отсутствие совместимости между изделиями разных производителей приводило к тому, что рынок VPX был малоконкурентным, а цены на нем – сравнительно высокими. В итоге в среде разработчиков довольно быстро утвердилась мысль, что VPX – это сложно, неудобно и дорого.

Дороговизна оборудования VPX была обусловлена не только слабой конкуренцией между производителями. Далеко не всегда из одного источника можно было получить все комплектующие, необходимые для построения системы с конкретными свойствами. Как правило, в продуктовом портфеле каждого отдельного производителя присутствовало почти все, что нужно, а остальное он был готов разработать специально для заказчика за отдельную и немалую плату, и то, что должно было выглядеть как закупка плат, превращалось в заказ проектного решения.

Страдали как клиенты, лишенные возможности свободно конфигурировать свои VPX-системы, так и поставщики, продающие оборудование стандарта VPX в меньших объемах, чем им бы хотелось. Недовольство сложившейся ситуацией привело к тому, что компания Mercury Computer Systems и ряд других известных производителей оборудования для оборонных систем предприняли попытку напрямую договориться друг с другом о том, как обеспечить совместимость выпускаемых ими продуктов на уровне систем. Так, по соседству с VITA возникла альтернативная организация OpenVPX, провозгласившая своей целью устранение проблемы несовместимости. В эту организацию вошли те производители, которых не устраивали текущие темпы роста рынка VPX и которые были готовы следовать совместно выработанным правилам, направленным на обеспечение совместимости аппаратных средств из разных источников. В результате на свет появилась спецификация OpenVPX, которая первоначально существовала вне рамок VITA, так как, по сути, была создана другим консорциумом. Впоследствии объединение производителей OpenVPX легализовалось в формате одного из комитетов VITA, а стандарт OpenVPX обрел статус спецификации VITA 65.

Свобода через самоограничение

Стандарт OpenVPX был призван «модернизировать» технологию VPX таким образом, чтобы на ее основе могла развиться конкурентная среда, которая бы способствовала снижению цен и обеспечивала совместимость оборудования из разных источников. Подобные экосистемы, возникающие вокруг открытых промышленных стандартов, позволяют пользователям оптимизировать конечные решения за счет свободного, без оглядки на отсутствующую проблему совместимости, выбора тех изделий, которые наилучшим образом подходят для конкретных задач.

В настоящее время продукты, удовлетворяющие стандарту OpenVPX (VITA65), предлагаются всеми ключевыми игроками сегмента VPX. Сегодня невыгодно разрабатывать и производить новые изделия только по базовому стандарту VPX, без учета требований OpenVPX.

Границы свободы

Спецификация VITA 65 предлагает набор шаблонов (профилей), которым должны соответствовать части VPX-системы (процессорные модули, платы ввода-вывода, объединительные магистрали), чтобы корректно функционировать в ее составе. Фактически в многомерном пространстве возможностей, предоставляемых базовым стандартом VPX, выделяются и конкретизируются некоторые области с достаточно четко очерченными границами, соответствующие наиболее распространенным типам продуктов и сценариям их применения. И идея свободы, загнанная в эти рамки, стала наконец конструктивной рыночной силой. Теперь производитель, желающий разработать модуль с некоторой функциональностью, находит в стандарте OpenVPX нужный профиль, создает продукт с удовлетворяющей этому профилю разводкой выводов и отражает данный факт в описании изделия в виде буквенно-цифрового кода. На основании этого кода пользователь может определить, с какими продуктами других производителей должно быть совместимо данное конкретное изделие, и принять взвешенное решение относительно его покупки.

Руками трогать!

Еще одним преимуществом технологии VPX, позволяющим расходовать бюджет более эффективно, является стандарт VPX REDI (VITA 48), определяющий модули в герметичных защитных кожухах (рис. 1). Авторы спецификации VITA 48 стандартизовали различные виды охлаждения: воздушное, кондуктивное, потоком жидкости, разбрызгиванием. В заказных кастомизированных системах все это использовалось и раньше, но стоило немалых денег. Спецификация VPX REDI впервые позволила реализовывать продвинутые схемы охлаждения на основе стандартных серийных аппаратных средств от разных производителей за гораздо меньшие деньги.

Не секрет, что для боевой компьютерной техники, сроки эксплуатации которой исчисляются десятилетиями, общая стоимость владения может многократно превысить начальные затраты на разработку, закупку оборудования, интеграцию и написание ПО. Стандарт VPX REDI отражает концепцию двухуровневой поддержки (2-level maintenance), призванной уменьшать стоимость владения за счет исключения из процесса обслуживания одного этапа. Традиционно пользователи оборонных компьютерных решений заменяли вышедший из строя крейт целиком со всем содержимым. Неисправная система демонтировалась, после чего либо отправлялась к производителю, либо просто выбрасывалась, а на ее место устанавливалась исправная. При использовании оборудования, удовлетворяющего стандарту VPX REDI, конечные пользователи могут иметь дело с содержимым крейта и заменять отдельные неисправные модули в его составе, что гораздо удобнее, быстрее и дешевле. Кроме того, благодаря герметичному исполнению модулей VPX REDI с ними можно работать без специальной электростатической защиты в условиях, далеких от лабораторных. Закрытые кожухи, предусмотренные стандартом VPX REDI, надежно изолируют печатные платы от электрических, механических и климатических внешних воздействий и позволяют осуществлять замену модулей без участия высококвалифицированного технического персонала. Замена может производиться людьми, не имеющими вообще никаких навыков обращения с компьютерной техникой. По сути, стандарт VPX REDI позволяет свести весь комплекс операций по обслуживанию развернутых систем к простейшей последовательности действий: извлечению неисправного модуля и установке на его место исправного.

Альтернативы

Технология VPX способна обеспечить преимущество в практически любых приложениях, относящихся к сегментам высокопроизводительных оборонных, аэрокосмических и ответственных систем. Особенно большую пользу VPX приносит в тех задачах, которые хорошо распадаются на отдельные части и могут быть решены путем построения мультипроцессорных конфигураций с широкополосной связью между отдельными ЦП. Если обработки очень много и при этом она не обязана быть локализована в одном процессоре, VPX будет прекрасным выбором, поскольку эта технология позволяет создавать хорошо масштабируемые сильносвязанные системы с огромным числом вычислительных узлов.

Рис. 2.VPX-системы для «жестких» приложений

Хотя во всей красе преимущества VPX проявляются именно в кондуктивных решениях, это не умаляет значения VPX как технологии для построения высоконадежных высокопроизводительных систем с воздушным охлаждением. Многочисленные скоростные линии связи между частями системы очень важны для задач высшей производительности, различных DSP-подобных и кластерных приложений. Такие системы нельзя построить на оборудовании CompactPCI или VME, которое в принципе неспособно обеспечить достаточный уровень внутрикрейтовой пропускной способности. Многопроцессорные комплексы в стандартах CompactPCI или VME всегда будут слабее VPX-систем просто в силу ограниченности соответствующих системных архитектур. При этом системы CompactPCI и VME еще и будут менее надежны, что немаловажно с учетом особенностей тех прикладных областей, которые входят в сферу интересов всех трех стандартов (рис. 2).

На технологической платформе VPX можно решать едва ли не все мыслимые задачи, требующие высокоскоростной связи между компонентами системы и гибкости при организации внутрисистемных соединений (поддержки разнообразных интерфейсов). Стандарт CompactPCI Serial не позволяет создавать мультипроцессорные конфигурации, поскольку технология PCI Express унаследовала от шины PCI архитектурный принцип выделенного хоста. В архитектурном отношении система CompactPCI Serial представляет собой по сути обычный компьютер с одним ЦП и периферийными платами. И, разумеется, стандарт CompactPCI Serial допускает использование лишь одного метода организации внутрисистемных соединений, тогда как VPX поддерживает минимум четыре таких метода. Стандарт VPX позволяет строить любые конфигурации: мультимашинные, мультипроцессорные, мультипроцессорные с периферией и даже сегментированные, в которых определенные периферийные платы могут работать через VPX-коммутаторы только с определенными хостами, а хосты при этом могут взаимодействовать друг с другом по каналам PCI Express или Gigabit Ethernet. Подобного не позволяет делать ни одна другая системная архитектура, включая MicroTCA. Мультипроцессорные системы на основе MicroTCA создавать можно, но коммутаторы MCH не могут обеспечивать сегментацию. Кроме того, стандарт MicroTCA начисто лишен какой-либо преемственности по отношению к VPX, CompactPCI и другим системным архитектурам. В частности, процессорные и периферийные модули в стандарте MicroTCA (AdvancedMC) имеют совершенно иные размеры, не предусматриваемые привычной механикой 3U/6U. Наконец, системы MicroTCA даже в версиях Rugged/Hardened (спецификации MTCA.1, MTCA.2 и MTCA.3 консорциума PICMG (http://www.picmg.com) не могут обеспечить тех уровней защищенности и удобства в использовании, которые дает стандарт VPX REDI. Можно долго спорить о том, где здесь заканчиваются объективные технические преимущества и начинается косность мышления, однако правда в том, что самая консервативная часть целевой аудитории VPX воспринимает шумиху вокруг инициатив наподобие Rugged/Hardened MicroTCA в лучшем случае как шутку.

Две причины для жизни VPX

Сегодня VPX – это зрелый промышленный стандарт для использования в самых ответственных проектах. Системная архитектура VPX в ее нынешнем состоянии – хорошая основа для решения сложных задач в реальном мире, а не в мире высоких идей. Хотя, как показывает практика, на поле VPX реальный мир и высокие идеи неплохо сосуществуют…

Стандарт OpenVPX принят на вооружение как ведущими мировыми и отечественными производителями изделий уровня плат и систем, так и их многочисленными клиентами. Причем термин «на вооружение» во многих случаях можно понимать буквально. Проблемы VPX, оттягивавшие начало масштабного внедрения этого перспективного стандарта, решены.

Если года три-четыре тому назад еще могли быть какие-то сомнения относительно того, «взлетит» ли технология VPX, то сегодня ответ на этот вопрос очевиден. За будущее VPX можно быть совершенно спокойным по двум очень простым причинам:

1. Ни одно развитое государство мира не отказывается от планов создания, покупки или продажи современных средств вооружений, развитие которых требует использования совершенных встраиваемых компьютерных технологий. Бюджеты большинства военных ведомств говорят сами за себя.

2. Ни одна магистрально-модульная компьютерная технология на мировом рынке не обладает сегодня аналогичным совокупным набором свойств и преимуществ, делающих ее достойным конкурентом VPX при создании огромного разнообразия перспективных ответственных оборонных систем самого различного назначения: от торпеды до бортовой РЛС истребителя или ЗРК.