SU-35BM---初窥俄罗斯第五代战机的中央电脑与其设计理念

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导读:俄罗斯第五代航空电脑 第五代战机的中央电脑与其设计理念 杨政卫/ 圣彼得堡大学物理系 第五代战机的中央电脑开始采用〝共点式〞整合架构:所有的资讯送至单一运算核心处理,并统一发出控制命令并显示给飞行员。 第四代与第五代战机资讯整合的差别 资讯整合与人工智慧是帮助人类驾驭日趋复杂的飞机执行任务的利器。在上个世纪末战机基本上已达到全机讯息的数位化,各次系统电脑的资讯最终透过彼此的交联而整合在一起,本文称之为〝蜘蛛网式〞资讯整合。整个网路的功能

俄罗斯第五代航空电脑

第五代战机的中央电脑与其设计理念

杨政卫/ 圣彼得堡大学物理系

第五代战机的中央电脑开始采用〝共点式〞整合架构:所有的资讯送至单一运算核心处理,并统一发出控制命令并显示给飞行员。

第四代与第五代战机资讯整合的差别

资讯整合与人工智慧是帮助人类驾驭日趋复杂的飞机执行任务的利器。在上个世纪末战机基本上已达到全机讯息的数位化,各次系统电脑的资讯最终透过彼此的交联而整合在一起,本文称之为〝蜘蛛网式〞资讯整合。整个网路的功能需要由提升个别电脑来达成,可靠性则透过每个电脑的多余度达成(使用多部相同功能的电脑),随着战机日益复杂,专用电脑的开发周期与经费越来越多,蜘蛛网式的资讯整合已逼近发展极限[1]。

第五代战机的中央电脑开始采用〝共点式〞整合架构:所有的资讯送至单一运算核心处理,并统一发出控制命令并显示给飞行员。这种新架构具有以下特点[2]:

(1)相较于依功能不同而有硬体区分,这里大量采用通用处理器等硬体设备,透过软体介面让通用处理器处理绝大多数任务。如此一来处理器等通用硬体可大量生产以降低成本,更重要的是,能允许使用市面上的商规元件。商用电脑的换代速度远高于军用电脑,成本也低得多,故使用商用电脑来提升性能并降低成本已是多种现代军事设备的共通趋势。

(2)承上,但局部仍使用特殊处理器来确保某些重要性能,例如在信号处理上使用专职的信号处理晶片,在控制功能上采用性能较差但可靠性更高的处理器。

(3)除硬体通用外,整套电脑采用共用的软体。经验表示过去许多功能不同的次系统常常用到相同的运算逻辑,因此系统统一并共用运算法则后,可节省记忆空间与成本。

(4)引入规格化的资料传输介面并采用〝开放式架构〞。即只要符合规格的硬体就可以直接相容于整个系统,这样就能仅藉由附加更高性能的晶片而提升整套电脑的运算能力而不需更改原有硬体架构,减低升级成本

俄罗斯第五代航空电脑第五代战机的中央电脑与其设计理念

(5)承(1)与(3),由于软硬体通用化,因此可由人工智慧建构出〝虚拟次系统电脑〞来解决原本各次系统电脑的任务。各虚拟电脑所配得的运算资源也由人工智慧随时依据需求调整,例如在接战初期尚无电战需求时,便可将电战系统的运算量分配给前视雷达,在紧急状况下战机已自顾不暇时,就可将前视雷达的运算资源多分一点给电战系统。这种〝性能可变的虚拟电脑〞在正常情况下赋予各〝次系统〞最佳的运算资源,在紧急情况下(如部份电脑故障)确保系统的正常运作。此外,透过软体的升级也可以改变整套系统的性能,升级成本较低。

(6)由于最低层次资讯(如感测器感测之信号)就被直接整合,因此每一项运算结果都是参考更大量的数据得到的,这样能提升全系统的可靠性。即感测器或中央电脑的局部故障通常只造成性能的亏损,而不至于整个次系统瘫痪。

(7)承上,这种新电脑架构相当于在蜘蛛网架构中的每个次系统电脑都采用多余度设计,并在平时可将这些备份电脑挪作他用,兼顾可靠性与性能。

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以上是〝共点式〞的必然特性,但并不全

是独有特性。除了可任意改变运算资源的

〝虚拟次系统电脑〞、可单用软体轻易升级

的特性外,其他特性高阶的蜘蛛网式设计也

可达成。可靠性的部份也可藉由各系统的多

余度设计达成,唯其成本效益不如共点式。

另外,〝共点式〞并非一定是一部单一电

脑,只要采用通用软硬体、具备可变虚拟次

系统功能、从低层级资料就开始整合,就可

算是广义的共点式系统。

■第五代中央电脑的运算需求

俄国研究指出,为统一处理可预见的未来

战机的一般航电功能(导航、通信、控制、

警戒、一般资讯处理等现有功能),至少需

要每秒6,000万次的运算能力以及10MB记忆体

[3]。在飞控、引擎、电源管理上需要可靠性

更高的电脑并采用多余度设计。在先进雷达

信号处理上需要每秒20~30亿次浮点运算,影

像处理需每秒200亿次浮点运算[4]。

除此之外,还有一些传统上不易求解或是

有多种可能解的问题。例如在目标的位置、

速度等资讯不全时,就无法确知如何处理该

目标,这时就需要做各种假设并对各种假设

一一求解[5],最后找出最适当的解,或是提

供建议给飞行员。为了解这些不确定问题还

需要更大的运算量。

为了满足以上所有运算需求,需要有每秒

1.5~2亿次定点运算(单晶片架构下)的通用

处理单元,以及每秒40~80亿次浮点运算的信

号处理单元,利用符合上述需求的处理单元

〝堆砌〞出需要的电脑。在记忆体部分则视

〝次系统〞功能而定,在20MB~1GB[6]。

美国F-22的中央电脑

美国F-22战机的中央电脑(CIP)[7]是最能

代表〝共点式〞中央电脑的产物。 F-22上小

至感测器资料都直接送至CIP中,内含66个插

槽,可安置资料处理模组及信号处理模组,

各模组由资料干线中取得所需讯息。 F-22

有2台CIP以于平时增强性能并于战时增强生存

性。 1号CIP安置47个模组,含33个信号处理

器与43个资料处理器,每秒能处理105亿个指

令(instructions),并拥有300MB记忆体。其

处理器时脉约25MH z(1983年)或100M H z

(1986年)。 2号C I P则使用44个模组。 2台

CIP 每秒运算能力约2 0 0 亿次, 记忆体约

600MB。

■俄国的第五代中央电脑

由于俄罗斯在先进传输介面(如统一的宽

频干线等)方面缺乏规格与研制经验,因此

俄罗斯五代〝共点式电脑〞不会追随上述美

式架构,而是采用一种较简单、整合性略

差、但仍具备基本的〝共点式〞电脑特性的

方案[ 8 ]。俄式中央电脑在硬体上仍略有分

工,概分为通用、信号、与飞机控制。也具

备〝可变虚拟次系统〞功能。通用电脑能负

责全机所有任务的执行,也包含基本的信号

处理与飞机控制,可以说是中央电脑的核

心;信号电脑专门处理需要庞大信号处理的

特定任务如雷达信号等;控制电脑则是加强

对飞机的控制与安全性,例如采用更稳定的

晶片与记忆体,与控制介面采用多余度传输

介面连结等。在传输介面上,由于缺乏宽频

干线技术,因此透过加强传统传输介面(如

MIL-STD-1553B、RS-232等4 代战机介面)的总频宽,并局部使用光纤等宽频传输线路来满足资料传输需求,且主要是传统的单向式传输,仅在必要之处使用双向传输介面。

Su-35BM上的EKVS-E便是五代电脑的原型,由Solo-01~05电脑组成,主要功能分别为信号、资料、影像、控制、类比-数位转换。这些电脑的通用晶片便采用美国MIPS公司的R7000系列RISC处理器,时脉300~500MHz不等,01~03型用500MHz,04~05型用300MHz。整套电脑重约60kg[9]。

Solo-01(影像、数位信号)便采用1个时脉500MHz的资料处理器与32个时脉500MHz的信号处理器,共2.5GB的随机存取记忆体(RAM)(其中512MB为资料处理)以及共1GB的唯读记忆体(ROM)(其中512MB为资料处理),每秒至多能处理800亿个浮点运算指令与5亿次资料运算;Solo-02(资料与控制)则有4个时脉500MHz之资料处理器、共2GB的RAM与共2GB的ROM。 03型(影像、类比-数位转换、控制)的浮点运算能力亦为每秒800亿次,05型(类比-数位转换、信号、控制)则为80亿次。其中01、03、05型采用频宽1Gb/s的光纤对外交换影像或资料,各有1条输出数位影像的光纤,03型另有4条资料传输光纤。

概括计算EKVS-E拥有每秒1,680亿次的浮点运算能力、大于25亿次资料处理能力,数GB的记忆体,及特定用途的数Gb级的传输频宽。这样的资料处理能力与传输频宽大致满足需求,信号处里能力与记忆体容量则达需求值之数倍,并预留升级空间。

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E与F-22的CIP的差异

若要将Solo系列电脑动辄〝80亿次甚至800亿次〞运算能力之运算能力与F-22或EF-2000之电脑相比,需注意单位一致性的问题。 F-22的中央电脑运算能力为每秒105亿个指令(instructions),2台CIP的总运算能力约每秒200亿个指令。但〝指令〞(instruction)与〝浮点运算〞(floating point instruction)意义不同,不宜直接比较。 Solo-01的信号处理部份总时脉为16GHz,即每秒160亿个周期(clocks),并以每个周期5次浮点运算达成80Gflops的运算能力。以RISC处理器通常1个周期对应1个指令(instruction)来看,Solo-01每秒能处理160亿个指令(instructions)。若用上述方法换算成相同单位,整套EKVS-E电脑在资料处理部份在每秒25亿个指令(instructions)以上(仅算Solo-01与02),信号处理部份在每秒320亿个指令以上(仅算Solo-01与03)。另外F-22的1号中央电脑记忆体为300MB,因此总记忆体约600MB,而YeKVS-E则有数GB之记忆体。

因此以运算能力看,EKVS-E电脑系统已优于90年代末期F-22的中央电脑。这并不是说美国航电技术已被比下去,而是意味着俄五代战机拥有符合时代潮流的电脑系统。事实上美国新式航空电脑(F-35所用者以及F-22的扩充卡)也采用500MHz等级的通用晶片,而EVKS-E也是借助美制R7000处理器满足其性能的。在短期内,EKVS-E仍可藉由扩充处理单元与传输频宽来与对手竞技,然而就长期论,F-22的CIP采用之理念较为先进,在整合层次与发展潜力上较有前瞻性。例如F-22的CIP的所有资料都在总线里,而EKVS-E的次电脑间有时还得彼此交换资料,前者的资料整合性当然更好(只是研制难度较大)。 EKVS-E只是一种在时效、经费与性能上取得协调的产物。

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