面向軍事的COM-HPC：機(jī)遇與挑戰(zhàn)

美國軍方一直在尋找能夠提高軍事能力的技術(shù)，同時將作戰(zhàn)人員的風(fēng)險降至最低。COM-HPC標(biāo)準(zhǔn)有望增加邊緣計算的功能，并迎來新的應(yīng)用，這些應(yīng)用將永遠(yuǎn)改變軍事行動的進(jìn)行方式。在軍事用途中采用COM-HPC存在多種機(jī)會以及一些挑戰(zhàn)。

什么是 COM-HPC？

COM-HPC 是由 PCI 工業(yè)計算機(jī)制造商集團(tuán) （PICMG） 開發(fā)和批準(zhǔn)的新計算標(biāo)準(zhǔn)，最近于 2021 年初獲得批準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于高性能計算機(jī)模塊（COM）。COM-HPC 旨在滿足嵌入式計算機(jī)和邊緣服務(wù)器對高速性能的需求。

高性能計算 （HPC） 是聚合計算能力以提供比從典型工作站獲得的性能更高的性能的做法。它利用并行計算等技術(shù)實時解決傳統(tǒng)計算系統(tǒng)無法解決的大型復(fù)雜問題。HPC系統(tǒng)用于軍事指揮和控制環(huán)境，以促進(jìn)戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心和作戰(zhàn)人員之間的通信。

COM-HPC 標(biāo)準(zhǔn)建立在當(dāng)前的 COM Express 規(guī)范之上，以滿足對比 COM Express 定義的 440 引腳更多的接口的需求;這種指定的大小限制了功能強(qiáng)大的新邊緣服務(wù)器的可擴(kuò)展性，并對其滿足工業(yè)和軍事應(yīng)用程序要求的能力產(chǎn)生了負(fù)面影響。COM Express 標(biāo)準(zhǔn)中定義的連接器也正在達(dá)到其最高性能水平：它可以處理 PCIe Gen 3 所需的 8.0 GH 時鐘速度和 8 Gbit/秒吞吐量，但可能無法充分運(yùn)行 PCIe Gen 4、5 和 6 等新進(jìn)步。

軍事高性能計算用途

計算能力的許多軍事應(yīng)用都需要實時收集和處理數(shù)據(jù)。自 1992 年以來，軍方一直對 HPC 感興趣，當(dāng)時啟動了高性能計算現(xiàn)代化計劃 （HPCMP），以履行國會關(guān)于實現(xiàn)美國國防部 （DoD） 現(xiàn)代化的指令。其目標(biāo)是通過使用高性能的計算機(jī)硬件和軟件來解決現(xiàn)代軍事和安全問題。該計劃整合了在陸軍和海軍等各個軍事部門的實驗室和測試中心進(jìn)行的超級計算研究。

自 1992 年以來，計算世界發(fā)生了很大變化;首先，“云”和邊緣計算在當(dāng)時無處可尋。隨著技術(shù)格局的發(fā)展，軍方開始利用云計算等進(jìn)步。HPCMP的目標(biāo)之一是開發(fā)能夠執(zhí)行高級仿真的系統(tǒng)，作為預(yù)測建模的基礎(chǔ)。2018年太空部隊的引入激發(fā)了人們對HPCMP的新興趣，因為它試圖確定技術(shù)來協(xié)助探索，衛(wèi)星通信，并最終從衛(wèi)星和潛在的太空武器系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和情報。

軍方目前以多種方式采用HPC解決方案，因為它發(fā)現(xiàn)可靠決策所需的大量數(shù)據(jù)呈指數(shù)級增長。通過使用并行計算和 GPU ［圖形處理單元］ 的高級處理功能，HPC 系統(tǒng)可以以大大提高的速度執(zhí)行計算，以充分利用數(shù)據(jù)資源。應(yīng)用包括：

增強(qiáng)的圖像處理：需要處理衛(wèi)星或無人機(jī)（UAV）捕獲的圖像，以提高其提供的信息質(zhì)量。HPC/GPU 系統(tǒng)處理這些數(shù)據(jù)的速度比傳統(tǒng)的基于 CPU 的系統(tǒng)快 12 到 40 倍。邊緣處理對于數(shù)據(jù)更可用、有效和及時且延遲有限至關(guān)重要。目標(biāo)是將這些系統(tǒng)部署在高處或現(xiàn)場，以消除將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理的需要。

地理空間智能：借助專用軟件和 HPC 硬件，系統(tǒng)可以在幾秒鐘而不是幾天內(nèi)繪制大面積區(qū)域。使用衛(wèi)星圖像和基于 GPU 的系統(tǒng)，可以在不到 20 秒的時間內(nèi)詳細(xì)繪制一個 200 平方英里的城市。這種能力對于為軍事指揮和地面靴子提供情報至關(guān)重要。

SWaP-C 的優(yōu)勢：SwaP-C ［尺寸、重量、功率和成本］ – 所有特性對于設(shè)計用于必須易于移動設(shè)備且電源可能有限的現(xiàn)場使用的系統(tǒng)都是必不可少的。GPU 技術(shù)使系統(tǒng)更小、更輕，功耗更低，同時提供高級計算功能。

堅固耐用的 HPC：現(xiàn)場使用的設(shè)備需要符合軍用標(biāo)準(zhǔn)，以承受過度振動、沖擊和溫度。軍方還需要電子包裝來保護(hù)這些資產(chǎn)免受沙子和灰塵等元素的影響。

COM-HPC 在軍事用途中的優(yōu)勢

邊緣計算，即在現(xiàn)場而不是在集中式數(shù)據(jù)中心完成處理，在整個工業(yè)和軍事領(lǐng)域變得越來越重要。外勤人員進(jìn)行有助于決策的計算的能力，可決定特派團(tuán)的成敗。消除傳輸要處理的數(shù)據(jù)的需要可以節(jié)省時間并消除可能在處理任務(wù)的行動中造成嚴(yán)重延遲的故障點(diǎn)。

COM-HPC提供了一套技術(shù)規(guī)范，解決了為軍事提供最佳計算解決方案而需要解決的許多問題。其中一些包括：

擴(kuò)展 RAM 功能：COM-HPC 服務(wù)器模塊設(shè)計用于在 8 個 DIMM 插槽中托管多達(dá) 1 TB 的 RAM。此配置可將 I/O 性能提高到 256 GB/秒。

更多引腳和接口：COM-HPC 標(biāo)準(zhǔn)中的引腳數(shù)量已從 440 個增加到 800 個，幾乎是單個模塊可以建立的連接數(shù)量的兩倍。這種提升將以更小的外形提供更多的功能和優(yōu)勢，這將使作戰(zhàn)人員受益。

增強(qiáng)的服務(wù)器主板管理：通過新的服務(wù)器接口實現(xiàn)靈活配置，該接口允許使用薄插槽卡來減小機(jī)架系統(tǒng)的尺寸。

這些功能結(jié)合在一起，有望提供更高性能的緊湊、移動、多功能和可靠的系統(tǒng)，從而帶來更成功的結(jié)果。

軍事 HPC 系統(tǒng)挑戰(zhàn)

不同的挑戰(zhàn)影響著 HPC 在軍事應(yīng)用中的廣泛采用。一個是網(wǎng)絡(luò)安全，這個話題會影響所有計算環(huán)境，并對軍方使用的系統(tǒng)提出額外的關(guān)注。HPC系統(tǒng)必須確保數(shù)據(jù)的安全傳輸，并消除軍事應(yīng)用受到損害的可能性，從而使任務(wù)面臨風(fēng)險。另一個挑戰(zhàn)是網(wǎng)絡(luò)：需要具有數(shù)十萬個端點(diǎn)和智能傳感器的大型網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)軍方所需的可行邊緣計算。驗證這些端點(diǎn)和傳感器的連接性和安全性是為軍事應(yīng)用實施 HPC 系統(tǒng)的重要組成部分。

HPC難題的另一部分：在開發(fā)HPC系統(tǒng)時確定合適的合作伙伴對軍事機(jī)構(gòu)至關(guān)重要。將優(yōu)先考慮那些能夠展示出提供嵌入式系統(tǒng)功能的記錄的公司，這些功能經(jīng)過加固以符合軍事行動的需求。緊跟新趨勢和標(biāo)準(zhǔn)，如COM-HPC，傳感器開放系統(tǒng)架構(gòu)（SOSA），模塊化開放系統(tǒng)方法（MOSA）或模塊化開放RF架構(gòu)（MORA）也是將用于滿足軍事計算需求的組織的特征。

高性能計算有不同的風(fēng)格，例如 GPU 與標(biāo)準(zhǔn) CPU 處理。還有一個新的PICMG規(guī)范正在為基于COM Express系列的小尺寸HPC開發(fā)。COM-HPC 具有比 GPU 多一倍的內(nèi)存、四倍的吞吐量和兩倍的擴(kuò)展能力。（圖 1。

［圖1 |CPU與GPU的比較。

傳統(tǒng)CPU計算密度低，控制邏輯復(fù)雜，專為串行操作、流水線淺、低時延而建。另一方面，GPU 處理具有很高的計算密度;每次內(nèi)存訪問執(zhí)行高計算;可以執(zhí)行并行應(yīng)用程序;并具有深度管道、高吞吐量和高延遲容錯能力。GPU和COM-HPC的使用將使軍事應(yīng)用受益匪淺。

這里沒有延遲

高性能 GPU 處理可以獲取 PB 級的大規(guī)模數(shù)據(jù)饋送，并以比傳統(tǒng)處理快 12 到 40 倍的速度將戰(zhàn)場上的視頻數(shù)據(jù)實時傳輸給用戶。這種巨大的增長使作戰(zhàn)人員能夠在戰(zhàn)場上做出復(fù)雜的實時決策，而無需在云中處理數(shù)據(jù)，從而減少延遲。例如，來自空中監(jiān)視任務(wù)的實時視頻數(shù)據(jù)可以無縫下載到地面車輛上，使作戰(zhàn)人員能夠加速定位并有效消滅對手。

COM-HPC將使數(shù)據(jù)能夠在邊緣云中進(jìn)行處理和保存，以有效地實時檢索信息并將其傳播給團(tuán)隊。采用 COM-HPC 服務(wù)器將為作戰(zhàn)人員提供以非常有效的小外形進(jìn)行高性能處理的優(yōu)勢，并將降低 SWaP-C 作為設(shè)計目標(biāo)。

隨著我們進(jìn)入21世紀(jì)，最有效地利用計算技術(shù)的能力很可能是軍事爭端和活動的決定性因素。國防部將這種情況視為一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，并試圖建立最強(qiáng)大和可靠的基礎(chǔ)設(shè)施，以使作戰(zhàn)人員免受傷害。有了一代人之前無法想象的高性能計算系統(tǒng)，未來看起來是光明的，可以提高我們的安全性，同時限制對任務(wù)和作戰(zhàn)人員的接觸。

審核編輯：郭婷