Встраиваемые доверенные вычислительные платформы с поддержкой нейросетевых вычислений

Аннотация

Требования к повышению уровня доверия аппаратно-программных платформ являются актуальными для вычислительных систем и комплексов специального назначения.

В статье описаны подходы и стандарты встраиваемых компьютерных модулей и одноплатных компьютеров, в том числе с поддержкой нейросетевых вычислений для применения в составе автоматизированных систем управления специального назначения.

Введение

По мере развития вычислительной техники, требования к ней постоянно меняются в сторону увеличения производительности, улучшенной визуализации, поддержки современных накопителей информации и т. п. Таким образом, вычислительные устройства требуют периодического обновления или редизайна без необходимости разработки аналога полностью с нуля. Поэтому при проектировании промышленного вычислительного устройства необходимо обеспечить возможность его масштабирования и обновления.

Помимо требований к производительности и масштабируемости, оборудование, предназначенное для промышленного и специального применения, должно выпускаться в течение длительного срока, как правило, от 10 лет.

Время выхода на рынок также является важным при разработке вычислительного комплекса или устройства. Сокращение времени разработки плюс время на испытания и сертификацию также является ключевым фактором при выборе архитектуры и элементов построения системы. При всем этом нужно не забывать об оптимизации финансовых затрат на разработку.

Вариантом решения может быть использование готовых встраиваемых процессорных модулей, например компьютерных модулей (Сomputer on Module (CoM) или System on Module (SoM) и одноплатных компьютеров (Single Board Computer).

Описание преимуществ и наиболее популярных среди разработчиков и пользователей встраиваемых систем стандартов компьютерных модулей и одноплатных компьютеров представлено в статьях [1] и [2]. Далее будут кратко описаны наиболее популярные стандарты для использования в спецтехнике: PC/104, COM Express, SMARC, приведены примеры устройств разработки АО НПК «Атроник»

Компьютерные модули и одноплатные компьютеры

Компьютерные модули (КМ) – хороший выбор для индустриальных применений, особенно для решений, когда применение стандартных одноплатных встраиваемых компьютеров неэффективно. В КМ вычислительный узел размещается в малом форм-факторе, который может быть установлен на платах-носителях, содержащих специализированные схемы ввода/вывода и питания.

Все стандартные функции компьютера, такие как: графика, Ethernet, звук, ОЗУ и ПЗУ, порты ввода/вывода, системные шины (PCIe, PCI, ISA, I²C, SPI, LPC) размещаются на компьютерном модуле (Рисунок 1). Пользователю нужно лишь добавить специально разработанную несущую плату (плату-носитель) для реализации определенных функций.

Рисунок 1.	Структура КМ и платы-носителя.

На несущей плате (Рисунок 2) размещаются источник питания, интерфейсные разъемы для подключения системы к периферийным устройствам, специфический функционал пользователя.

Рисунок 2.	Несущая плата с компьютерным модулем

SMARC

Стандарт SMARC («Smart Mobility ARChitecture») разработан консорциумом SGET в 2013 году. Модули стандарта быстро стали очень популярными масштабируемыми строительными блоками, позволяющими разработчикам создавать приложения нового поколения.

Модули SMARC предназначены для создания компактных вычислительных устройств с низким энергопотреблением. Область применения модулей SMARC постоянно расширяется по мере развития технологий Интернета вещей и искусственного интеллекта: от решений по автоматизации производства до обработки изображений, мультимедиа и т. п.

Кроме того, модули SMARC зарекомендовали себя при создании компактных портативных устройств, где энергопотребление не должно превышать нескольких ватт, а вычислительная мощность должна быть особенно высокой.

Модули могут быть построены на процессорах с архитектурами ARM, x86 или RISC – аналогичных тем, которые используются во многих привычных устройствах, таких как планшетные компьютеры и смартфоны.

Спецификация определяет два размера модуля: 82 мм × 50 мм и 82 мм × 80 мм (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Габаритные размеры модулей SMARC.

Печатные платы модуля имеют 314-контактный краевой разъем, который соединяется с низкопрофильным 314-контактным прямоугольным разъемом на несущей плате (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Внешний вид модуля МЦП1503 стандарта SMARC (производитель АО «НПК «АТРОНИК»).

Компьютерный модуль МЦП1503 соответствует спецификации SMARC 2.1. Построен на базе процессора RockChip RK3588.

Дублированные коммуникационные интерфейсы обеспечивают эффективное использование модуля в системах управления ответственного назначения.

Встроенный нейросетевой ускоритель и возможность подключения видеокамер высокого разрешения позволяют использовать его в системах управления беспилотными транспортными средствами.

Для применения в составе спецтехники модуль имеет поддержку отечественных операционных систем «Альт» и AstraLinux.

СOM Express

Стандарт COM Express описывает четыре типоразмера КМ, называемые Mini, Compact, Basic и Extended. Все четыре типоразмера имеют перекрывающиеся механические узлы, стандартизированные высоту и теплораспределители (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Габаритные размеры модулей COM Express.

Присоединение КМ COM Express к платам-носителям осуществляется через один или два высокоплотных низкопрофильных разъёма со стандартизированным назначением контактов (Рисунок 6). Наиболее популярны типы «распиновок» с номерами 6, 7 и 10. Причём для каждого типа «распиновки» стандарт COM Express описывает набор обязательных интерфейсов (минимальный набор), и набор дополнительных интерфейсов (максимальный набор).

Рисунок 6.	Внешний вид модуля МЦП1301 стандарта COM Express type 10 (производитель АО «НПК «АТРОНИК»).

МЦП1301 – компьютерный модуль формата COM Express type 10 на базе процессора Intel Atom E3845. Предназначен для построения высоконадежных встраиваемых энергоэффективных систем с малыми габаритными размерами.

Помимо поддержки отечественных операционных систем ЗОСРВ «Нейтрино»» и AstraLinux, в модуль МЦП1301 в качестве ПО BIOS применяется отечественный загрузчик операционных систем Горизонт производства ПФ ФГУП «НТЦ "Атлас"».

На основе МЦП1301 могут быть разработаны изделия для жестких условий эксплуатации, функционирующие в широком температурном диапазоне и соответствующие требованиям нормативных документов по информационной безопасности. Примером готовых устройств могут быть межсетевые экраны, коммутационные средства, устройства управления криптографическими и шифровальными средствами, устройства предварительного шифрования и устройства фильтрации служебной (управляющей) информации, а также вычислительные средства из состава автоматизированных рабочих мест оператора (администратора).
PC/104

Стандарт PC/104 (104 – число контактов в 16-разрядной шине ISA) предложен фирмой Ampro в 1987 году как шина расширения для своих одноплатных компьютеров [2]. Изделия PC/104 выпускают несколько десятков компаний, объединенных в консорциум PC/104, занимающийся популяризацией данного стандарта c 1992 г.

Платы в стандарте PC/104 имеют размер 90 × 96 мм и позволяют создавать малогабаритные встраиваемые системы, совместимые с IBM PC. Платы PC/104 соединяются друг с другом в виде этажерки (Рисунок 7) или могут использоваться как высокоинтегрированные компоненты, вставляемые в более крупные платы, предназначенные специально для конкретных приложений.

Рисунок 7.	Объединение плат PC/104 в виде этажерки.

Стандарт PC/104 эволюционирует и по сей день, постепенно заменяя низкоскоростные параллельные шины на современные последовательные. Развитие стандарта наглядно представлено на Рисунке 8. Сейчас существуют 5 спецификаций стандарта: PC/104, PC/104 plus, PCI-104, PCI/104 Express, PCIe/104 [3]. Это часто приводит к довольно сложным сочетаниям и комбинациям в экосистеме.

Рисунок 8.	Спецификации стандарта PC/104.

На протяжении почти 30-и лет PC/104 демонстрирует все признаки того, что по-прежнему остается важнейшим компонентом на рынке встраиваемых систем и расширяет свое присутствие в новых приложениях.

НПК «Атроник» выпускает несколько модулей, выполненных в соответствии с некоторыми спецификациями PC/104. Модули, помимо шины ISA, оснащены следующими legacy- интерфейсами: PCI, LPT, PS/2, IDE, RS-232/485. Для построения доверенных вычислительных устройств, наиболее подходящим выступает модуль МЦП302 (Рисунок 9), поддерживающий отечественные операционные системы ЗОСРВ «Нейтрино» и AstraLinux.

Рисунок 9.	Внешний вид модуля МЦП302 стандарта PCI-104 (производитель АО «НПК «АТРОНИК»).

Благодаря применению отечественного загрузчика операционных систем Горизонт производства ПФ ФГУП «НТЦ «Атлас» МЦП302 предоставляют разработчикам возможность реализации широкого набора функций безопасности в технических средствах для использования в составе аппаратно-программных комплексов и автоматизированных систем специального назначения с минимизацией финансовых затрат на проведение соответствующих исследований по требованиям безопасности информации регуляторов при реализации в них дополнительных механизмов защиты.

Бортовая доверенная вычислительная платформа

НПК Атроник, помимо разработки стандартизированных компьютерных модулей и одноплатных компьютеров, использует их в составе спецвычислителей для бортовых и наземных систем автоматизации.

Разрабатываемые НПК АТРОНИК вычислительные блоки построены по модульному принципу и весьма универсальны. Построение спецвычислителей на базе мезонинных компьютерных модулей в форм-факторах: ETX, COM Express, SMARC и наличие стандартных шин и слотов расширения: miniPCIe, M.2 и т. п. позволяют изменять функционал и производительность в зависимости от сценария применения.

Одним из спецвычислителей является «Бортовая Доверенная Вычислительная Платформа» (БДВП) – это встраиваемый компьютер для создания устройств видеоаналитики на основе нейронных сетей с возможностью криптографической защиты данных и каналов управления (Рисунок 10) [4].

Рисунок 10.	Бортовая Доверенная Вычислительная Платформа производства АО «НПК «АТРОНИК».

Платформа предназначена для создания различных устройств видеоаналитики на основе нейронных сетей и обеспечивает возможность криптографической защиты данных и каналов управления. Особенности конструкции, малые габариты и вес позволяют использовать платформу на борту БПЛА.

Также на базе БДВП могут быть разработаны Edge AI видеосерверы, системы машинного зрения и аналитики, интеллектуальные видеокамеры, биометрические терминалы.

БДВП строится на базе описанного выше модуля МЦП1503 стандарта SMARC и благодаря модульной конструкции обеспечивает:

• масштабирование производительности инференса за счет установки различных модулей CPU и NPU без изменения конструкции изделия;
• установку модуля СКЗИ для выполнения криптографических операций, и обеспечения подлинности и некорректируемости данных.

Библиографический список

1. Медведев А.В. Компьютерные модули – преимущества применения и популярные стандарты на примерах продукции НПК «Атроник» // ЭЛЕКТРОНИКА наука | технология | бизнес. – 2024. - №3. – С.158-168.
2. Медведев А.В. Компьютерные модули формата smarc от НПК «Атроник» // CONTROL ENGINEERING РОССИЯ. – 2023. - №4. – С.32-36.
3. Медведев А.В. Шина ISA в современных процессорных модулях НПК «Атроник»// CONTROL ENGINEERING РОССИЯ. – 2024. - №5-6. – С.20-23.
4. Медведев А.В. Аппаратная платформа для бортовых систем машинного зрения, видеоаналитики и оптической навигации // Перспективные системы и задачи управления: сборник трудов XX Юбилейной Всероссийской научно-практической конференции и XVI молодежной школы-семинара «Управление и обработка информации в технических системах». – Таганрог, 2025. – С.101-105.