К началу нынешнего столетия технология VME оказалась в эволюционном тупике, исчерпав все возможности развития, поэтому появилась инициатива VME Renaissance ассоциации VITA с целью повышения пропускной способности шины VMEbus, которая по сей день является 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 конструктиве VME некоего подобия высокопроизводительной системы CompactPCI PICMG 2.16 [1] с подключением плат к быстрым внутрисистемным каналам Gigabit Ethernet через стандартный разъем VME64x P0 (по два порта Gigabit Ethernet на один разъем). В дальнейшем появилась возможность привлекать для организации взаимодействия между слотами другие передовые коммуникационные технологии, такие как InfiniBand, Serial RapidIO, 10-Gigabit Ethernet и PCI Express. Соответствующий стандарт, получивший название VXS (спецификация VITA 41), определил разъем P0 новой конструкции, позволивший обеспечить поддержку до четырех быстрых 10-гигабитных портов на одну плату, но привел к частичной утрате механической совместимости с исходной системной архитектурой VME.

В середине нулевых стало окончательно ясно, что традиционная версия системной архитектуры VME со всеми ее модификациями не имеет будущего. На этом историческом фоне прозвучал заключительный аккорд программы VME Renaissance в виде спецификации VPX (VITA 46), окончательно порвавшей с исходной архитектурой VME в плане механики системного разъема, электрики и протоколов передачи данных.

Операция «Преемник»

Строго говоря, под термином VPX следует понимать не конкретную спецификацию ассоциации VITA, VITA 46 [2], а серию взаимосвязанных стандартов, описывающих вопросы архитектуры, системотехники, механики, альтернативных системных соединителей, методов охлаждения и обслуживания систем на уровне технических заданий для встраиваемых систем. VPX должен был подвести логический итог программе VME Renaissance, акцент в которой делался на повышении внутрисистемной пропускной способности для VME-подобных систем. Однако разработчики новой магистрально-модульной архитектуры из числа компаний, входящих в консорциум VITA, наряду с простым увеличением скоростей обмена между платами, собирались решить ряд других давно назревших проблем, которые нельзя было решить в рамках классических магистрально-модульных стандартов типа VME и CompactPCI.

По замыслу 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 — например, малой полосой пропускания при поддержке современных последовательных технологий обмена данными. Кроме того, претендуя на статус ключевой технологии для клиентов из аэрокосмической отрасли и специальных применений, 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-Gigabit Ethernet), так и перспективных высокопроизводительных коммуникационных технологий (40- и 100-Gigabit Ethernet). При этом системы на основе архитектуры VPX должны были стать комфортной средой обитания для мощных процессоров текущего и следующих поколений, для чего требовалось предусмотреть эффективный отвод тепла от отдельных модулей. Было весьма желательно также, чтобы платформа, идущая на смену VME и CompactPCI, стала ответом на запросы владельцев специального оборудования, 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 VME и во многом определяет ее ключевые потребительские свойства. Новый разъем ориентирован на использование высокопроизводительных коммуникационных технологий вроде 10-Gigabit Ethernet, PCI Express, Serial RapidIO и InfiniBand. Для совместимости с унаследованными системами VME на разъеме разведена классическая шина VME, поэтому поставщики оборудования иногда преподносят VPX как глубокий тюнинг VME-решений, что верно лишь отчасти.

Тем не менее сильная связь между VPX и VME очевидна. Эти системные архитектуры роднит ориентация на одни и те же приложения, а также поддержка со стороны одних и тех же производителей, продвигающих 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, однако VPX идет дальше, поддерживая такую степень защищенности на уровне плат, которая позволяет заменять отдельные модули без принятия особых мер предосторожности и участия высококвалифицированного обслуживающего персонала (стандарт VPX REDI).

Кроме того, системная архитектура VPX близка пользователям VME, предлагая им наиболее естественный и эффективный путь в будущее на правах официально объявленного преемника VME. Для новых пользователей архитектура VPX может оказаться даже проще VME, поскольку технологически сильнее связана с миром общегражданских систем, наследуя из него наиболее развитые технологии передачи данных.

Стандарт с человеческим лицом

Может показаться, что, ввиду отсутствия полной совместимости между архитектурами VME и VPX на физическом, электрическом и программном уровнях, освоение технологии VPX будет сложным и дорогим, однако это не так. Технология VPX достаточно дружественна к пользователю — 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 на рынке настольных компьютеров и серверов. Основная масса оборудования VPX строится на базе x86-совместимых процессоров, модулей памяти и периферии и опирается на те же интерфейсные и коммуникационные технологии (PCI Express, Gigabit Ethernet, USB, HDMI/DisplayPort), что и настольные системы. Даже мощные мультипроцессорные комплексы в стандарте VPX при всей их новизне и уникальности являются в сущности не чем иным, как привычными вычислительными кластерами, где роль отдельных компьютеров играют VPX-модули, а межмашинное (межмодульное) взаимодействие, как и ранее, осуществляется по каналам Ethernet, выполненным не в виде кабелей, а в виде дорожек на объединительной магистрали. Как следствие, львиная доля работы по созданию типичной VPX-системы не требует каких-то сакральных знаний и может выполняться экспертами по вполне обычным системам настольно-офисного класса.

При ближайшем рассмотрении дружественными оказываются даже технологии VPX, не имеющие аналогов на рынке массовых компьютеров, — например, стандарт VPX REDI, определяющий использование защищенных модулей в герметичных корпусах с кондуктивным или жидкостным охлаждением. В мире ПК нет ничего похожего, однако этот стандарт разрабатывался специально для того, чтобы гарантировать предельную простоту и удобство взаимодействия с оборудованием для неискушенного пользователя.

Итак, 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 у многих клиентов возникали сложности с освоением VPX, обусловленные несовместимостью оборудования в рамках самой экосистемы VPX.

Свобода или вседозволенность?

Создатели VPX так сильно стремились вырваться за тесные рамки VME, что переоценили потребности рынка в самобытных решениях поставщиков оборудования. Желая обеспечить охват максимально широкого диапазона конечных приложений, авторы нового стандарта сделали его воистину всеобъемлющим, что стало серьезным препятствием на пути широкого признания VPX. Чрезмерная свобода маневра, заложенная в спецификацию VITA 46, привела к тому, что оборудование одного производителя оказывалось несовместимым с оборудованием другого. В результате более-менее законченные проекты удавалось реализовывать лишь на базе изделий одного поставщика: Kontron, GE IP, Curtiss Wright и др.

Энтузиасты не видели в этом ничего страшного, однако подавляющее большинство 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 теперь де-факто лишены такой возможности. Несовместимость между VPX-изделиями разных производителей имела место главным образом на системном уровне — в назначениях контактов разъема и организации тыльного ввода-вывода. Теоретически VPX должен был обеспечивать безоговорочную совместимость удовлетворяющих ему продуктов от разных поставщиков, однако на практике этого не наблюдалось — спецификация VITA 46 слишком многое оставляла на усмотрение производителей. С учетом ориентации технологии VPX на аэрокосмические приложения и системы специального назначения это стало серьезным сдерживающим фактором на пути внедрения стандарта.

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 утвердилась мысль, что VPX — это сложно, неудобно и дорого. Дороговизна оборудования была обусловлена не только слабой конкуренцией. 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, а остальное он был готов разработать специально для заказчика за отдельную плату. В результате то, что должно было выглядеть как закупка плат, превращалось в заказ проектного решения.

В итоге страдали клиенты, лишенные возможности свободно конфигурировать свои VPX-системы, 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 производителей оборудования для систем специального назначения 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 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, дают возможность пользователям оптимизировать конечные решения за счет свободного выбора изделий, наилучшим образом подходящих для конкретных задач. Сегодня продукты, удовлетворяющие стандарту OpenVPX (VITA 65), предлагают все ключевые игроки сегмента VPX.

Спецификация VITA 65 предлагает набор профилей, которым должны соответствовать части VPX-системы (процессорные модули, платы ввода-вывода, объединительные магистрали), для того чтобы совместно корректно функционировать. В многомерном пространстве возможностей, предоставляемых базовым стандартом VPX, фактически выделяются и конкретизируются области с четкими границами, соответствующие наиболее распространенным типам продуктов и сценариям их применения. Идея свободы, загнанная в рамки, стала конструктивной рыночной силой — производитель, желающий разработать модуль с некоторой функциональностью, находит в стандарте OpenVPX нужный профиль, создает продукт с удовлетворяющей ему 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 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. Авторы спецификации VITA 48 стандартизовали различные виды охлаждения: воздушное, кондуктивное, потоком жидкости, разбрызгиванием. В заказных системах все это использовалось и раньше, но стоило дорого, а спецификация VPX REDI впервые позволила гораздо дешевле реализовывать продвинутые схемы охлаждения на основе стандартных серийных аппаратных средств от разных производителей.

Не секрет, что для оборудования, сроки эксплуатации которого исчисляются десятилетиями, общая стоимость владения может многократно превысить начальные затраты на разработку, закупку оборудования, интеграцию и создание программ. Стандарт VPX REDI отражает концепцию двухуровневой поддержки, призванную уменьшать стоимость владения за счет исключения из процесса обслуживания одного этапа. Традиционно пользователи компьютерных решений специального назначения заменяли вышедший из строя блок целиком со всем содержимым. Неисправная система демонтировалась, отправлялась к производителю либо утилизировалась, а на ее место устанавливалась исправная. При использовании оборудования, удовлетворяющего стандарту VPX REDI, конечные пользователи могут иметь дело с содержимым блока 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. 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 аэрокосмических систем и систем специального назначения. Особенно большую пользу VPX приносит в задачах, которые хорошо распадаются на отдельные части и могут быть решены путем построения мультипроцессорных конфигураций с широкополосной связью между отдельными процессорами. 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.

Хотя во всей полноте преимущества VPX проявляются в защищенных кондуктивных решениях стандарта VPX REDI, 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, требующих высокой производительности и кластерных приложений. Такие системы нельзя построить на оборудовании CompactPCI или VME, которое в принципе не способно обеспечить достаточный уровень пропускной способности. Многопроцессорные комплексы в стандартах CompactPCI или VME заведомо слабее VPX-систем просто в силу ограниченности соответствующих системных архитектур. При этом системы CompactPCI и VME будут менее надежны.

На технологической платформе VPX можно решать почти все задачи, требующие высокоскоростной связи между компонентами 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 процессором и периферийными платами. И разумеется, стандарт CompactPCI Serial допускает использование лишь одного метода организации внутрисистемных соединений, тогда как VPX поддерживает минимум четыре (1/10/40/100-Gigabit Ethernet, PCI Express, Serial RapidIO и InfiniBand). 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 [3]. Мультипроцессорные системы на основе MicroTCA (AdvancedMC) создавать можно, но коммутаторы MCH (MicroTCA Carrier Hub), отвечающие в системах MicroTCA за топологию внутрисистемных соединений, не поддерживают сегментацию. Кроме того, стандарт MicroTCA лишен какой-либо преемственности по отношению к VPX, CompactPCI и другим системным архитектурам. В частности, процессорные и периферийные модули в стандарте MicroTCA 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) не могут обеспечить тех уровней защищенности и удобства в использовании, которые дает стандарт VPX REDI.

***

Сегодня VPX — это зрелый промышленный стандарт для использования в ответственных проектах, а соответствующая системная архитектура является хорошей основой для решения сложных задач. Стандарт OpenVPX принят на вооружение ведущими производителями изделий уровня плат и систем. За будущее VPX можно быть спокойным по двум простым причинам. Ни одно развитое государство не отказывается от планов создания, покупки или продажи современных средств вооружений, развитие которых требует использования совершенных встраиваемых компьютерных технологий. Кроме того, 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 систем самого различного назначения.

Литература

  1. Леонид Акиншин, Владимир Бретман, Юрий Якшин. На смену CompactPCI // Открытые системы. СУБД. — 2008. — № 3. — С. 68–73. URL: http://www.osp.ru/os/2008/03/5017278 (дата обращения: 15.12.2014).
  2. Виктор Коваленко. Современные индустриальные системы // Открытые системы. СУБД. — 1997. — № 5. — С. 29–34. URL: http://www.osp.ru/os/1997/05/179253 (дата обращения: 15.12.2014).
  3. Владимир Бретман. MicroTCA: пора двигаться дальше // Открытые системы. СУБД. — 2012. — № 7. — С. 40–43. URL: http://www.osp.ru/os/2012/07/13017642 (дата обращения: 15.12.2014).

Александр Ковалев (pr@rtsoft.ru) — директор направления, Виктор Синенко (rtsoft@rtsoft.ru) — руководитель отраслевых проектов, компания «РТСофт» (Москва).

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF