Новый технологический базис обеспечения эксплуатации, модернизации и продления жизненного цикла образцов вооружения и военной техники

НАУКА И ВОЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ № 2/2006, стр. 50-53

Новый технологический базис обеспечения эксплуатации, модернизации и продления жизненного цикла образцов вооружения и военной техники

УДК 621.38

Э.Г.ЛАЗАРЕВИЧ,

главный научный сотрудник

Научно-исследовательского института

Вооруженных Сил Республики Беларусь,

доктор технических наук, профессор,

действительный член Международной академии информатизации

С.К.КОЛГАНОВ,

заместитель генерального директора ОАО «Конструкторское бюро-1»,

доктор технических наук, профессор,

заслуженный военный специалист Российской Федерации,

действительный член Российской академии космонавтики

Основной составной частью современных образцов вооружения и военной техники (ВВТ) является радиоэлектронная аппаратура (РЭА). В настоящее время в эксплуатации и серийном производстве находится большое количество образцов вооружения и военной техники, разработанной и принятой на вооружение в 80 - 90-е годы прошлого столетия, радиоэлектронная аппаратура которых выполнена в основном на элементной базе третьего поколения (интегральные схемы (ИС) малой и средней степени интеграции). По многим причинам, главная из которых нерентабельность производства устаревшей элементной базы, выпуск многих позиций микросхем малой и средней степени интеграции был прекращен. Прекращение производства морально устаревших ИС создает серьезные проблемы при эксплуатации и ремонте ВВТ, а также при формировании комплекта ЗИП. До сих пор единственным выходом из создавшегося положения было перепроектирование печатных плат и блоков, а то и целых устройств радиоэлектронной аппаратуры. По действующим нормативам это влечет за собой проведение нового цикла испытаний, что вызывает значительные дополнительные финансовые и временные затраты. Имевшие место попытки восстановления производства микросхем, выпуск которых был прекращен, оказались экономически неэффективными, поскольку требовали, с одной стороны, больших капиталовложений, а с другой стороны, приводили к необходимости неоправданной поддержки устаревших технологий производства элементной базы и последующей неконкурентоспособности производителя ИС.

Необходимо заметить, что улучшения характеристик РЭА вследствие таких доработок, как правило, не происходит, поскольку вновь восстановленная элементная база по всем характеристикам является обычно наиболее близким аналогом ранее использовавшейся.

С другой стороны, современный уровень полупроводниковой технологии производства элементной базы пятого поколения позволяет осуществить качественно новую реализацию ранее созданных типовых элементов замены, представляющих собой платы, ячейки и блоки РЭА, в виде специализированных сверхбольших интегральных микросхем (СБИС) и систем на кристалле (СнК). Указанная реализация предполагает интеграцию большого количества микросхем и дискретных элементов в один кристалл. Такая новая реализация названа термином «свертка» [2].

Проблемные вопросы, связанные с разработкой, производством и применением систем на кристалле, в развитых зарубежных странах начали активно обсуждаться в середине 90-х годов прошлого столетия. В [1] дан анализ состояния инфрастуктуры проектирования, производства и применения СнК за рубежом, причем в тех отраслях народного хозяйства, которые ориентированы на массового потребителя, т.е. при массовом производстве систем на кристалле.

Процессы по формированию инфраструктуры проектирования, производства и применения специализированных СБИС и систем на кристалле в отечественной промышленности только начинают развиваться и, естественно, имеют свои особенности. Тем более, свою специфику имеет процесс разработки, производства и применения специализированных СБИС и СнК в РЭА систем вооружения. Внедрение специализированных СБИС и систем на кристалле в РЭА может осуществляться на различных этапах разработки, производства, эксплуатации и модернизации вооружения и военной техники (ВВТ).

1. Для ранее созданных, серийно выпускаемых и находящихся в эксплуатации систем, а также для систем вооружения, находящихся в эксплуатации, серийное производство которых прекращено.

Интеграция большого количества микросхем и других дискретных элементов, выпуск которых ограничен или прекращен, в одну или несколько специализированных СБИС («свертка») может оказаться единственным экономически оправданным средством поддержания эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры и формирования ЗИП типовых элементов замены (ТЭЗ) [2].

Достоинством такого подхода является минимизация экономических и временных затрат за счет того, что «свертка» затрагивает изменения только внутри типовых элементов замены и не влечет никаких изменений в остальной аппаратуре и межсоединениях.

2. Для модернизируемых, серийно выпускаемых систем вооружения.

«Свертка» РЭА целесообразна на более высоком уровне интеграции, когда в качестве комплектующих рассматриваются не интегральные схемы малой и средней степени интеграции, а специализированные СБИС и IP-блоки, разработанные на предыдущих этапах «свертки». Модернизация на данном уровне затрагивает конструктив аппаратуры, некоторые технические решения и может коренным образом изменить облик системы вооружения и существенно повысить тактико-технические характеристики.

3. Для разрабатываемых и перспективных систем вооружения.

«Свертка» РЭА целесообразна на этапе завершения испытаний и освоения серийного производства. В этом случае дополнительные расходы разработчика будут минимальными (в любом случае проводятся доработки техники и документации по результатам испытаний и замечаниям серийных заводов), но с применением «свертки» разрешается проблема навесных деталей и дополнительных соединений. Кроме того, для перспективных систем вооружения возможно планирование экономически оправданных этапов обновления элементной базы с целью поддержания рентабельности их производства и обеспечения нормальной эксплуатации РЭА.

Свертка комплектующих в один или несколько кристаллов для эксплуатируемых, модернизируемых и разрабатываемых образцов ВВТ может осуществляться на различных уровнях интеграции.

Сущность применения «свертки» первого уровня для эксплуатируемых систем вооружения подробно изложена в [2]. Такая многократная «свертка» первого уровня в [2] названа термином «латентная модернизация».

Проведение «латентной модернизации» РЭА, реализованной на элементной базе 3-го поколения, путем «свертки» комплектующих в специализированные СБИС, решает многие проблемы, связанные с эксплуатацией ВВТ и приводит к существенному улучшению тактико-технических характеристик систем вооружения. В процессе проведения «латентной модернизации» разработчики РЭА и разработчики специализированных СБИС приходят к глубокому убеждению, что потенциальные возможности современной элементной базы «система на кристалле» далеко не исчерпаны. Назревает необходимость проведения более глубокой модернизации, базирующейся на результатах «латентной», которая бы затрагивала не только «свертку» комплектующих отдельных ТЭЗов, но и интерфейс и конструктив РЭА, а также, по возможности, принципы построения и технические решения реализации отдельных блоков и устройств. Назовем такую модернизацию РЭА модернизацией второго уровня.

Использование более глубокой интеграции элементов в кристалле субмикронных технологий при реализации РЭА может качественно изменить облик модернизируемых систем вооружения. В первую очередь это касается массогабаритных характеристик, характеристик надежности, живучести и точностных характеристик. Например, стационарную радиоэлектронную аппаратуру автоматизированного командного пункта некоторой системы вооружения, которая занимала десятки квадратных метров, можно реализовать в стойке или блоке, разместить на передвижном аппарате (возимом, носимом, летаемом, плавающем) и получить качественно новые характеристики живучести и безопасности.

Проведение модернизации РЭА второго уровня не потребует больших капиталовложений и временных затрат. Второй уровень модернизации начинается не с «пустого места», а базируется на результатах «латентной модернизации». При осуществлении второго уровня модернизации можно использовать те громадные возможности, которые предоставляют субмикронные технологии «система на кристалле». Во-первых, в модернизируемой аппаратуре можно устранить недостатки, которые были выявлены в процессе эксплуатации. Во-вторых, при модернизации можно скорректировать некоторые технические решения, например, расширить диапазон обрабатываемых данных, увеличить точность вычислений, расширить полосу пропускания, перейти на другие частоты и т.д. Все это может существенно изменить облик модернизируемой системы вооружения и получить качественно новые тактико-технические и эксплуатационные характеристики.

Таким образом, цель, основные задачи и содержание второго уровня модернизации РЭА существенно отличаются от «латентной модернизации» и требуют корректировки инфраструктуры проектирования, производства и применения специализированных СБИС и СнК для модернизируемых систем вооружения. Можно сказать, что при проведении «латентной модернизации» были сделаны некоторые наброски инфраструктуры, исходя из особенностей функционирования систем вооружения и предполагаемой тенденции развития инфраструктуры. Для проведения модернизации второго уровня инфраструктура более четко определилась и сформировалась.

В принципе, при проведении «латентной модернизации» можно было использовать общепринятую инфраструктуру для разработки и производства специализированных СБИС широкого назначения. В частности, системный, логический и топологический уровни проектирования поручить одной организации производителю интегральных микросхем и исключить самостоятельные дизайн-центры. При этом сохранились бы сроки разработки, качество производства специализированных СБИС, несколько пострадало бы качество разработки СБИС, так как разработчики РЭА и СБИС были лишены тесного взаимодействия. Но главное, отсутствие самостоятельных дизайн-центров при проведении «латентной модернизации» коренным образом повлияло бы на качество и сроки проведения второго уровня модернизации, проведение которого невозможно без самостоятельных дизайн-центров, ориентированных на определенное ведомство.

Очевидной стала необходимость закупки систем автоматизации проектирования (САПР) у самостоятельных фирм, которые профессионально этим занимаются на протяжении многих лет, а не разрабатывать их силами разработчиков РЭА и дизайн-центров. Роль систем автоматизации проектирования при проведении модернизации второго уровня возрастает. Современные САПР позволяют на самом верхнем первом этапе системного уровня проектирования создавать исполняемую модель проектируемой системы на алгоритмических языках высокого уровня без привязки к конкретной реализации, постепенно детализируя модель при переходе на низшие уровни проектирования. Это позволяет значительно сократить сроки проектирования и сохранить преемственность виртуальных моделей различных уровней и этапов проектирования. Использование САПР на всех этапах проектирования, помимо обеспечения требуемого уровня качества разработки РЭА и ее элементов, явится также мощным дисциплинирующим фактором для разработчиков. Это связано с тем, что в условиях использования технологий автоматизированного проектирования невозможны ситуации, когда те или иные изменения, внесенные в схемы РЭА, Новый технологический базис обеспечения эксплуатации, модернизации и продления жизненного цикла образцов вооружения и военной техникиокажутся не отраженными в соответствующей документации. С другой стороны, исчезнут непродуманные технические решения, поскольку они будут в самом начале «отбракованы» САПР.

Таким образом, инфраструктура проектирования и производства систем на кристалле для модернизируемых систем вооружения должна включать самостоятельные дизайн-центры, ориентированные на определенное ведомство, самостоятельные компании автоматизации проектирования, самостоятельные фабрики полупроводникового производства (рис. 1).

Маршрут проектирования и производства специализированных СБИС и СнК при осуществлении второго уровня модернизации РЭА, как и ранее, при осуществлении «латентной модернизации», включает три уровня: системный, логический и топологический. Однако приоритеты системного и логического уровней проектирования существенно изменяются. Наиболее приоритетным и важным становится системный уровень проектирования, который существенно усложняется по сравнению с уровнем системного проектирования для осуществления «латентной модернизации».

Системный уровень проектирования разделяется на два этапа:

1-й этап - разработка алгоритмической модели и ее верификация;

2-й этап - разработка модели макроархитектуры и ее верификация.

1-й этап. На этапе алгоритмического проектирования разрабатывается обобщенная алгоритмическая модель модернизируемой радиоэлектронной аппаратуры на высшем уровне абстракции и осуществляется ее верификация. Исходной спецификацией для построения алгоритмической модели являются системные требования, предъявляемые к проектируемой аппаратуре (требования по производительности, пропускной способности, точности и др.). С целью преемственности последовательных виртуальных моделей различных уровней проектирования алгоритмическая модель создается с привлечением С/С++ и предусматривает блоки генерации тестовых воздействий для осуществления ее верификации. Алгоритмическая модель должна проанализировать, работоспособен ли выбранный математический алгоритм, выполняет ли проектируемая система заданные функции, обеспечиваются ли заданные требования по производительности, точности и другим характеристикам. Задачи алгоритмического этапа проектирования решаются разработчиками модернизируемой РЭА, которые являются заказчиками специализированных СБИС и СнК, при тесном взаимодействии с разработчиками СнК. В процессе взаимодействия представители дизайн-центра, которые имеют определенные знания в предметной области данного ведомства и хорошо представляют большие возможности новой элементной базы, могут оказать существенную помощь разработчикам РЭА в выборе математических методов, определить, насколько сложен выбранный алгоритм в реализации на архитектурном уровне.

Для верификации алгоритмической модели разрабатывается тестовое окружение. Верификация и проверка правильности функционирования алгоритмической модели выполняется путем компьютерного моделирования. В процессе моделирования определяются возможные ошибки и отклонения от требований исходной системной спецификации и, если они обнаружены, алгоритмическая модель корректируется и производится повторное моделирование. Верифицированная алгоритмическая модель является эталоном для проверки правильности функционирования виртуальных моделей низших уровней абстракции. Модель уровня алгоритмов является своего рода спецификацией для разработки модели макроархитектуры будущей СБИС.

2-й этап - разработка модели макроархитектуры и ее верификация.

Данный этап является наиболее ответственным во всем маршруте проектирования. Именно на этом этапе определяется состав аппаратной и программной частей аппаратуры, формируется ее облик, синтезируется макроархитектура будущей СБИС или СнК. Если этап первого системного уровня выполняется в основном математиками и программистами, то на втором этапе подключаются архитекторы, причем архитекторы не только РЭА, но и архитекторы систем на кристалле. Архитекторы РЭА формируют облик проектируемой системы, определяют состав и укрупненную структурную схему. Архитекторы систем на кристалле для каждого из блоков укрупненной структурной схемы предлагают возможные варианты их исполнения из имеющегося набора. Здесь уместно напомнить, что рассматриваемому этапу модернизации РЭА предшествовал этап «латентной модернизации», после которого в распоряжении дизайн-центров имеется библиотека фрагментов схем модернизируемой РЭА в виде специализированных СБИС и IP-блоков (Intellectual Property - интеллектуальная собственность) различной сложности. Именно эти ранее созданные специализированные СБИС и IP-блоки в большинстве случаев используются для реализации отдельных блоков укрупненной структурной схемы модернизируемой РЭА.

В качестве примера возьмем приемный тракт цифровой обработки сигнала некоторой радиолокационной станции (РЛС). Тракт цифровой обработки радиолокационного сигнала современной РЛС, как правило, включает некоторые стандартные процедуры обработки цифрового сигнала, характерные для РЛС различных частотных диапазонов и различного применения и предназначенные для решения следующих задач:

- автоматического съема координат;

- порогово-логической обработки сигналов со стабилизацией уровня ложных тревог;

- автокомпенсации мешающих отражений;

- автокомпенсации активных шумовых помех;

- селекции движущихся целей;

- некогерентного накопления сигналов;

- когерентного накопления сигналов;

- частотной селекции сигналов;

- синхронизации и демодуляции сигнала и др.

Для решения каждой из перечисленных задач в тракте обработки цифрового сигнала использовался свой аппаратный узел (модуль), реализованный на интегральных схемах малой и средней степени интеграции и конструктивно оформленный в виде ячейки, платы или блока. Например, модуль автоматического съема координат, конструктивно оформленный в виде одной платы, модуль порогово-логической обработки сигналов, конструктивно оформленный в виде трех плат, и т.д.

При проведении «латентной модернизации» каждый модуль или функционально законченный фрагмент модуля может быть реализован в виде одной или нескольких СБИС, например, СБИС нерекурсивного фильтра, СБИС стабилизации уровня ложных тревог, СБИС комплексного быстрого преобразования Фурье, СБИС автокомпенсатора помех и др. [3].

Следует отметить, что очередность проведения «сверток» модулей модернизируемой РЭА или последовательных этапов «латентной модернизации» в первую очередь определяется теми модулями или их фрагментами, которые содержат в своем составе проблемную электронно-компонентную базу (ЭКБ), т.е. такие ИС и другие комплектующие, поставка которых по тем или иным причинам ограничена или прекращена. Ранее отмечалось, что поэтапная модернизация может состоять из произвольного числа последовательных «сверток» аппаратуры, разделенных во времени, причем уже «свернутая» аппаратура может быть использована в качестве фрагментов для дальнейших «сверток» на основе более совершенной технологической базы. Вследствие этого в библиотеке дизайн-центров может оказаться несколько вариантов фрагментов схем, выполняющих одну и ту же функцию, но состоящих из одной, двух и т.д. специализированных БИС или СБИС.

Таким образом, в распоряжении системных архитекторов при разработке модели макроархитектуры будущей специализированной СБИС или СнК имеется довольно большой набор фрагментов схем модернизируемой аппаратуры (документированных и верифицированных IP-блоков). Кроме того, на данном этапе можно воспользоваться IP-блоками дизайн-центров других ведомств. Второй вариант потребует дополнительных экономических затрат на покупку IP-блоков и временных затрат на поиск и последующую верификацию IP-блоков.

Виртуальная модель макроархитектуры, кроме прямой задачи определения, удовлетворяет ли планируемая архитектура исходным требованиям, должна решить ряд оптимизационных задач, например, минимизация времени разработки при минимизации экономических затрат. В результате выполнения второго этапа системного уровня для дальнейшего проектирования могут быть предложены несколько вариантов макроархитектуры. Для рассматриваемого примера РЭА тракта цифровой обработки радиолокационного сигнала может быть предложена архитектура на одном кристалле, интегрирующая в своем составе ранее разработанные специализированные СБИС, или архитектура, включающая несколько укрупненных блоков, которые могут быть реализованы в виде отдельных специализированных СБИС или СнК. Окончательный выбор макроархитектуры проектируемой РЭА осуществляется на уровне логического проектирования при тесном взаимодействии архитекторов РЭА и архитекторов СБИС и СнК.

Выше отмечалось, что модернизация РЭА эксплуатируемых систем вооружения второго уровня затрагивает конструктив аппаратуры и ее интерфейс. Поэтому при определении макроархитектуры модернизируемой РЭА в соответствии с заданными требованиями должна быть определена интерфейсная часть. Это может быть специальная вновь разрабатываемая аппаратура или, скорее всего, известные универсальные интерфейсные IP-блоки. В результате моделирования интерфейсная часть может войти как самостоятельное звено в состав архитектуры, так и быть интегрирована в разрабатываемый кристалл.

Успех или, другими словами, качество проработки макроархитектуры модернизируемой РЭА, от которой в конечном итоге зависит и качество модернизируемой РЭА, будет в первую очередь определяться качеством взаимодействия архитекторов разработчиков РЭА и архитекторов разработчиков СБИС и СнК. Видимо, при существующих организационных взаимоотношениях, когда разработчики РЭА и разработчики СБИС и СнК принадлежат разным ведомствам, качественное взаимодействие разработчиков РЭА и СБИС проблематично. Современный уровень проектирования систем на кристалле требует введения в состав разработчиков РЭА полупроводниковых дизайн-центров, которые бы взяли на себя все функции, связанные с разработкой специализированных СБИС и СнК. В этом случае сложившиеся ранее взаимоотношения между разработчиками РЭА и интегральных микросхем коренным образом изменяются. Изменяются и права на интеллектуальную собственность разрабатываемой аппаратуры.

Логический уровень проектирования включает 4 этапа:

1-й этап - разработка RTL-моделей;

2-й этап - моделирование и прототипирование СБИС на ПЛИС;

3-й этап - логический синтез и оптимизация на вентильном уровне;

4-й этап - вентильная верификация.

Содержание этапов логического проектирования практически совпадает с содержанием этих этапов при осуществлении «латентной модернизации», но имеются и некоторые отличия.

На первом этапе логического уровня проектирования производится разработка и отладка поведенческой модели на уровне регистровых передач. Исходной информацией для синтеза виртуальной модели проектируемой системы на кристалле на этом этапе являются виртуальная модель макроархитектуры проектируемой системы и библиотека фрагментов схем, разработанных дизайн-центром на этапе «латентной модернизации» и оформленных в виде IP-блоков интеллектуальной собственности. На данном этапе разработчиками СнК решается задача, можно ли интегрировать всю модернизируемую РЭА в один кристалл или необходимо предусмотреть несколько кристаллов и специализированных СБИС. Разрабатываемые варианты исполнения модернизируемой РЭА могут быть оформлены в виде самостоятельных IP-блоков интеллектуальной собственности и включены в библиотеку дизайн-центров.

Остальные этапы логического уровня проектирования совпадают с ранее рассмотренными [2].

В результате проведения двухуровневой многоэтапной модернизации в распоряжении разработчиков радиоэлектронной аппаратуры имеется мощное средство для проектирования перспективных образцов РЭА - развитая библиотека фрагментов схем различной сложности в виде IP-блоков интеллектуальной собственности. Это позволит существенно сократить сроки разработки перспективных образцов РЭА и, в сочетании с прототипированием на ПЛИС, исключить ошибки и повторное перепроектирование.

Неоспоримые достоинства проведения первого и второго уровней модернизации эксплуатируемой РЭА можно проиллюстрировать на примере многопроцессорных вычислительных комплексов серии «Эльбрус» (МВК «Эльбрус»). Следует подчеркнуть, что при разработке принципов построения и основных технических решений МВК «Эльбрус» сразу предполагалась серия вычислительных комплексов, причем основным отличием очередной модели от предыдущей являлась элементная база. Другими словами, модернизация первого и второго уровней (в терминологии настоящей статьи) сразу закладывалась при разработке серии, хотя таких понятий, как модернизации различных уровней, в то время не было. Удачные, перспективные, долговременные, общепризнанные во всем мире и морально не устаревшие до настоящего времени принципы построения МВК «Эльбрус» позволили практически на порядок улучшать основные технические характеристики при переходе к очередной модели только за счет применения более совершенной элементной базы при незначительных доработках некоторых технических решений. Можно сказать, что разработка МВК серии «Эльбрус» явилась одним из примеров, доказывающих возможность и целесообразность проведения многоуровневой модернизации морально не устаревших образцов вооружения и военной техники.

МВК «Эльбрус-1» разработан в середине 70-х годов прошлого столетия и реализован в основном на элементной базе третьего поколения (элементы ТТЛ, 30 - 40 нсек. на уровень, тактовая частота 4 МГц.). Определяющая характеристика вычислительного комплекса (производительность) составляла, в зависимости от комплектации, от одного до десяти миллионов операций в секунду.

В МВК «Эльбрус-2» использована более совершенная элементная база (элементы ЭСЛ, 2-3 нсек. на уровень, тактовая частота 20 МГц.). Кроме того, незначительно скорректированы некоторые технические решения, которые не затрагивают принципы построения вычислительного комплекса, но которые стали возможны в связи с внедрением более совершенной элементной базы, в частности, увеличен объем сверхоперативной и оперативной памяти. В результате определяющая характеристика вычислительного комплекса (производительность) была увеличена на порядок и составила 10 - 100 миллионов операций в секунду.

В МВК «Эльбрус-микро» также полностью сохранены принципы построения, принятые в МВК «Эльбрус-1». Использована более совершенная элементная база в виде специализированных СБИС и СнК (в нашей терминологии осуществлена «свертка» второго уровня). В результате вычислительный комплекс МВК «Эльбрус-1» из стационарного превратился в возимый, производительность в максимальной комплектации возросла на два порядка и приблизилась к миллиарду операций в секунду.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. Немудров, Г. Мартин. Системы-на-кристалле. Проектирование и развитие. -Москва: Техносфера, 2004. -216 с.

2. Колганов С.К., Лазаревич Э.Г., Терешко С.М. Проблемные вопросы создания и развития радиоэлектронных систем военного назначения на основе технологии «система на кристалле»//Наука и военная безопасность. -2006. -№1.

3. Авгуль Л.Б., Курносенко С.В., Петроченко А.С., Терешко С.М. Комплект СБИС для цифровой обработки сигналов// Электроника. -2002. -№4.-С.26-27.


Для комментирования необходимо зарегистрироваться на сайте

  • <a href="http://www.instaforex.com/ru/?x=NKX" data-mce-href="http://www.instaforex.com/ru/?x=NKX">InstaForex</a>
  • share4you сервис для новичков и профессионалов
  • Animation
  • На развитие сайта

    нам необходимо оплачивать отдельные сервера для хранения такого объема информации