為什么多核處理器成為現代航電的標準設備？

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多核處理器最初是為高性能計算行業設計的，現在正成為現代航空電子的標準設備。然而，從單核處理器向當今多核處理器的過渡并非沒有挑戰。

什么是多核處理器？

讓我們從第一原則開始：多核處理器到底是什么？

Rapita Systems的高級多核分析工程師Sam Thompson博士回答說：“多核處理器包含多個處理核心；這使它們能夠并行執行多個指令流。”（Rapita Systems主要為航空航天和汽車行業提供軟件驗證工具和服務。）這反過來意味著更多的功能可以托管在單個處理器上?！?/p>

簡單地說，多核處理器是一種在單個集成電路芯片上具有兩個或多個獨立中央處理單元（CPU）的計算機芯片。如果說在人類解決問題時“兩個頭總比一個頭好”，那么在計算機解決問題時，集成電路上的兩個（或更多）CPU總比一個好。

這還不是全部：實時操作系統開發商SYSGO的技術產品營銷經理Amani Karchoud解釋說：“多核處理器在單個芯片內集成了多個處理單元（核），實現了同時執行多個任務。”“與單核處理器相比，這種并行性提高了性能，改善了多任務處理能力，并提高了能源效率?！?/p>

另一家實時操作系統開發商DDC-I的營銷副總裁Gary Gilliland指出：“從物理上講，多核處理器是同一處理器架構的多個核心，封裝在緊密耦合的配置中。”“例如，它們可以有多個ARM Cortex A-72內核共享緩存、內存總線、內存控制器和RAM。它們在不顯著增加尺寸、重量和功耗的情況下提供了更高的計算能力，這使它們對嵌入式航空電子應用的開發人員具有吸引力?！?/p>

正是這最后一組要點使多核處理器對航空電子系統的設計者和建設者具有吸引力。SYSGO現場應用工程師Stephane Le Merdy表示：“例如，在航空電子設備更新的背景下，能夠將多個現有系統整合到一個系統中非常重要。”使用多核系統可以滿足這種方法。此外，航空電子設備現在希望開發復雜的系統。追求性能是一個主要的工作領域，使用多核平臺是完全合適的。

堅實的優勢

上述多核處理器相對于單核處理器的優勢只是列表的開始。其中許多是由著名計算機芯片制造商英特爾首席工程師詹姆斯·科爾曼列舉的。例如，科爾曼說：“每個核都可以獨立執行任務，實現真正的同時處理?！薄霸诒仨毻瑫r進行多個運行而不延遲的環境中，這一點至關重要。此外，通過在多個內核之間分配任務，多核處理器可以更快地管理更多進程，而不會使單個內核過載，從而提高系統響應性和效率?！?/p>

事實上，多核處理器和單核處理器之間的根本區別類似于一個團隊同時執行一系列任務與一個人試圖自己完成所有事情之間的區別?？茽柭f：“在關鍵系統中，在不同內核上運行多個任務的能力意味著可以優先處理對時間敏感的任務，而無需等待其他任務完成?！薄斑@種能力最大限度地減少了延遲，提高了實時應用程序的性能?！?/p>

實時操作系統提供商Wind River專家系統架構師Stefan Harwarth表示：“與單核處理器相比，多核處理器提供了重大的性能改進，特別是在可以劃分為較小并發工作負載的任務中?！薄斑@些處理器提高了處理速度，提高了效率，并允許系統以更高的響應性和可靠性處理更復雜和數據密集型的應用程序?！?/p>

前面簡要提及的最后一個優勢值得仔細研究?？茽柭f：“利用多核處理器的一個方面是將多個應用程序整合到一個多核處理器上?！薄翱紤]飛機上每個單一用途模塊的尺寸、重量和功率要求：每次將多個應用程序組合到一個模塊中時，都會減少所需的總重量和功率，并節省飛行過程中所需的資源。這有助于航空航天業的更可持續的未來?！彼€減輕了重量，節省了燃料，同時減少了飛機總儲備的電力。

如今多核處理器是如何使用的？

考慮到這些優勢，值得一問的是：多核處理器在當今現實世界的航空電子系統中是如何實現的？

在航空領域，航空電子系統采用多核處理器來管理飛行控制、導航和通信等并發操作?！彼鼈冞€被用于支持飛行管理系統、自動駕駛儀控制、機載傳感器數據處理、發動機監控和防撞系統等。

風河解決方案工程首席技術專家Olivier Charrier表示，總的來說，“這些處理器能夠同時執行多個關鍵功能。它們的主要優勢包括增強的計算能力、提高的系統響應能力，以及將多個功能整合到一個硬件平臺上的能力?！?/p>

鑒于現代飛機系統已經變得多么復雜，多核處理器已經成為當今機載航空系統不可或缺的一部分，正是因為它們可以比單核處理器更有效地處理復雜、高性能的計算任務。

Coleman說：“這些功能包括安全關鍵和非安全關鍵任務、實時和等時操作，以及同一SoC（片上系統）內的安全和非安全過程。”“這種集成允許更精簡、更高效的架構，減少了對多個離散控制器模塊的需求，從而最大限度地降低了系統復雜性并提高了可靠性。隨著AC/AMC 20-193的出現，澄清了證明多核處理器合規性的可接受方法，認證機構承認了多核技術的好處和必然性，導致其在航空電子系統中的采用率越來越高?！?/strong>

多核處理器在航空電子系統中越來越普遍的一個實際原因是，它們在桌面計算和服務器系統中得到了廣泛的應用。由于航空市場與整體計算市場相比相對較小，航空電子設備開發商必須使用商業上可用的任何東西。說到CPU，可用的是多核處理器。

軟件分析和測試LDRA的現場開發總監Jay Thomas表示：“畢竟，在單個芯片上打印兩個或多個處理器的成本并不比打印單個處理器高多少。”“考慮到與多核處理器相關的其他優勢，你就可以明白為什么它們在市場上占據主導地位?！?/p>

因此，大多數新的航空電子項目現在都是基于多核處理器的使用，因此，航空業就像汽車和鐵路行業一樣使用這些SoC。

多核處理器的挑戰

盡管多核處理器為飛機系統帶來了諸多優勢，但它們并不是應對機載數據處理挑戰的完美解決方案。最大的擔憂是一個通常被稱為“干擾”的問題。當飛機航空電子系統具有多核處理器的多個核心同時運行時，這些處理器操作中的一個或多個可能會影響其他處理器正在執行的操作。

準確地說，“由于在不同內核上執行的軟件將爭奪航空電子系統共享數據資源的使用，多核處理器（MCP）大大增加了干擾模式的可能性，即一個內核上的軟件會影響另一個內核的軟件執行時間。“因此，除非得到管理和限制，否則這種多核干擾可能會影響軟件錯過截止日期，從而導致不安全的故障情況。這就是為什么保證航空電子平臺中的每個應用程序都有執行其預期功能（系統時序分析）所需的時間是這些系統DO-178C認證的一部分?？烧J證的安全關鍵軟件的開發人員必須為最壞的情況進行設計，并表明有時間滿足所有截止日期。”

值得注意的是：由于這種潛在的干擾，當今航空業中使用的大多數多核處理器要么承載低關鍵性功能，要么只運行一個核（這使它們能夠像單核處理器一樣獲得認證）?！比欢?，由于多核處理器技術、RTOS技術和認證機構指導的改進，航空電子供應商現在正在使用多核處理器。

與多核處理器相關的第二個問題被稱為“方差”。通俗地說，人們可以把這看作是“實際處理速度”。簡單地說，僅僅因為兩個多核處理器具有相同的架構和相同的操作規范，并不意味著它們將以完全相同的速度處理數據。

在臺式計算機和服務器領域，差異不是一個大問題。畢竟談論的時間單位幾乎是無窮小的，當然超出了人類觀察者在沒有幫助的情況下進行檢測的能力。

當在32核處理器上運行Windows時，每個核心完成特定任務所需的時間存在很大差異?！薄斑@沒關系，因為這些應用程序就是這樣設計的：它們可以容忍一定程度的差異。但在航空電子方面，需要CPU在非常具體、狹窄的時間窗口內獲取輸入、執行計算并輸出數據。第一代具有臺式機基礎的多核處理器并不理想?！?/p>

在單核處理器時代，使用稱為IMA（集成模塊化航空電子設備）的管理概念來控制單個處理器上幾個獨立功能的托管?！癐MA基于非常精確的時間切片，可以在一個內核上運行多個應用程序，并確保確切地知道每個應用程序需要多少時間。”“這是許多飛行控制系統的最先進技術。可以在同一個CPU上輪流運行多個飛行控制應用程序，從而避免了干擾問題?！?/p>

如果在這種模式下運行的單核處理器類似于一個人在兩個或多個任務之間順序切換，那么多核處理器可以比作一組人同時執行多個相互關聯的任務。在這種情況下，差異就像將任務分配給一組具有不同技能水平的人——整體速度受到最慢執行者的限制。就像一個鏈的強度取決于它最薄弱的環節一樣，多核處理系統的速度和成功的交互性也取決于它效率最低的核。

在單核世界中，特別是在那些IMA應用程序中，可以非常準確和具體地了解完成算法所需的時間。”“但在多核世界中，這種精確性已經消失了，至少目前是這樣?！?/p>

最后，從監管的角度來看，關鍵的挑戰是a（M）C 20-193形式的相對較新的指導?！半m然航空業非常熟悉DO-178C/ED-12C和DO-254/ED-80等更成熟的標準，但目前還沒有滿足A（M）C 20-193目標的經驗，組織也沒有內部流程來實現多核認證目標?！?/p>

應對挑戰

鑒于上述問題，為安全關鍵應用認證多核處理器比認證單核處理器更復雜。這就是為什么“航空當局以AC/AMC 20-193的形式增加了一些額外的目標來解決多核使用問題（作為之前稱為CAST-32A指南的更新），作為對DO-178C和DO-254指南的補充”。

關于多核處理器的干擾和方差問題？主動應對這些問題需要在允許這些系統升空之前進行實地測試和軟件修復?！斑@一切都是為了調整系統和資源，這樣在不同內核上運行的應用程序的不同部分就不會沖突和/或因差異而降級?！薄斑@是LRDA一段時間以來一直在做的事情，但這還不是全部。LRDA還一直在與芯片制造商合作，以減少硬件方面的差異。芯片制造商認真對待這一挑戰的事實使這個問題更容易解決?！?/p>

英特爾的科爾曼對此觀點表示贊同：“航空電子制造商需要供應商提供全面的芯片可靠性和特性信息，包括證明遵守AMC 20-152A和AMC 20-193目標的證據。”“這些資源的設計應能幫助系統設計人員有效識別和減輕潛在的干擾信道。這種支持還應解決設計保證和認證問題，以確保多核系統符合嚴格的航空標準?！?/p>

盡管如此，每當多核的話題出現時，如果過度關注干擾而忽視了MCP架構的價值，就會引起很多關注?！爱斆總€硬件、軟件和工具供應商都在為安全關鍵操作的MCP制定正確的解決方案時，情況尤其如此。然而，多核處理產生的問題并不新鮮。有辦法解決這些MCP問題，使其不那么具有挑戰性或負擔——但處理器架構和操作系統環境之間的方法和解決方案集可能存在很大差異。這些差異包括開發和認證安全關鍵MCP系統所需的努力程度，這可能會使一個供應商的解決方案與下一個供應商相比具有性能優勢?！?/p>

滅絕的時刻

在本文中介紹了多核處理器在飛機系統中的發展，在高空使用時有時會出現的問題，以及這些問題的解決方案。這就引出了最后一個問題：單核處理器注定要失敗嗎？

顯然，答案是肯定的。隨著對更強大、更高效的航空電子設備的需求不斷增長，多核處理器有望成為航空系統的標準。處理器架構、軟件工具和認證流程的進步將有助于克服當前的挑戰，使多核系統得到更廣泛的采用?！薄半S著航空電子系統變得越來越復雜，單核處理器在新飛機上的使用可能會減少，多核處理器為未來的航空應用提供了必要的性能和可擴展性。”

隨著時間的推移，航空業預計將越來越多地采用多核處理器，逐步淘汰新飛機設計中的單核處理器。這種轉變是由對提高性能的需求和單核技術的過時所驅動的。

多核處理器在各個行業越來越普遍，航空航天也不例外。鑒于現代航空系統對計算的強烈需求，向多核技術的轉變是不可避免的。在處理復雜、計算密集型工作負載方面的巨大優勢使多核處理器成為未來飛機設計的關鍵組件。隨著航空航天技術的不斷發展，對單核處理器的依賴預計會減少，這標志著新飛機向更先進的多核架構的重大轉變。

誠然，與多核處理器相關的干擾和方差問題仍然令人擔憂。多核處理器被廣泛認為是新穎的，公平地說，目前比單核處理器具有更大的認證風險。然而，重要的是要記住，就在幾年前，電傳操縱系統占據了類似的空間：采用新技術有明顯的優勢，但部署也有額外的風險。預計多核處理器的部署將遵循類似的軌跡，直到高臨界多核系統的認證成為一項完全不起眼的成就?！?/p>

總之，雖然多核處理器帶來了獨特的挑戰，但也提供了無與倫比的潛力。因此，隨著航空電子系統變得越來越復雜和性能驅動，向多核的轉變不僅是合乎邏輯的，而且是至關重要的。誠然，獲得認證的道路可能更長，但目標很明確：多核處理器將繼續存在。

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