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

什么是 COM-HPC？

COM-HPC 是由 PCI 工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商集團(tuán) （PICMG） 開(kāi)發(fā)和批準(zhǔn)的新計(jì)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(jì)算機(jī)模塊（COM）。COM-HPC 旨在滿足嵌入式計(jì)算機(jī)和邊緣服務(wù)器對(duì)高速性能的需求。

高性能計(jì)算 （HPC） 是聚合計(jì)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(jì)算等技術(shù)實(shí)時(shí)解決傳統(tǒng)計(jì)算系統(tǒng)無(wú)法解決的大型復(fù)雜問(wèn)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(duì)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(duì)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(shí)鐘速度和 8 Gbit/秒吞吐量，但可能無(wú)法充分運(yùn)行 PCIe Gen 4、5 和 6 等新進(jìn)步。

軍事高性能計(jì)算用途

計(jì)算能力的許多軍事應(yīng)用都需要實(shí)時(shí)收集和處理數(shù)據(jù)。自 1992 年以來(lái)，軍方一直對(duì) HPC 感興趣，當(dāng)時(shí)啟動(dòng)了高性能計(jì)算現(xiàn)代化計(jì)劃 （HPCMP），以履行國(guó)會(huì)關(guān)于實(shí)現(xiàn)美國(guó)國(guó)防部 （DoD） 現(xiàn)代化的指令。其目標(biāo)是通過(guò)使用高性能的計(jì)算機(jī)硬件和軟件來(lái)解決現(xiàn)代軍事和安全問(wèn)題。該計(jì)劃整合了在陸軍和海軍等各個(gè)軍事部門的實(shí)驗(yàn)室和測(cè)試中心進(jìn)行的超級(jí)計(jì)算研究。

自 1992 年以來(lái)，計(jì)算世界發(fā)生了很大變化;首先，“云”和邊緣計(jì)算在當(dāng)時(shí)無(wú)處可尋。隨著技術(shù)格局的發(fā)展，軍方開(kāi)始利用云計(jì)算等進(jìn)步。HPCMP的目標(biāo)之一是開(kāi)發(fā)能夠執(zhí)行高級(jí)仿真的系統(tǒng)，作為預(yù)測(cè)建模的基礎(chǔ)。2018年太空部隊(duì)的引入激發(fā)了人們對(duì)HPCMP的新興趣，因?yàn)樗噲D確定技術(shù)來(lái)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(bào)。

軍方目前以多種方式采用HPC解決方案，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)可靠決策所需的大量數(shù)據(jù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。通過(guò)使用并行計(jì)算和 GPU ［圖形處理單元］ 的高級(jí)處理功能，HPC 系統(tǒng)可以以大大提高的速度執(zhí)行計(jì)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(wú)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(duì)于數(shù)據(jù)更可用、有效和及時(shí)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(chǎng)，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(shí)間內(nèi)詳細(xì)繪制一個(gè) 200 平方英里的城市。這種能力對(duì)于為軍事指揮和地面靴子提供情報(bào)至關(guān)重要。

SWaP-C 的優(yōu)勢(shì)：SwaP-C ［尺寸、重量、功率和成本］ – 所有特性對(duì)于設(shè)計(jì)用于必須易于移動(dòng)設(shè)備且電源可能有限的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)提供高級(jí)計(jì)算功能。

堅(jiān)固耐用的 HPC：現(xiàn)場(chǎng)使用的設(shè)備需要符合軍用標(biāo)準(zhǔn)，以承受過(guò)度振動(dòng)、沖擊和溫度。軍方還需要電子包裝來(lái)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(shì)

邊緣計(jì)算，即在現(xiàn)場(chǎng)而不是在集中式數(shù)據(jù)中心完成處理，在整個(gè)工業(yè)和軍事領(lǐng)域變得越來(lái)越重要。外勤人員進(jìn)行有助于決策的計(jì)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(shí)間并消除可能在處理任務(wù)的行動(dòng)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(jì)算解決方案而需要解決的許多問(wèn)題。其中一些包括：

擴(kuò)展 RAM 功能：COM-HPC 服務(wù)器模塊設(shè)計(jì)用于在 8 個(gè) 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(gè)增加到 800 個(gè)，幾乎是單個(gè)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(shì)，這將使作戰(zhàn)人員受益。

增強(qiáng)的服務(wù)器主板管理：通過(guò)新的服務(wù)器接口實(shí)現(xiàn)靈活配置，該接口允許使用薄插槽卡來(lái)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(dòng)、多功能和可靠的系統(tǒng)，從而帶來(lái)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(gè)是網(wǎng)絡(luò)安全，這個(gè)話題會(huì)影響所有計(jì)算環(huán)境，并對(duì)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(xiǎn)。另一個(gè)挑戰(zhàn)是網(wǎng)絡(luò)：需要具有數(shù)十萬(wàn)個(gè)端點(diǎn)和智能傳感器的大型網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)軍方所需的可行邊緣計(jì)算。驗(yàn)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(shí)施 HPC 系統(tǒng)的重要組成部分。

HPC難題的另一部分：在開(kāi)發(fā)HPC系統(tǒng)時(shí)確定合適的合作伙伴對(duì)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(guò)加固以符合軍事行動(dòng)的需求。緊跟新趨勢(shì)和標(biāo)準(zhǔn)，如COM-HPC，傳感器開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)（SOSA），模塊化開(kāi)放系統(tǒng)方法（MOSA）或模塊化開(kāi)放RF架構(gòu)（MORA）也是將用于滿足軍事計(jì)算需求的組織的特征。

高性能計(jì)算有不同的風(fēng)格，例如 GPU 與標(biāo)準(zhǔn) CPU 處理。還有一個(gè)新的PICMG規(guī)范正在為基于COM Express系列的小尺寸HPC開(kāi)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(jì)算密度低，控制邏輯復(fù)雜，專為串行操作、流水線淺、低時(shí)延而建。另一方面，GPU 處理具有很高的計(jì)算密度;每次內(nèi)存訪問(wèn)執(zhí)行高計(jì)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(cuò)能力。GPU和COM-HPC的使用將使軍事應(yīng)用受益匪淺。

這里沒(méi)有延遲

高性能 GPU 處理可以獲取 PB 級(jí)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(chǎng)上的視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給用戶。這種巨大的增長(zhǎng)使作戰(zhàn)人員能夠在戰(zhàn)場(chǎng)上做出復(fù)雜的實(shí)時(shí)決策，而無(wú)需在云中處理數(shù)據(jù)，從而減少延遲。例如，來(lái)自空中監(jiān)視任務(wù)的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)可以無(wú)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(duì)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(shí)時(shí)檢索信息并將其傳播給團(tuán)隊(duì)。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(shì)，并將降低 SWaP-C 作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

隨著我們進(jìn)入21世紀(jì)，最有效地利用計(jì)算技術(shù)的能力很可能是軍事?tīng)?zhēng)端和活動(dòng)的決定性因素。國(guó)防部將這種情況視為一個(gè)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(wú)法想象的高性能計(jì)算系統(tǒng)，未來(lái)看起來(lái)是光明的，可以提高我們的安全性，同時(shí)限制對(duì)任務(wù)和作戰(zhàn)人員的接觸。

審核編輯：郭婷