为什么多核处理器成为现代航电的标准设备？

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多核处理器最初是为高性能计算行业设计的，现在正成为现代航空电子的标准设备。然而，从单核处理器向当今多核处理器的过渡并非没有挑战。

什么是多核处理器？

让我们从第一原则开始：多核处理器到底是什么？

Rapita Systems的高级多核分析工程师Sam Thompson博士回答说：“多核处理器包含多个处理核心；这使它们能够并行执行多个指令流。”（Rapita Systems主要为航空航天和汽车行业提供软件验证工具和服务。）这反过来意味着更多的功能可以托管在单个处理器上。”

简单地说，多核处理器是一种在单个集成电路芯片上具有两个或多个独立中央处理单元（CPU）的计算机芯片。如果说在人类解决问题时“两个头总比一个头好”，那么在计算机解决问题时，集成电路上的两个（或更多）CPU总比一个好。

这还不是全部：实时操作系统开发商SYSGO的技术产品营销经理Amani Karchoud解释说：“多核处理器在单个芯片内集成了多个处理单元（核），实现了同时执行多个任务。”“与单核处理器相比，这种并行性提高了性能，改善了多任务处理能力，并提高了能源效率。”

另一家实时操作系统开发商DDC-I的营销副总裁Gary Gilliland指出：“从物理上讲，多核处理器是同一处理器架构的多个核心，封装在紧密耦合的配置中。”“例如，它们可以有多个ARM Cortex A-72内核共享缓存、内存总线、内存控制器和RAM。它们在不显著增加尺寸、重量和功耗的情况下提供了更高的计算能力，这使它们对嵌入式航空电子应用的开发人员具有吸引力。”

正是这最后一组要点使多核处理器对航空电子系统的设计者和建设者具有吸引力。SYSGO现场应用工程师Stephane Le Merdy表示：“例如，在航空电子设备更新的背景下，能够将多个现有系统整合到一个系统中非常重要。”使用多核系统可以满足这种方法。此外，航空电子设备现在希望开发复杂的系统。追求性能是一个主要的工作领域，使用多核平台是完全合适的。

坚实的优势

上述多核处理器相对于单核处理器的优势只是列表的开始。其中许多是由著名计算机芯片制造商英特尔首席工程师詹姆斯·科尔曼列举的。例如，科尔曼说：“每个核都可以独立执行任务，实现真正的同时处理。”“在必须同时进行多个运行而不延迟的环境中，这一点至关重要。此外，通过在多个内核之间分配任务，多核处理器可以更快地管理更多进程，而不会使单个内核过载，从而提高系统响应性和效率。”

事实上，多核处理器和单核处理器之间的根本区别类似于一个团队同时执行一系列任务与一个人试图自己完成所有事情之间的区别。科尔曼说：“在关键系统中，在不同内核上运行多个任务的能力意味着可以优先处理对时间敏感的任务，而无需等待其他任务完成。”“这种能力最大限度地减少了延迟，提高了实时应用程序的性能。”

实时操作系统提供商Wind River专家系统架构师Stefan Harwarth表示：“与单核处理器相比，多核处理器提供了重大的性能改进，特别是在可以划分为较小并发工作负载的任务中。”“这些处理器提高了处理速度，提高了效率，并允许系统以更高的响应性和可靠性处理更复杂和数据密集型的应用程序。”

前面简要提及的最后一个优势值得仔细研究。科尔曼说：“利用多核处理器的一个方面是将多个应用程序整合到一个多核处理器上。”“考虑飞机上每个单一用途模块的尺寸、重量和功率要求：每次将多个应用程序组合到一个模块中时，都会减少所需的总重量和功率，并节省飞行过程中所需的资源。这有助于航空航天业的更可持续的未来。”它还减轻了重量，节省了燃料，同时减少了飞机总储备的电力。

如今多核处理器是如何使用的？

考虑到这些优势，值得一问的是：多核处理器在当今现实世界的航空电子系统中是如何实现的？

在航空领域，航空电子系统采用多核处理器来管理飞行控制、导航和通信等并发操作。”它们还被用于支持飞行管理系统、自动驾驶仪控制、机载传感器数据处理、发动机监控和防撞系统等。

风河解决方案工程首席技术专家Olivier Charrier表示，总的来说，“这些处理器能够同时执行多个关键功能。它们的主要优势包括增强的计算能力、提高的系统响应能力，以及将多个功能整合到一个硬件平台上的能力。”

鉴于现代飞机系统已经变得多么复杂，多核处理器已经成为当今机载航空系统不可或缺的一部分，正是因为它们可以比单核处理器更有效地处理复杂、高性能的计算任务。

Coleman说：“这些功能包括安全关键和非安全关键任务、实时和等时操作，以及同一SoC（片上系统）内的安全和非安全过程。”“这种集成允许更精简、更高效的架构，减少了对多个离散控制器模块的需求，从而最大限度地降低了系统复杂性并提高了可靠性。随着AC/AMC 20-193的出现，澄清了证明多核处理器合规性的可接受方法，认证机构承认了多核技术的好处和必然性，导致其在航空电子系统中的采用率越来越高。”

多核处理器在航空电子系统中越来越普遍的一个实际原因是，它们在桌面计算和服务器系统中得到了广泛的应用。由于航空市场与整体计算市场相比相对较小，航空电子设备开发商必须使用商业上可用的任何东西。说到CPU，可用的是多核处理器。

软件分析和测试LDRA的现场开发总监Jay Thomas表示：“毕竟，在单个芯片上打印两个或多个处理器的成本并不比打印单个处理器高多少。”“考虑到与多核处理器相关的其他优势，你就可以明白为什么它们在市场上占据主导地位。”

因此，大多数新的航空电子项目现在都是基于多核处理器的使用，因此，航空业就像汽车和铁路行业一样使用这些SoC。

多核处理器的挑战

尽管多核处理器为飞机系统带来了诸多优势，但它们并不是应对机载数据处理挑战的完美解决方案。最大的担忧是一个通常被称为“干扰”的问题。当飞机航空电子系统具有多核处理器的多个核心同时运行时，这些处理器操作中的一个或多个可能会影响其他处理器正在执行的操作。

准确地说，“由于在不同内核上执行的软件将争夺航空电子系统共享数据资源的使用，多核处理器（MCP）大大增加了干扰模式的可能性，即一个内核上的软件会影响另一个内核的软件执行时间。“因此，除非得到管理和限制，否则这种多核干扰可能会影响软件错过截止日期，从而导致不安全的故障情况。这就是为什么保证航空电子平台中的每个应用程序都有执行其预期功能（系统时序分析）所需的时间是这些系统DO-178C认证的一部分。可认证的安全关键软件的开发人员必须为最坏的情况进行设计，并表明有时间满足所有截止日期。”

值得注意的是：由于这种潜在的干扰，当今航空业中使用的大多数多核处理器要么承载低关键性功能，要么只运行一个核（这使它们能够像单核处理器一样获得认证）。”然而，由于多核处理器技术、RTOS技术和认证机构指导的改进，航空电子供应商现在正在使用多核处理器。

与多核处理器相关的第二个问题被称为“方差”。通俗地说，人们可以把这看作是“实际处理速度”。简单地说，仅仅因为两个多核处理器具有相同的架构和相同的操作规范，并不意味着它们将以完全相同的速度处理数据。

在台式计算机和服务器领域，差异不是一个大问题。毕竟谈论的时间单位几乎是无穷小的，当然超出了人类观察者在没有帮助的情况下进行检测的能力。

当在32核处理器上运行Windows时，每个核心完成特定任务所需的时间存在很大差异。”“这没关系，因为这些应用程序就是这样设计的：它们可以容忍一定程度的差异。但在航空电子方面，需要CPU在非常具体、狭窄的时间窗口内获取输入、执行计算并输出数据。第一代具有台式机基础的多核处理器并不理想。”

在单核处理器时代，使用称为IMA（集成模块化航空电子设备）的管理概念来控制单个处理器上几个独立功能的托管。“IMA基于非常精确的时间切片，可以在一个内核上运行多个应用程序，并确保确切地知道每个应用程序需要多少时间。”“这是许多飞行控制系统的最先进技术。可以在同一个CPU上轮流运行多个飞行控制应用程序，从而避免了干扰问题。”

如果在这种模式下运行的单核处理器类似于一个人在两个或多个任务之间顺序切换，那么多核处理器可以比作一组人同时执行多个相互关联的任务。在这种情况下，差异就像将任务分配给一组具有不同技能水平的人——整体速度受到最慢执行者的限制。就像一个链的强度取决于它最薄弱的环节一样，多核处理系统的速度和成功的交互性也取决于它效率最低的核。

在单核世界中，特别是在那些IMA应用程序中，可以非常准确和具体地了解完成算法所需的时间。”“但在多核世界中，这种精确性已经消失了，至少目前是这样。”

最后，从监管的角度来看，关键的挑战是a（M）C 20-193形式的相对较新的指导。“虽然航空业非常熟悉DO-178C/ED-12C和DO-254/ED-80等更成熟的标准，但目前还没有满足A（M）C 20-193目标的经验，组织也没有内部流程来实现多核认证目标。”

应对挑战

鉴于上述问题，为安全关键应用认证多核处理器比认证单核处理器更复杂。这就是为什么“航空当局以AC/AMC 20-193的形式增加了一些额外的目标来解决多核使用问题（作为之前称为CAST-32A指南的更新），作为对DO-178C和DO-254指南的补充”。

关于多核处理器的干扰和方差问题？主动应对这些问题需要在允许这些系统升空之前进行实地测试和软件修复。“这一切都是为了调整系统和资源，这样在不同内核上运行的应用程序的不同部分就不会冲突和/或因差异而降级。”“这是LRDA一段时间以来一直在做的事情，但这还不是全部。LRDA还一直在与芯片制造商合作，以减少硬件方面的差异。芯片制造商认真对待这一挑战的事实使这个问题更容易解决。”

英特尔的科尔曼对此观点表示赞同：“航空电子制造商需要供应商提供全面的芯片可靠性和特性信息，包括证明遵守AMC 20-152A和AMC 20-193目标的证据。”“这些资源的设计应能帮助系统设计人员有效识别和减轻潜在的干扰信道。这种支持还应解决设计保证和认证问题，以确保多核系统符合严格的航空标准。”

尽管如此，每当多核的话题出现时，如果过度关注干扰而忽视了MCP架构的价值，就会引起很多关注。“当每个硬件、软件和工具供应商都在为安全关键操作的MCP制定正确的解决方案时，情况尤其如此。然而，多核处理产生的问题并不新鲜。有办法解决这些MCP问题，使其不那么具有挑战性或负担——但处理器架构和操作系统环境之间的方法和解决方案集可能存在很大差异。这些差异包括开发和认证安全关键MCP系统所需的努力程度，这可能会使一个供应商的解决方案与下一个供应商相比具有性能优势。”

灭绝的时刻

在本文中介绍了多核处理器在飞机系统中的发展，在高空使用时有时会出现的问题，以及这些问题的解决方案。这就引出了最后一个问题：单核处理器注定要失败吗？

显然，答案是肯定的。随着对更强大、更高效的航空电子设备的需求不断增长，多核处理器有望成为航空系统的标准。处理器架构、软件工具和认证流程的进步将有助于克服当前的挑战，使多核系统得到更广泛的采用。”“随着航空电子系统变得越来越复杂，单核处理器在新飞机上的使用可能会减少，多核处理器为未来的航空应用提供了必要的性能和可扩展性。”

随着时间的推移，航空业预计将越来越多地采用多核处理器，逐步淘汰新飞机设计中的单核处理器。这种转变是由对提高性能的需求和单核技术的过时所驱动的。

多核处理器在各个行业越来越普遍，航空航天也不例外。鉴于现代航空系统对计算的强烈需求，向多核技术的转变是不可避免的。在处理复杂、计算密集型工作负载方面的巨大优势使多核处理器成为未来飞机设计的关键组件。随着航空航天技术的不断发展，对单核处理器的依赖预计会减少，这标志着新飞机向更先进的多核架构的重大转变。

诚然，与多核处理器相关的干扰和方差问题仍然令人担忧。多核处理器被广泛认为是新颖的，公平地说，目前比单核处理器具有更大的认证风险。然而，重要的是要记住，就在几年前，电传操纵系统占据了类似的空间：采用新技术有明显的优势，但部署也有额外的风险。预计多核处理器的部署将遵循类似的轨迹，直到高临界多核系统的认证成为一项完全不起眼的成就。”

总之，虽然多核处理器带来了独特的挑战，但也提供了无与伦比的潜力。因此，随着航空电子系统变得越来越复杂和性能驱动，向多核的转变不仅是合乎逻辑的，而且是至关重要的。诚然，获得认证的道路可能更长，但目标很明确：多核处理器将继续存在。

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