防衛機器アプリケーション

レーダーもまた、半導体業界がこの 20 年間に多大な貢献を果たしてきた基本テクノロジー分野です。今日の最新レーダーシステムでは、アクティブ電子走査アレイ (AESA) が最も一般的なアーキテクチャーです。今後は、デジタル・フェーズド・アレイや地上移動標的表示器 (GMTI) を搭載した合成開口レーダー (SAR) などの次世代レーダー・アーキテクチャーが新たなテクノロジーの主流となることが予想されます。これを実現するにあたって、多様なミッションの要件として求められる高性能データ処理、超広帯域幅、高ダイナミック・レンジ、アダプティブ・システムなどのパラメーターが多くのシステム設計に共通する課題となります。FPGA はこれらの課題に対処するうえで最適な、ときには不可欠なソリューションです。インテル® Stratix® FPGA シリーズと可変精度デジタル信号処理 (DSP) で浮動小数点テクノロジーを使用することにより、設計の段階に応じて必要な精度を定義できます。消費電力を削減しながら、ロジックリソースと DSP リソースを効率的に使用することができます。

下図に示す AESA アーキテクチャーでは、FPGA が必要な段階、および FPGA が処理上において大きな優位性をもたらす段階を特定できます。

28nm Stratix® V FPGA は、レーダーおよび高度センサー技術固有のデザイン要件に対応することができます。Stratix® V FPGA は、825 Gbps の全二重シリアル・トランシーバー帯域幅、豊富な DSP、優れたシグナル・インテグリティー、拡張性に優れたエンベデッド処理ブロック、最大 950K ロジックエレメント (LE) のロジック集積度を提供し、防衛レーダーおよびセンサーデザインに真の SoC (System On Chip) の可能性をもたらします。

新世代のインテル® Arria® 10 およびインテル® Stratix® 10 デバイスでは、豊富な DSP にハード浮動小数点 IEEE-754 単精度 DSP ブロックが追加されます。これにより、インテル® Arria® 10 FPGA では最大 1.5 TeraFLOPs、インテル® Stratix® 10 FPGA では最大 10 TeraFLOPs が実現されます。これらのブロックの推論には OpenCL*、フロー、DSP Builder for インテル® FPGA、その他のインテル® FPGA IP (Intellectual Property) を使用します。

開発期間を短縮するため、インテルは IP コア、リファレンス・デザイン、開発キット、システム・レベル・デザイン・ツールでシリコン・ソリューションを補完しています。個別のレーダー・リファレンス・デザインおよびレーダー・アプリケーション・サポートについては、担当者までお問い合わせください。

今日のセキュア通信デバイスは、多くの設計課題に直面しています。有線の製品は、40 Gbps / 100 Gbps のスループットを実現する過酷なデータ帯域幅要件に対応しなければなりません。また、JIE などのアプリケーション向けに、暗号化サービス用の改ざん防止プラットフォームも提供する場合も多くあります。ワイヤレス製品は、SRW、WNW、MUOS などの複数の波形を同時にサポートできる次世代の軍用無線モビリティーを実現するためのサイズ、重量、消費電力 (SWaP) の削減など、厳しい要求の下で開発されています。

セキュア通信システム

セキュア通信の設計課題は、有線システムと無線システムの両方に該当します。暗号化機能もまた、両方のシステムに共通する問題です。

有線のセキュア通信

全地球情報グリッド (GIG) をはじめとする、暗号化機能を備えた情報保証システムは、40G ～ 100G 以上のネットワーク・パフォーマンスをサポートします。ネット・セントリシティーにより、兵士が地上で目にする対象が、陸軍・空軍の施設軍備と確実にリンクしている必要があります。

ネットワーク暗号化

標準的なネットワーク暗号化のすべてのコア機能は、改ざん境界内部にインテル® FPGA を搭載し、実装することができます。28 nm Stratix® V FPGA は、50 種類超の業界標準プロトコルのサポートにより、消費電力を最小限に抑えて、最大 930Gbps のトランシーバー帯域幅を提供します。DSP 数、スケーラブルなエンベデッド・プロセシング、ロジック集積度におけるリーダーシップにより、有線のセキュア通信のための真の System-on-Programmable-Chip (SoPC) を実現します。インテル® Arria® 10 SoC は、消費電力をさらに削減し、セキュリティー機能を追加します。また、制御プレーン処理用に、デュアルコア ARM* Cortex* A9 ハード・プロセッサー・システムも提供します。

ワイヤレスセキュア通信

拡張無線機には、商用、AES、Suite A、Suite B の各暗号化アルゴリズムを使用した相互運用性とセキュリティーが必要です。これらの拡張無線機は、サイズ、重量、消費電力、コスト (SWaP-C) を最適化しながら、消防士、救急機関、医療機関、法執行機関向けのシステムをつなぎます。次世代のミリタリーグレードの信頼できる通信と SDR プラットフォームでは、フィールド・アップデート機能によってさまざまなプラットフォームやミッションをサポートしながら、同時に互換性のある波形を生成する必要があります。インテル® FPGA は、ワイヤレス通信システムを有効化し、これらの課題に対応します。

ソフトウェア・デファインド無線

インテル® Cyclone® V SoC は最小限のシステムコストと消費電力のニーズに応えます。一方、インテル® Arria® V SoC はコストとパフォーマンスのバランスに優れています。SoC FPGA では、2.5 MIPS の Dhrystone 性能を特長とするエンベデッド・デュアルコア ARM* A9 コアによって基板全体を統合することができます。

暗号化機能

強力な暗号化は、増加し続けるデータ・スループット・レートで通信とデータのセキュリティーを確保するためのカギとなります。セキュリティー設計で保護された FPGA に実装された、強力な暗号化アルゴリズムは、信頼できる情報保証システムのための基盤を提供します。

設計分離機能を備えたインテル® Cyclone® III LS FPGA は、低消費電力で高いセキュリティーを実現します。情報保証プラットフォームは、低コストで低消費電力のインテル® Cyclone® V FPGA のメリットを活用できます。一方、インテル® Stratix® V とインテル® Arria® 10 FPGA では、100Gbps 超のデータレートを実現できます。

今日のマーケット需要を満たすため、インテルでは防衛機器温度に対応した以下のデバイスを提供しています。

• FPGA 
  • 一部のパッケージにおけるインテル® Arria® 10 10AX660、10AX570、10AX480、10AS480、10AX220、10AX160 ミリタリーグレード 3 スピードグレード・デバイス。
  • 一部のパッケージにおけるインテル® Stratix® V FPGA 5SGXA7、5SGSD5 ミリタリーグレード 4 スピードグレード・デバイス。
  • 一部のパッケージにおけるインテル® Stratix® IV EP4SGX70、EP4SGX110、EP4SGX180、EP4SGX230、および EP4SE230 ミリタリーグレード 3 スピードグレード・デバイス。

下表に、これらのデバイスの温度範囲を示します。

インテルは現在の工業用デバイスを防衛機器温度範囲で動作させた場合の特性評価を行っています。これらのデバイスは仕様の範囲内で機能しますが、より低速のタイミングモデルに従って動作します。これらのデバイス設計の詳細については、以下の表に示す関連ドキュメントを参照してください。

インテルの防衛機器温度範囲製品の詳細は、ディストリビューターにお問い合わせください。

サポートしているプロダクトファミリー

下表に、インテル® Arria® 10 FPGA & SoC の防衛機器温度デバイスサポートを示します。

インテルの防衛機器温度範囲製品の詳細や特性評価レポートについては、ディストリビューターにお問い合わせください。

インテルは、複雑な高性能システムを実装する際のシステムデザイン上およびスケジュール上のリスクを軽減するために、実証済みの量産ボードに最新の検証済み Intellectual Property (IP) を容易に展開できるように、COTS ボードパートナーと緊密に協力しています。特定のニーズ、デバイスタイプ要件、および設計時間の制約に対応できるように、広範なボードやメザニンカードを用意しています。インテルの COTS パートナー・エコシステムは、先進的な API (Application Programming Interface) や高級言語を利用するハードウェアおよび FPGA インターフェイス用の開発ソフトウェアも網羅しています。インテルの COTS パートナー・エコシステムは、インテル® Quartus® Prime 開発ソフトウェアと DSP Builder for インテル® FPGA (アドバンスト・ブロックセット) およびインテル® およびサードパーティー独自のソフトウェアを使用して、ボードデザインを実装しています。

インテルの防衛機器向け COTS ボードパートナーは以下の各社です。

レーダー、セキュア通信、電子戦はすべて高性能デジタル信号処理 (DSP) チェーンを基礎としており、その性能は 1 GFLOPS から 10 TFLOPS にわたります。課題は、妥当なサイズ、重量、および消費電力 (SWaP) を維持しながら、このレベルの性能を実現することです。

多くの場合、システム・アーキテクトが MathWorks* MATLAB* でコンセプトとモデルを開発し、別のチームが数学モデルを量子化して固定小数点対応ハードウェアで実行できるようにします。この量子化ステップでは元のモデルからのずれが生じ、ダイナミック・レンジの制限やその他のシステム問題に悩まされることがよくあります。

インテル® Arria® 10 FPGA およびインテル® Stratix® 10 FPGA は、業界最高水準の GFLOPS/W 比を提供し、SWaP の維持に貢献します。IEEE 754 準拠浮動小数点処理チェーンは処理の負荷を大幅に軽減し、正規化を繰り返し実行する必要性を減らし、結果としてハードウェアの効率を高めます。FPGA の浮動小数点機能により、設計者の当初のシステム仕様を維持しながら、MATLAB* とハードウェア実装の間の量子化ステップをなくすことが可能です。インテル® Arria® 10 FPGA およびインテル® Stratix® 10 FPGA は、それぞれ最大 1.5 TFLOPs および 10 TFLOPs を実現します。

下図に、Stratix® V FPGA の高性能 DSP 機能の一部を示します。内蔵係数レジスターやハードプリアダーのほか、柔軟性を高める 3 つの乗算器モードがあります。この DSP アーキテクチャーに加え、フューズド・データパス・フローを含む DSP Builder for インテル® FPGA アドバンスト・ブロックセットにより、メモリーや配線リソースが削減されるだけでなく、精度、使用量、および消費電力のバランスを設計者がきめ細かく設定することが可能になります。

18 ビットおよび高精度モード

インテルは、防衛機器 DSP アプリケーションに対応するためのソリューション、リファレンス・デザイン、および技術サポートを提供しています。詳細は担当者までお問い合わせください。

RTCA DO-254/Eurocae ED-80 規格は、コンセプトから初期認証、さらには継続的な耐空性を保証するための認証後の製品改良まで、航空機搭載電子機器の設計保証に関するガイダンスを示しています。DO-254 では、アビオニクス機器メーカーが EASA および FAA のガイドラインに沿って満たさなければならない目標を規定しています。

RTCA DO-254 規格には、A (最高) からレベル E (最低) までの 5 段階のクリティカリティー・レベルが規定されています。これらの設計保証レベルは、すべての民間航空機搭載電子機器に必須です。最近では、A400M などの軍用機アプリケーションも DO-254 準拠が義務づけられています。

インテルとパートナーは、DO-254 認証プロセスをサポートするために、認証機関に提出するデータを提供する一連のツールと Intellectual Property (IP) を提案しています (下図参照)。インテルが航空機システム開発企業との経験から得た推奨事項を下表に示します。

フル・デザイン・サイクル・パートナー・ネットワーク・ソリューション

インテルの DO-254 認証可能 IP パートナー

次に挙げる IP コアは、既に認証済みか、現在インテルの顧客のためのドキュメントと認定プロセスを通過中です。これらの IP コアは、インテルとその IP パートナーのサポートにより、認証を受ける機会を得ることを可能にします (下表を参照)。

今や、防衛通信および兵器システムは圧倒的な数の最新高集積電子部品で構成されています。防衛機器市場で競争力や競争優位性を高めるには、最新の技術、高い処理速度、高い集積度のアナログ / デジタル処理を利用して情報システムや防衛機器の探知・応答時間を短縮することが絶対必要です。

しかし、そうしたシステムは、システムを構成する部品の数倍、あるいは桁違いに長い期間にわたって運用・維持されることがよくあり、必然的に部品の製造中止リスクが生じます。これは流通分野では大きな問題ですが、部品 / 製品エミュレーション、リバース・エンジニアリング、コード移植、認証などの業界にとっては刺激となります。

最も低リスクのベンダーの選択を含む生産終了戦略

陳腐化コストは、特に予定外の製造中止あるいは倒産や買収によるベンダーの事業停止の場合、完全には避けられません。従来、2 社購買のほか、ベンダーサポート契約、「最終受注日」、販売代理店による在庫確保などの戦略が用いられてきましたが、得られるサポータビリティーとそれに対するコストはさまざまです。追加戦略としては、製品サポートに基づいてベンダーの実績評価を行い、最も低リスクのベンダーを選ぶことが挙げられます。

おそらく、この戦略は防衛機器調達ではあまり用いられていません。従来のサプライヤー・プロファイルや実績では、ベンダーの沿革、財務的安定性、および目下の懸案事項としてのサプライヤーのリスクが重視されます。しかし、これらのプロファイルは、必ずしも経営構造、意思決定、および部品の長期的な製品サポート / サポータビリティーに関する判断につながる要因を反映しているとは限りません。

製品サポートリスクの評価

ホワイトペーパー「FPGA Product Support and EOL as Past Performance Indicators (PDF、英語)」では、30 年にわたる FPGA 開発 / 製品の歴史に基づいて、FPGA プロバイダーの製品サポート歴を評価するためのさまざまな統計指標を示しています。独自の指標開発のための完全なデータセットは、防衛機器ポータルにあります。それらの指標の一例を下の図に示します。