Was sind sicherheitskritische Multicore-Avionikgeräte?

Was ist ein Multi-Core-Prozessor?

Ein Multi-Core-Prozessor ist eine Art Zentraleinheit (CPU), die mehrere einzelne Verarbeitungseinheiten, sogenannte Kerne, auf einem einzigen Chip integriert. Jeder Kern fungiert als unabhängige Einheit, die Aufgaben gleichzeitig ausführen kann. Einfacher ausgedrückt ist es so, als ob mehrere Gehirne in einem einzigen Körper zusammenarbeiten würden.

Key Features und Vorteile

Durch die Zusammenarbeit mehrerer Kerne wird die Fähigkeit des Prozessors, Aufgaben zu erledigen und Anweisungen schnell auszuführen, erheblich verbessert.

Die Ergebnisse umfassen:

• Parallele Verarbeitungsleistung: Jeder Kern kann eine separate Aufgabe gleichzeitig bearbeiten, was bedeutet, dass ein Multi-Core-Prozessor die Arbeitslast aufteilt und die für die Ausführung von Aufgaben erforderliche Zeit drastisch reduziert. Diese Funktion ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die komplexe Berechnungen, Multimedia-Verarbeitung und Multitasking-Szenarien beinhalten.

• Verbesserte Leistung: Anstatt sich bei der Bewältigung aller Aufgaben ausschließlich auf einen einzigen Kern zu verlassen, ermöglichen mehrere Kerne eine effiziente Verteilung der Arbeitslasten. Dies führt zu einer schnelleren Aufgabenausführung, reibungsloserem Multitasking und einer verbesserten Reaktionsfähigkeit.

• Effizientes Multitasking: Während ein Kern ressourcenintensive Aufgaben übernimmt, kann ein anderer Hintergrundprozesse wie Systemwartung oder Downloads verwalten. Durch diese Trennung wird sichergestellt, dass verschiedene Aufgaben nicht um Ressourcen konkurrieren, wodurch Verlangsamungen verhindert und ein nahtloses Computererlebnis gewährleistet wird.

• Energieeffizienz: Bei herkömmlichen Single-Core-Prozessoren kommt es oft zu einem erhöhten Stromverbrauch und einer höheren Wärmeentwicklung, wenn sie an ihre Grenzen stoßen. Multi-Core-Prozessoren hingegen können Arbeitslasten auf Kerne verteilen, wodurch die Belastung einzelner Kerne verringert wird und weniger Strom verbraucht wird. Dies führt zu einer verbesserten Energieeffizienz, einer längeren Akkulaufzeit für tragbare Geräte und einem geringeren Kühlbedarf für Desktop-Systeme.

• Zukunftssicherheit: Da Software und Anwendungen immer ausgefeilter werden, steigt der Bedarf an Rechenleistung weiter. Multi-Core-Prozessoren sorgen für die nötige Skalierbarkeit. Hersteller können die Anzahl der Kerne auf einem Chip erhöhen und so sicherstellen, dass Systeme weiterhin in der Lage sind, neue und anspruchsvolle Aufgaben zu bewältigen.

• Aufgabenoptimierung: Einige Mehrkernprozessoren verfügen über spezielle Kerne, die für bestimmte Aufgaben entwickelt wurden, z. B. Grafikprozessoren (GPUs) für grafikintensive Anwendungen oder Beschleuniger für künstliche Intelligenz (KI) für maschinelle Lernaufgaben. Diese Spezialisierung ermöglicht eine effiziente Bewältigung spezifischer Arbeitslasten, was insgesamt zu einer verbesserten Leistung und einer schnelleren Aufgabenerledigung führt.

Was sind sicherheitskritische Multicore-Avionikgeräte?

Die Technologie, die dem Betrieb von Flugzeugen zugrunde liegt, wird ständig weiterentwickelt, um sicherzustellen, dass Passagiere und Besatzung sicher reisen können. Ein bedeutender Fortschritt ist die Integration von Multicore-Prozessoren in sicherheitskritische Avioniksysteme. Diese Innovation hat das Potenzial, die Art und Weise, wie Flugzeuge gesteuert, überwacht und gewartet werden, zu revolutionieren, bringt aber auch wichtige Überlegungen zur Aufrechterhaltung höchster Sicherheitsniveaus ans Licht.

» Erfahren Sie mehr über sicherheitskritische Systeme: www.windriver.com/solutions/learning/real-time-safety-critical-systems

Verständnis sicherheitskritischer Multicore-Avionik

Bei der sicherheitskritischen Multi-Core-Avionik handelt es sich um die Integration von Multi-Core-Prozessoren in Avioniksysteme, die für den sicheren Betrieb eines Flugzeugs von entscheidender Bedeutung sind. Avioniksysteme umfassen ein breites Spektrum an Funktionalitäten, darunter Flugsteuerung, Navigation, Kommunikation, Überwachung und Überwachung. Durch die Integration von Multi-Core-Prozessoren können diese Systeme Aufgaben gleichzeitig ausführen, was zu einer verbesserten Leistung, Reaktionsfähigkeit und Effizienz führt.

Hauptvorteile der sicherheitskritischen Multicore-Avionik

Sicherheitskritische Multicore-Avioniksysteme verkörpern die Verbindung fortschrittlicher Verarbeitungstechnologie mit dem kompromisslosen Anspruch an Flugsicherheit. Die Vorteile sind zahlreich, darunter:

• Redundanz und Fehlertoleranz: Mehrkernsysteme können unter Berücksichtigung der Redundanz entworfen werden. Im Falle eines Kernausfalls kann das System automatisch auf einen Backup-Kern umschalten und so die Integrität und Funktionalität des Systems aufrechterhalten.

• Leistung und Effizienz: Multi-Core-Prozessoren können mehrere Aufgaben gleichzeitig erledigen und verbessern so die Gesamteffizienz von Avioniksystemen. Dies ist besonders wertvoll für Systeme, die Echtzeitreaktionen erfordern, wie etwa Flugsteuerung und Kollisionsvermeidung.

• Komplexitätshandhabung: Da Flugzeugsysteme immer ausgefeilter werden, steigen die Verarbeitungsanforderungen. Multi-Core-Prozessoren können die Komplexität moderner Avionikanwendungen bewältigen und sorgen für eine genaue und zeitnahe Datenverarbeitung.

• Zukunftssicher: Die Luftfahrtindustrie entwickelt sich ständig weiter. Multi-Core-Prozessoren bieten die erforderliche Skalierbarkeit, um zukünftige Upgrades und Fortschritte in der Avioniktechnologie zu ermöglichen.

Herausforderungen und Überlegungen

Während die Vorteile auf der Hand liegen, stellt die Integration von Multicore-Prozessoren in sicherheitskritische Avioniksysteme erhebliche Herausforderungen dar:

• Zertifizierung und Sicherheitsgarantie: Avioniksysteme unterliegen strengen Zertifizierungsstandards, um sicherzustellen, dass sie strenge Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllen. Die Einführung von Multicore-Prozessoren erfordert gründliche Tests und Verifizierungen, um sicherzustellen, dass sie die Gesamtsicherheit des Systems nicht beeinträchtigen.

• Deterministisches Verhalten: Sicherheitskritische Avioniksysteme erfordern deterministisches Verhalten, das heißt, sie müssen vorhersehbar und konsistent auf verschiedene Eingaben und Szenarien reagieren. Multi-Core-Prozessoren führen zu Komplexitäten, die sich möglicherweise auf die Vorhersagbarkeit des Systemverhaltens auswirken können.

• Interferenz und Timing: Kommunikation zwischen Kernen und Konkurrenz um gemeinsam genutzte Ressourcen können zu Timing-Unsicherheiten führen. Für die Aufrechterhaltung eines sicheren Betriebs ist es von entscheidender Bedeutung, sicherzustellen, dass kritische Aufgaben innerhalb präziser Zeitvorgaben ausgeführt werden.

• Softwarekomplexität: Die Entwicklung von Software, die mehrere Kerne effizient nutzt und gleichzeitig sicherheitskritische Standards einhält, ist eine große Herausforderung. Das Potenzial für Softwarefehler und Interaktionen zwischen Kernen erfordert sorgfältige Tests und Validierungen.

Gewährleistung der Sicherheit in der Multicore-Avionik

Um diesen Herausforderungen zu begegnen und ein Höchstmaß an Sicherheit zu gewährleisten, befolgen Luftfahrtbehörden, Hersteller und Entwickler strenge Richtlinien und Entwicklungspraktiken:

• DO-178C: Dieses Zertifizierungsdokument beschreibt die Softwareüberlegungen für luftgestützte Systeme. Als Ergebnis einer amerikanisch-europäischen Zusammenarbeit leitet es die Entwicklung und Zertifizierung von Avionik-Software, einschließlich der Software, die auf Mehrkernprozessoren läuft.

• Überprüfung durch Zertifizierungsbehörden: Regulierungsbehörden wie die US-Luftfahrtbehörde Federal Aviation Administration (FAA) und die Flugsicherheitsbehörde der Europäischen Union (EASA) spielen eine zentrale Rolle bei der Zertifizierung von Avioniksystemen. Sicherheitskritische Multicore-Systeme müssen sich gründlichen Prüfungen und Tests unterziehen, um eine Zertifizierung zu erhalten.

• Deterministische Partitionierung: Avioniksysteme werden partitioniert, um kritische Aufgaben von unkritischen zu isolieren. Dadurch wird das Störpotenzial minimiert und ein deterministisches Verhalten sichergestellt.

• Sicherheitsanalyse: Um potenzielle Fehlerbereiche zu identifizieren und einen robusten Betrieb sicherzustellen, werden strenge Sicherheitsanalysen durchgeführt, einschließlich der Analyse von Fehlermöglichkeiten und -einflüssen (FMEA) und der Fehlerbaumanalyse (FTA).

Wie kann Wind River helfen?

VxWorks 653 Multi-Core Edition

VxWorks® 653 ist ein sicheres und zuverlässiges Echtzeitbetriebssystem (RTOS), das eine offene Virtualisierungsplattform mit robuster Zeit- und Raumpartitionierung auf den neuesten Arm®-, Intel®- und PowerPC-Multicore-Prozessorplattformen bietet. Mit einer Technologie, die sich bei mehr als 360 Kunden in über 600 Sicherheitsprogrammen in mehr als 100 zivilen und militärischen Flugzeugen bewährt hat, treibt VxWorks 653 den Übergang zu softwaredefinierten Systemen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich voran und bringt innovative Technologie mit, die echte Geschäftsprobleme löst. Es bietet:

• Vertrauen: VxWorks 653 ist ein weltweit führender Anbieter von Echtzeit-Betriebsumgebungen und verfügt über eine nachgewiesene Erfolgsbilanz, die den Boeing 787 Dreamliner, den Airbus A400M und das Avionik-Upgrade des Northrop Grumman UH-60V Black Hawk umfasst.

• Robuste Partitionierung: Das RTOS bietet Unterstützung für eine partitionierte offene Architektur und eine robuste Partitionierung, die es Lieferanten ermöglicht, eine Anwendung zu ändern, die Teil eines vorhandenen zertifizierten Systems ist, und nur den Umfang der geänderten Komponenten erneut zu testen. Dadurch werden die Rezertifizierungskosten und die Gesamtbetriebskosten (TCO) drastisch reduziert.

• Mehrstufige Sicherheit: Der Multi-Core-Scheduler mit Hardware-Virtualisierungsunterstützung sorgt für hohe Sicherheit.

• Kommerzieller Standard-Zertifizierungsnachweis (COTS): COTS-Zertifizierungsartefakte können die für die Zertifizierung erforderliche Zeit verkürzen und so das Zeitplanrisiko verringern.

• Unabhängiges Erstellen, Verknüpfen und Laden: VxWorks 653 basiert auf einer rollenbasierten Lieferkette mit mehreren Lieferanten gemäß RTCA DO-297. Es ermöglicht Anwendungslieferanten, Softwareanwendungen unabhängig asynchron zu entwickeln, zu testen und bereitzustellen.

• Wartung und Support: Kunden erhalten vollen Zugriff auf die weltweite Support-Organisation von Wind River® und ein spezialisiertes Team von Professional Services-Ingenieuren mit umfassender Erfahrung in der Bereitstellung von Design-, Integrations- und Optimierungsdiensten.

• Unmodifiziertes Gastbetriebssystem: VxWorks 653 unterstützt die Integration sowohl älterer als auch neuer Anwendungen in gemeinsam genutzte Multi-Core-Arm-, Intel- und Power-PC-Architekturplattformen; VxWorks- und Wind River Linux-Gastbetriebssysteme werden standardmäßig unterstützt.

VxWorks Cert Edition

VxWorks Cert Edition ist eine Plattform für sicherheitskritische Anwendungen, die DO-178C-, IEC 61508-, IEC 62304- oder ISO 26262-Zertifizierungsnachweise für die Avionik-, Transport-, Industrieautomatisierungs- und Automobilindustrie erfordern.

Seit vier Jahrzehnten wird darauf vertraut, dass unsere Software ein Höchstmaß an Sicherheit und Zuverlässigkeit in den kritischsten Systemen der Welt ermöglicht. VxWorks Cert Edition bietet ein zertifizierbares RTOS für regulierte Branchen, die sichere und zuverlässige Lösungen entwickeln und zertifizieren.

VxWorks Cert Edition:

• Ist eng an bestimmte Hardware gekoppelt

• Ist in niedrigeren Sprachen wie C/C++ geschrieben

• Interagiert direkt mit Hardware (z. B. Peripheriegeräten)

• Erfordert spezielle Entwicklungs- und Verwaltungstools

• Neigt dazu, einen langen Lebenszyklus und eine zustandsbehaftete Ausführung zu haben

• Ist mit einer zunehmenden Vielfalt der in diesem Bereich eingesetzten Endhardware und -software konfrontiert

Der Avionikmarkt blickt auf eine Erfolgsgeschichte zurück, in der handelsübliche Mikroprozessoren für eine Vielzahl flugkritischer Anwendungen eingesetzt werden, die sich direkt auf die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Flugzeugen auswirken können. Um sicherzustellen, dass Flugsysteme gemäß den strengen Qualitätsprinzipien entwickelt werden, die erforderlich sind, hat die globale Luft- und Raumfahrtgemeinschaft die Flugavionikstandards RTCA DO-178C/EUROCAE ED-12C entwickelt, um Leitlinien für die Erstellung, Zertifizierung und den Einsatz dieser Geräte bereitzustellen. Diese Spezifikationen werden mittlerweile von einer Vielzahl von Kontrollorganisationen für die kommerzielle Luftfahrt einheitlich durchgesetzt, darunter der US-amerikanischen Federal Aviation Administration (FAA), der Europäischen Agentur für Flugsicherheit (EASA), Transport Canada und anderen.

Die Luftfahrtgemeinschaft hat die Beiträge aller Luft- und Raumfahrthersteller auf der Welt überprüft, um diese Spezifikationen zu erstellen, die 71 Ziele definieren, die den empfohlenen Software-Lebenszyklus und Testrichtlinien für die Luftfahrtindustrie beschreiben. Der Wind River DO-178C- und ED-12C COTS-Zertifizierungsnachweis umfasst ein komplettes Zertifizierungspaket, das diese strengen Ziele erfüllt und durch die Nutzung zusätzlicher, vorgefertigter Technologien von Wind River-Partnern eine schnellere Markteinführung und Wettbewerbsvorteile ermöglicht.

» Lesen Sie die Produktübersicht der VxWorks Cert Edition: www.windriver.com/resource/vxworks-cert-edition-product-overview