Un système informatique embarqué est composé d’un ensemble d’éléments sensibles aux contraintes environnementales :
- Cartes électroniques ;
- Processeurs ;
- GPU et FPGA ;
- Mémoires ;
- SSD ;
- Cartes PCIe ou VPX ;
- Connecteurs ;
- Alimentation ;
- Dissipateurs thermiques ;
- Systèmes de fixation ;
- Câblage interne ;
- Interfaces externes.
→ Une vibration répétée peut par exemple solliciter les connecteurs, les cartes d’extension et leurs systèmes de maintien.
→ Un choc peut créer des efforts mécaniques importants sur les composants lourds.
→ Une augmentation de température peut réduire les marges thermiques des processeurs ou des GPU.
→ Une diminution de pression atmosphérique peut modifier les performances des systèmes de refroidissement utilisant la convection.
→ Le brouillard salin, le sable ou la poussière peuvent devenir déterminants sur des systèmes installés directement à proximité de l’environnement extérieur.
La qualification environnementale doit donc porter sur le comportement du système dans son ensemble.
Température : adapter le calculateur à son environnement réel
Les applications ECRIN couvrent des environnements très différents.
- Les serveurs rack industriels et les calculateurs directement embarqués dans les plateformes n’ont donc pas nécessairement les mêmes plages opérationnelles.
- L’OPALE V2 Compact, serveur rack 2U, est par exemple prévu pour un fonctionnement de 0 à +50°C, avec référence aux méthodes MIL-STD-810G 501.5 et 502.5.
- Le µOPALE V2, dans un format rack 1U, est prévu pour 0 à +45°C, également avec références MIL-STD-810G aux méthodes de température correspondantes.
Pour les applications plus directement exposées à l’environnement de mission, les domaines deviennent plus sévères.
- L’OPALE-Rugged supporte un fonctionnement de -20 à +50°C et un stockage de -40 à +71°C (MIL-STD-810G 501.5 et 502.5).
- Les calculateurs de mission ONYX, nanoONYX ou µTOPAZE supportent, quant à eux, des températures de fonctionnement pouvant commencer à -40°C.
Cette différence illustre exactement la philosophie MIL-STD-810 : la qualification est adaptée au scénario d’utilisation du produit, et non appliquée comme un niveau générique identique à toutes les plateformes.
Chocs : protéger l’intégrité du système et de ses composants
Les chocs mécaniques peuvent apparaître pendant :
- Le transport ;
- La manutention ;
- L’installation ;
- Les déplacements d’un véhicule ;
- Certaines phases de vol ;
- Des événements opérationnels spécifiques.
Pour un calculateur, le risque ne concerne pas uniquement le châssis. Les cartes d’extension, les GPU, les supports de stockage, les connecteurs et les différents assemblages mécaniques sont également sollicités.
Les qualifications montrent plusieurs niveaux adaptés aux familles de produits :
- L’OPALE V2 Compact est présenté avec un choc en fonctionnement de 15 G pendant 11 ms sur six axes, avec référence à MIL-STD-810G Method 516.6.
- L’OPALE-Rugged atteint 30 G pendant 11 ms sur six axes, toujours avec Method 516.6 dans sa qualification MIL-STD-810G.
- Le calculateur VPX µTOPAZE est quant à lui documenté avec un niveau de choc de 40 G pendant 11 ms.
Ces différences reflètent des niveaux d’intégration et des environnements de mission distincts.
Vibrations : une contrainte majeure des plateformes aéronautiques, terrestres et navales
Dans beaucoup de systèmes embarqués, la vibration constitue une contrainte permanente.
Elle peut provenir :
- De la motorisation ;
- Du véhicule ;
- Des équipements mécaniques environnants ;
- Des structures aéronautiques ;
- Des systèmes de propulsion ;
- Du transport.
Contrairement à un choc ponctuel, une vibration sollicite le matériel de manière répétitive.
Le comportement du système dépend alors notamment :
- De la rigidité du châssis ;
- Du maintien des cartes électroniques ;
- De la masse des composants ;
- De la fixation des cartes PCIe, GPU ou autres extensions ;
- Des connecteurs ;
- Du stockage ;
- Du comportement mécanique global.
L’OPALE-Rugged présente, en fonctionnement, un profil de vibration allant de 5 à 2 000 Hz à 4 Grms et une référence à MIL-STD-810G Method 514.6.
Le serveur haute performance myOPALE-RS, capable d’intégrer deux GPU double-slot, est documenté à 5 à 2 000 Hz / 2 Grms, également suivant Method 514.6.
Sur un système de cette puissance, le durcissement mécanique ne concerne donc pas simplement l’enveloppe : il doit également tenir compte du maintien des GPU, des cartes d’extension, des alimentations et du stockage.
Altitude et basse pression : un enjeu particulier pour l’aéronautique
La qualification d’un équipement aéronautique ne peut pas être dissociée de son environnement de pression. Lorsque l’altitude augmente, la diminution de densité de l’air peut notamment affecter les échanges thermiques. La problématique devient particulièrement importante lorsque des processeurs, GPU ou alimentations dissipent plusieurs dizaines ou centaines de watts.
Les systèmes ECRIN couvrent plusieurs classes d’utilisation. L’OPALE-Rugged est documenté jusqu’à 5 000 m / 16 000 ft en fonctionnement, avec MIL-STD-810G Method 500.5 parmi les méthodes explicitement annoncées.
Pour plusieurs calculateurs destinés à des applications aéronautiques, les références RTCA DO-160 complètent MIL-STD-810. La famille nanoONYX supporte, par exemple, une pression jusqu’à 116 mbar, correspondant à environ 50 000 ft, avec la référence DO-160 associée à cette caractéristique.
Le µTOPAZE présente également un domaine de pression allant jusqu’à 116 mbar / 50 000 ft.
Cette coexistence entre MIL-STD-810 et DO-160 est importante dans les applications aéronautiques : les référentiels sont complémentaires et doivent rester associés aux essais auxquels ils se rapportent réellement.
Humidité, pluie, poussière et environnement salin
Les environnements militaires ne sont évidemment pas limités aux contraintes mécaniques.
Pour un système naval, terrestre ou embarqué à proximité de l’extérieur, l’exposition à l’humidité, à l’eau, au sable ou à un environnement salin peut devenir un critère de conception majeur.
L’OPALE-Rugged liste dans sa qualification MIL-STD-810G les méthodes :
- 506.5 – Rain ;
- 507.5 – Humidity.
Le switch Ethernet durci Quartz présente un ensemble particulièrement étendu de méthodes MIL-STD-810G : 500.5, 501.5, 502.5, 506.5, 507.5, 508.6, 509.5, 510.5, 513.6, 514.6 et 516.6.
Parmi elles figurent notamment les méthodes relatives :
- A la basse pression ;
- Aux températures ;
- A la pluie ;
- A l’humidité ;
- Au brouillard salin ;
- Au sable et à la poussière ;
- Aux vibrations ;
- Aux chocs.
Quartz présente, par ailleurs, un indice de protection IP67 et utilise des connecteurs MIL-DTL-38999.
Pour une plateforme navale, aéronautique ou terrestre, cette logique est nécessaire : le niveau de robustesse du réseau doit rester cohérent avec celui des calculateurs qu’il interconnecte.
Comment ECRIN Systems applique cette logique à ses différentes familles de produits