堅(jiān)固耐用的移動(dòng)數(shù)據(jù)終端（平板電腦、手持設(shè)備等）的設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，任務(wù)的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性與降低尺寸、重量、功耗和成本 （SWaP-C） 同樣重要。與此同時(shí)，嵌入式工程師繼續(xù)尋找擺脫高性能處理器產(chǎn)生的熱量的方法。

無論我們談?wù)摰氖桥_(tái)式機(jī)、筆記本電腦、平板電腦、可穿戴系統(tǒng)還是手持式智能手機(jī)，軍用加固型計(jì)算平臺(tái)都面臨著對(duì)更小尺寸、更輕、更低功耗和更低成本 （SWaP-C） 的持續(xù)要求。市場(chǎng)和采購壓力也在推動(dòng)更多利用商業(yè)技術(shù)的商業(yè)現(xiàn)貨（COTS）設(shè)計(jì)。

“在堅(jiān)固耐用的平板電腦世界中，SWaP-C仍然很重要，因?yàn)榭蛻粝Ｍㄟ^盡可能多的處理和內(nèi)存來管理重量和功率，”加利福尼亞州范奈斯IEE業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Steve Motter說，“他們還在尋找類似iPad或商用平板電腦的功能， 多點(diǎn)觸摸屏、擺動(dòng)邊框和低重量。對(duì)許多嵌入式外設(shè)和連接的需求與支持水坑中下水淹沒的要求的愿望相平衡。我們還看到，對(duì)電阻式觸摸或電阻式多點(diǎn)觸控的持續(xù)要求是，操作員能夠戴著手套使用平板電腦。平板電腦正在快速增長(zhǎng)，因?yàn)槿藗兿Ｍ麑⑺麄兺ǔＴ谂_(tái)式PC顯示器中使用的應(yīng)用程序移動(dòng)到移動(dòng)設(shè)備上。我們需要確保顯示屏足夠大（8到10英寸），以提供更多信息，如氣象圖、視頻和其他交互式應(yīng)用程序。

“一般來說，在主流計(jì)算領(lǐng)域，我們看到了對(duì)最新的至強(qiáng)桑迪橋和常春藤橋系列英特爾平臺(tái)的推動(dòng)，”愛荷華州海厄瓦薩水晶集團(tuán)工程副總裁Jim Shaw說。“在嵌入式和可穿戴領(lǐng)域，我們看到對(duì)輕巧但功能強(qiáng)大的系統(tǒng)的巨大需求。這些正在應(yīng)用于可穿戴計(jì)算機(jī)和無人機(jī)（UAV）應(yīng)用。我們?cè)谶@個(gè)市場(chǎng)上的最新產(chǎn)品是i7-3770S桌面四核加超線程CPU，16 GB DDR3，用于無人機(jī)的4磅計(jì)算機(jī)。

亞利桑那州坦培的黑鉆先進(jìn)技術(shù)工程師將電源管理功能整合到其可穿戴的模塊化戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)（MTS）中，該系統(tǒng)適用于可以處理寬電壓范圍的作戰(zhàn)人員，并且“我們?cè)谙到y(tǒng)的計(jì)算元素中利用了這一點(diǎn)，”黑鉆先進(jìn)技術(shù)的Norman Lange說。“該系統(tǒng)在一塊電池上運(yùn)行三個(gè)盒子。我們開發(fā)了電源管理系統(tǒng)，以擺脫多余的電池，并使用單個(gè)電池將電源拉入，調(diào)節(jié)和分配到多個(gè)系統(tǒng)。就像商用智能手機(jī)一樣，當(dāng)某些功能未使用或設(shè)備關(guān)閉時(shí)，它可以降低功耗。

“手持設(shè)備很多時(shí)候往往是特定于應(yīng)用的產(chǎn)品，因此更容易將處理器和內(nèi)存擴(kuò)展到應(yīng)用程序，并具有儲(chǔ)備或增長(zhǎng)的余地，”Motter說。“他們不需要最快的處理器和最多的內(nèi)存來完成今天的工作，但希望能夠支持未來的應(yīng)用程序和定制。關(guān)于手持設(shè)備和加固的一件事是，［它們］只需要處理人類可以處理的東西，因?yàn)樗幼≡谧鲬?zhàn)人員手的末端區(qū)域。它不需要滿足遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類無法生存的溫度范圍。電池和單元的尺寸由顯示器的尺寸決定;對(duì)于小型顯示器（3.5英寸），包裝具有挑戰(zhàn)性;在7英寸的尺寸下，有更多的空間容納額外的電池和外圍功能。

作戰(zhàn)人員還希望獲得能夠根據(jù)不同任務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展和調(diào)整的計(jì)算工具。每個(gè)任務(wù)還可能要求不同的SWaP要求以及不同的加固需求。因此，堅(jiān)固耐用的可穿戴計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)人員正在設(shè)計(jì)足夠靈活的模塊化系統(tǒng)，以滿足各種任務(wù)和人為因素要求。

“增長(zhǎng)最快的外形并不是真正的外形尺寸。它提供了工作所需的最佳尺寸、重量和功率，“佛羅里達(dá)州西棕櫚灘通用動(dòng)力 C4 Systems 全球產(chǎn)品銷售首席技術(shù)官 Mike Stelmat 說，”計(jì)算機(jī)越小、越輕、能效越高越好。我看到的變化是需要混合搭配各種選項(xiàng)，以最具競(jìng)爭(zhēng)力的成本提供耐用性和功能的正確平衡。這樣，客戶只需為完成工作所需的內(nèi)容付費(fèi)。在執(zhí)行任務(wù)期間需要發(fā)短信、聊天和保持態(tài)勢(shì)感知的下馬士兵需要一臺(tái)輕巧、堅(jiān)固耐用的計(jì)算機(jī)，其性能與智能手機(jī)非常相似，例如GD300。Stelmat補(bǔ)充說，GD還為移動(dòng)指揮所的情報(bào)分析師提供堅(jiān)固耐用的計(jì)算機(jī)，他們需要全級(jí)別的處理能力，內(nèi)存和信息安全。他說，今年早些時(shí)候，駐阿富汗的陸軍第75游騎兵團(tuán)使用了GD300，反饋是積極的。

MTS是一種完全模塊化的可穿戴計(jì)算方法，Lange說。“它是一個(gè)模塊化的可穿戴電子平臺(tái)，針對(duì)拆卸的精確瞄準(zhǔn)，命令和控制，C4ISR，爆炸物處理（EOD）和其他需要計(jì)算功能的拆卸任務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化。黑鉆石并不真正制造計(jì)算機(jī);我們制造武器系統(tǒng)，我們的設(shè)計(jì)人員由先前的導(dǎo)彈系統(tǒng)工程師組成。我們?cè)谌藶橐蛩厣匣ǖ腻X比我們系統(tǒng)的任何其他設(shè)計(jì)屬性都多。經(jīng)驗(yàn)性的最終用戶反饋直接提供給設(shè)計(jì)師。與設(shè)計(jì)人員編寫規(guī)范然后與最終用戶聯(lián)系的傳統(tǒng)系統(tǒng)不同，我們通過將設(shè)計(jì)人員嵌入特種部隊(duì)操作員來縮短該過程。他們與操作員一起生活以獲得原始反饋，快速了解系統(tǒng)如何在所有條件下工作 - 雨夾雪和泥濘 - 以及其他設(shè)備。

MTS具有超強(qiáng)的可擴(kuò)展性，用戶可以根據(jù)任務(wù)需求調(diào)整系統(tǒng)，朗格繼續(xù)說道。“如果操作員確實(shí)需要呼叫空襲，他可以將其縮小到僅具有導(dǎo)航以及命令和控制功能。該系統(tǒng)具有不同的元素，例如堅(jiān)固耐用的顯示器，GPS模塊和戰(zhàn)術(shù)擴(kuò)展集線器。戰(zhàn)術(shù)任務(wù)控制器 - 穿在上后背心面板上或與突擊/攜帶包集成 - 包含戰(zhàn)術(shù)計(jì)算核心，系統(tǒng)電源管理器和外圍控制器，并且可以與頭盔安裝的顯示器集成。空軍，陸軍，海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的各種國防部（DoD）特種作戰(zhàn)司令部（SOCOM）人員都使用MTS。大多數(shù)是聯(lián)合終端攻擊控制器（JTAC），爆炸物處理人員或控制無人機(jī)和無人駕駛地面車輛（UGV）的操作員。MTS是空軍特種作戰(zhàn)司令部戰(zhàn)場(chǎng)飛行員計(jì)劃的記錄。

擺脫熱量

對(duì)于軍事系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，散熱來自當(dāng)今現(xiàn)代處理器的熱量仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。這項(xiàng)任務(wù)變得更加困難，因?yàn)檐姺较Ｍa(chǎn)品包裝越來越小，從而產(chǎn)生更少的空間來轉(zhuǎn)移卡片或電路板上的熱量。

“從最新的嵌入式處理器中獲取熱量一直是工程師面臨的挑戰(zhàn)，”威斯康星州麥迪遜市極限工程解決方案（X-ES）總裁兼首席執(zhí)行官Rob Scidmore說。“對(duì)于英特爾處理器來說尤其如此，事實(shí)證明，對(duì)于最新的英特爾酷睿i7處理器來說，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。對(duì)于最新的英特爾酷睿i7處理器，我們［集成］了一種新的散熱技術(shù)，可以改善從處理器到熱框架和機(jī)箱側(cè)壁的熱量傳遞;這使我們能夠在0.8英寸間距插槽內(nèi)繼續(xù)支持高達(dá)甚至超過+85°C電源軌的傳導(dǎo)冷卻應(yīng)用，同時(shí)仍然支持單板計(jì)算機(jī)上的XMC/PMC模塊。

來自俄勒岡州尤金的Versalogic的信用卡大小的獵鷹堅(jiān)固耐用型計(jì)算機(jī)使用低功耗的Atom E6x0T處理器，但仍然內(nèi)置了散熱管理功能，Versalogic營銷總監(jiān)Gary Schultz說。“在熱建模之后，會(huì)進(jìn)行大量的測(cè)試，以確保熱量以足夠快的速度流向需要的地方，以保持電路板的功能。非常專業(yè)的熱量接口材料（TIM），機(jī)加工的散熱片或加熱板（以保持平整度，與處理器和支持芯片的頂部完全匹配）和墊片確保它位于正確的高度（不會(huì)壓碎CPU芯片）;所有這些都結(jié)合在一起，使它看起來是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的散熱解決方案。

“我們一直在通過用于GPGPU和高功率CPU的水冷系統(tǒng)來突破極限，”水晶集團(tuán)的Shaw說。“水晶有一個(gè)水塊組件，可以冷卻五個(gè)C2075英偉達(dá)GPGPU。每個(gè) GPGPU 的功耗約為 200 W;但是，我們已將密度從每個(gè) GPGPU 占用兩個(gè)插槽增加到只需要一個(gè)插槽。

液體冷卻在軍事系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員中越來越受歡迎。“多年來，該行業(yè)一直處于箱式冷卻的邊緣，”派克宇航大客戶經(jīng)理Michael Humphrey說。“許多人不愿意采用液體方法，并試圖在轉(zhuǎn)向液體冷卻結(jié)構(gòu)之前盡可能多地使用空氣。公司通常會(huì)在切換之前盡可能地推動(dòng)空氣的使用。在沖擊和振動(dòng)以及沙塵盛行的惡劣環(huán)境中運(yùn)行無疑增加了風(fēng)扇是關(guān)鍵組件的挑戰(zhàn)。

“一旦客戶用空氣耗盡了所有的可能性，他們中的許多人就會(huì)進(jìn)入新的領(lǐng)域，”派克宇航業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Dan Kinney說。“液體冷卻可以增強(qiáng)兩個(gè)重要特征：熱密度每平方厘米瓦特和總密度。液體冷卻確實(shí)可以幫助客戶處理更高的熱密度（即W / cm2）以及總熱負(fù)荷（例如，從600 W到現(xiàn)在超過1 kW的盒子）。

兩相冷卻

漢弗萊說，派克宇航公司開發(fā)了一種稱為兩相冷卻的熱方法，該方法“利用液體向蒸汽的轉(zhuǎn)變 - 汽化的潛熱”。“這種轉(zhuǎn)變所消耗的能量 - 熱量 - 被蒸汽帶到熱交換器，在那里熱量被散發(fā)，蒸汽返回到液體中。派克的SprayCool底盤和兩相冷卻技術(shù)正被內(nèi)華達(dá)山脈用于陸軍的直升機(jī)自主著陸系統(tǒng)（HALS）。

“兩相是將熱量從電子設(shè)備中拉出的有效方法，”Kinney說。“用非常簡(jiǎn)單的術(shù)語來說：當(dāng)液體變成像爐子上的沸水一樣的蒸氣時(shí)，它可以產(chǎn)生良好的一致溫度。由于幾個(gè)原因，這種方法非常適合雷達(dá)應(yīng)用。當(dāng)涉及到熱管理系統(tǒng)本身時(shí)，兩相系統(tǒng)的除熱能力轉(zhuǎn)化為更低的流速和更小的儲(chǔ)層體積，因此與傳統(tǒng)的單相系統(tǒng)相比，產(chǎn)生重量更輕的解決方案。其次，電子封裝受益于更低和更均勻的溫度，從而提高了可靠性 - 更高的平均無故障時(shí)間（MTBF） - 并允許用戶最大限度地提高性能。我們已經(jīng)到達(dá)了系統(tǒng)中的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在設(shè)計(jì)冷卻架構(gòu)時(shí)，素?cái)?shù)開始超越嵌入式盒子。需要冷卻的是整個(gè)系統(tǒng)，而不僅僅是計(jì)算引擎。它不再是關(guān)于密封系統(tǒng)中的內(nèi)容;天線和傳感器套件也需要冷卻。機(jī)身設(shè)計(jì)師了解這一點(diǎn)，并將整個(gè)飛機(jī)的適當(dāng)熱管理系統(tǒng)視為減輕重量的一種方式，從而降低燃料成本。

審核編輯：郭婷