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軍用電腦設計 強固+穩定成第一標準
 

【作者: 王明德】   2014年08月04日 星期一

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在量測儀器之外,工業電腦廠商跨足航太國防市場的第二道途徑,則是生產安裝於武器或裝備中的電腦,這些可統稱為軍用電腦(或者叫做軍規電腦)。


軍規電腦顧名思義是從軍事用電腦的規格發展而來,軍用電腦面對的環境比工業電腦更為嚴苛,例如:酷熱的沙漠、砲彈橫飛的戰場、振動力強大的坦克車內等等,包括防水、防沙、防熱、防寒、防摔、防壓等都是軍用電腦的基本規格,換句話說,一台電腦若要稱得上「軍用等級」,就必須符合這些嚴苛標準。


圖一
圖一

目前,各國政府對於軍用設備皆各有一套專屬規範,但整體而言以美國MIL-STD-810系列規範為主,此規範於1983年制定,將戰場上可能遇到的環境作為測試標準,由於美國國防預算位居全球之冠,每年採購量占全球市場50%,在國防產業具備火車頭地位,因此,硬體製造商在切入國防市場時,也多遵循MIL-STD 810E /810F軍用設備規格。


工規與軍規的差異


台灣IPC廠商從工廠自動化設備起家,工業電腦雖然較一般商用或家用來得高規格,但相較軍規而言,又還是差了那麼一點點,軍用電腦在功能上與工業電腦差異不大,但在強固性上的要求卻比工業電腦更為嚴苛,導致工規與軍規設備在材質和機構設計上大不相同。


舉例來說,工業電腦多在工廠內部使用,寬溫標準落在0~60度間,但軍用電腦時常面臨戶外使用的情況,寬溫標準升高至-40到80度,但某些零件受到自身屬性限制,當溫度過低時就無法正常運做,此時就得在機構中加入預熱設計(如:加熱板、導熱管等),才可以維持設備在低溫下正常啟動的能力。


除了耐低溫的特殊要求外,軍規電腦可能有的特殊規格要求還包括防水性、抗鹽霧侵蝕能力、防爆、抗電磁波干擾等等,其中,抗電磁波干擾在技術上較為困難、卻也是最重要的一點,尤其是應用在軍機上的電腦時,更要特別加強此設計。


飛機是個擁有許多精密儀器的飛行設備,任何電磁波訊號都有可能影響飛行狀況,所以一般民航機在起飛前,會要求乘客關閉手機、筆記型電腦甚至是MP3等電子設備,就是要避免受到電子設備的訊號干擾,但在國防應用上,電腦中存放的可能是作戰計畫、地圖等重要軍事消息,無法容許「暫時關機」這種狀況發生,在設計時,就得把電腦中任何一個可能會發射電磁波的元件遮住,避免其在運作時發出訊號對飛機造成干擾。


由於軍用設備的規範遠較工業用或商用來得嚴苛,產品通過認證時間長,加上台灣並沒有專門負責軍規認證的實驗室,及國防產業與生俱來的機密性,導致成功切入市場的IPC業者屈指可數。


中科院切入航太電腦市場


中山科學研究院自1995年起執行經濟部技術處「科技專案計畫」,推動軍民通用科技發展,南京資訊就是在科專計畫支持下,跨入航太用控制電腦領域,當時南京資訊負責硬體製造的工作,至於軟體則交由德商貝克公司斥資新台幣1.5億元成立的貝克航電研發中心來開發。


由於航太衛星電腦比軍用電腦更高一等級(可說是最高等級的PC),與一般民眾的生活也就相隔更遠了,其特點並非是「電腦運算能力超強」,而是「適用於航太用途的電腦」,最好具備低耗電、高度穩定等特性。


舉例來說,在太空中隨衛星一起運作的電腦,特點就是不能太耗電另外,在國科會太空計畫中,曾有一年使用比286等級還要更低的80186來設計航太電腦,對消費性電腦而言,286早已被列為古董,但應用在太空中的電腦,講求的是「能夠正常穩定地運作」,並且要將成本降至最低,不要讓太空梭一天到晚出任務送電力上太空,惟有符合這些航太要求的電腦,才具有被稱為優質航太電腦的資格。


航空導航機的市場規模雖然不能與動輒上百億之電子通訊等產業相提並論,但就產業特性而言,航電產業具有高附加價值、高利潤及產品壽命週期長等優勢,一旦IPC廠商有機會切入市場,就能長期佔有一席之地,換句話說,航太電子設備為台灣電子資訊產業發展高附加價值產品契機,同時也是創造傳統產業朝精緻製造轉型的大好機會。


業界人士指出,就功能來看,軍用電腦與工業電腦差異不大,但站在規格角度,軍用電腦的使用環境遠比工廠更為嚴苛,導致其在材質及零件選用、線路設計上與工業電腦大相徑庭。


舉例來說,電腦接頭多採用塑膠材質,塑膠在高溫時容易脆化,不適合應用在國防工業上,所以軍用平板電腦的接頭必需選用鋁或鋁鎂合金的材質,在外殼材質的選擇上,則要選擇經過硬陽處理的鋁,增加硬度及保護層,避免發生鏽蝕的情況,至於外觀上,最好還要有提把設計,方便軍人隨身攜帶使用。


若從零組件選用與線路設計的角度來看,硬碟與主機板是其中的關鍵,在軍規電腦的強固性前提下,固態硬碟(Solid State Disk;SSD)在落摔抗振、功耗、體積等項目上,皆有優於硬碟的表現,但考量到軍規電腦用途為資料搜集,儲存設備的容量必需在一定標準之上,向來強調「量大」優勢的硬碟顯然較為合適,只要做好抗震設計,搭配使用吸震設計磁碟座,就能符合使用者的強固要求。


至於主機板端,無風扇設計是最基本要求,因應平板電腦行動使用的目的,在CPU選擇上不該追求等級或效能最高,以免引起過熱及耗電問題,低功耗CPU才是最佳選擇,。


整體而言,軍規與工規主要不同處在於溫度、防塵防水、及落摔抗振的能力。先就溫度來看,軍用電腦經常在戶外使用,環境的高低溫落差極大,可能是零下20度的冰天雪地、也或許是高溫50度的炙熱沙漠,因此,寬溫範圍最好在-40到60度間,此時就得考量到預熱設計,部份零件受到自身屬性限制,在低溫時無法正常運做,必需透過機構中的預熱裝置,例如:加熱板、導熱管等,讓機體溫度到某一定程度後,才將電源及訊號送過來。


接著則是防塵防水的能力,通常以IP保護等級代表能力高低,目前最高標準為IP68,代表灰塵無法進入設備中,而且就算將機器放在水下1.5公尺的環境中,也能維持正常運作,此外,考量到水下工作的環境,觸控面板必需符合氣閉設,以防止水壓導致螢幕變形。


最後在落摔抗振的能力上,乃以MIL-STD 810F為標準,設備可承受範圍在Shock 40G與Vibration 6G間,如果存取的資料量不大,可將硬碟改成Flash記憶卡,讓設備可承受振動力量的標準提升到40G(Vibration 40G),對於惡劣環境的適應力也就更大。


用軍規筆電創造利基市場


筆記型電腦是商務人士在外辦公的最佳幫手,但凡長時間在戶外奔走或頻繁至國外出差的白領階級,幾乎都透過NB處理公務,這種透過NB建立行動辦公室的應用模式,同樣可以套用至國防產業上,畢竟現代社會已經進入電子化作戰時代,無論是行進間的士兵、航行於天空中的飛機、行駛在陸面上的戰車、或航行在大海中的艦艇,都得透過軍規電腦與總部保持聯繫。


舉例來說,當軍人在外部作戰時,可能需要從NB獲得戰區地圖、攻堅計劃等資訊,或作為部署力、指揮調度,講解作戰計劃等用途。


對軍規筆電而言,防塵、防水、耐摔、抗振、寬溫等強固性指標屬於基本配備,而神基則是在強固性的基礎下,向上強化產品適應環境的能力,塑造出陽光下可視(Sunlight Readable)、抗鹽霧侵蝕、及抗電磁波干擾三大特點,成為在市場上勝出的關鍵。


先就抗鹽霧侵蝕性來看,特別適用海防單位,該區域的電子設備因為環境使然容易出現鏽蝕狀況,軍規筆電必需通過鹽霧測試,才能確保使用壽命,至於抗電磁波干擾的重要性,前述已做詳細說明,神基的產品符合MIL-STD 461E規範,完全阻絕電磁波發射,避免對其他設備造成干擾,至於陽下光可視,則提供1200 Nits高亮度的LCD面板。


軍規筆電時常在戶外使用,當螢幕在陽光強烈照射下,畫面是否還能清晰可見?答案得由各廠商的光學技術來決定,一般來說,LCD螢幕在室內使用時,亮度至少在600 Nits以上,神基應用折射原理將亮度提高至1200 Nits(cd/㎡),強化螢幕在陽光下可視程度。


不過,螢幕亮度越高,隨之而來的就是散熱、耗電等問題,因此,神基在NB蓋板上方嵌入光源感測器(Light Sensor),配合室外光線的強度調整螢幕亮度,進而節省耗電量。


延續戶外使用的情況來看,當黑夜來臨時,使用者將面臨另一個難題,軍人在夜間作戰時,多半會戴上夜視鏡,此時,只要一點點的光線就會看不清楚,甚至對眼睛造成傷害,但螢幕又不能完全沒有亮光,因此,神基設計Night Vision按鈕,讓螢幕及鍵盤發出肉眼看不見的亮度,必需戴上夜視鏡才能使用,換個角度來看,在一片黑暗夜空下,若NB螢幕如常發出亮光的話,豈不等同於大聲昭告天下自身所在位置,Night Vision的設計在某種程度來說,也降低了行蹤暴露的風險。


最後,另外也有廠商在硬碟內嵌入G值感測器(G-sensor),用來偵測G值大小,當出現變化時,會在0.3秒內讓硬碟讀針頭跳開,用來保護硬碟資料。


從航太導航用電腦、平板電腦再到筆記型電腦,三者形式雖然不同,但同樣具備「強固」特性,由此來看,如何強化產品適應惡劣環境的能力,是IPC廠商切入國防工業市場時最重要的功課。


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