美國(guó)國(guó)防部多批的1080億美元花在哪些技術(shù)和領(lǐng)域上了？

美國(guó)國(guó)防部（DoD）在2018年《美國(guó)國(guó)防戰(zhàn)略報(bào)告（NDS）》中明確表示：“在過(guò)去的十五年中，我們對(duì)推遲的戰(zhàn)前預(yù)備、采購(gòu)和現(xiàn)代化的要求也不斷增長(zhǎng)，不能再被忽視。我們將有針對(duì)性并按部就班地增加人員和平臺(tái)，以滿足關(guān)鍵的能力和容量需求。”考慮到這點(diǎn)，國(guó)會(huì)將2018財(cái)年的國(guó)防預(yù)算增加到7000億美元，比去年增加了1080億美元。

本文將介紹預(yù)算會(huì)花在哪些領(lǐng)域，以及設(shè)計(jì)人員可能會(huì)實(shí)現(xiàn)哪些技術(shù)創(chuàng)新來(lái)彌合當(dāng)前與未來(lái)的技術(shù)溝壑。

AI、大數(shù)據(jù)和機(jī)器人技術(shù)至關(guān)重要，但需相當(dāng)?shù)呢?cái)力

研發(fā)支出顯著增長(zhǎng)主要在于NDS中提出的優(yōu)先技術(shù)，以縮小高級(jí)計(jì)算、人工智能（AI）以及自主和機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)差距。NDS中提到的用于實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵防御能力現(xiàn)代化、現(xiàn)成商業(yè)（COTS）供應(yīng)商可以很好支持的優(yōu)先技術(shù)包括：

? 網(wǎng)絡(luò)防御以及網(wǎng)絡(luò)性能不斷融入全方位軍事行動(dòng)方面的新投資；

? 對(duì)C4ISR（指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)及監(jiān)視與偵察）的投資，以開(kāi)發(fā)可復(fù)原、可生存的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)和信息生態(tài)系統(tǒng)；

? 先進(jìn)的自主系統(tǒng)、AI和機(jī)器學(xué)習(xí)。

對(duì)軍用嵌入式COTS電子方案的開(kāi)發(fā)商而言，這筆額外支出可提供快速恢復(fù)能力、致命性和預(yù)備技術(shù)支持。國(guó)防和航空航天系統(tǒng)和平臺(tái)的設(shè)計(jì)人員希望不斷引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，為戰(zhàn)士提供戰(zhàn)場(chǎng)上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。這些技術(shù)包括傳感器、計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)電系統(tǒng)等。

然而，先進(jìn)技術(shù)本身還不夠。它還需要有足夠的經(jīng)費(fèi)、可靠和可持續(xù)。戰(zhàn)士的生命取決于技術(shù)，而歷史已經(jīng)證明，如果作戰(zhàn)人員不相信他們使用的技術(shù)，便會(huì)舍棄它們。

在高級(jí)計(jì)算方面增加支出將改善利用大數(shù)據(jù)分析的能力，使作戰(zhàn)人員能夠立即讀取對(duì)他們至關(guān)重要的任何信息。讀取信息需要使用云計(jì)算技術(shù)，使任何設(shè)備（無(wú)論作戰(zhàn)人員在何處）在任何需要的時(shí)間都能讀取數(shù)據(jù)。除此之外，將用于AI的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）功能帶入網(wǎng)絡(luò)邊緣，需要高得多的本地處理能力，以提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并解決云本身的延遲和帶寬限制。

對(duì)AI和ML的投資將增強(qiáng)破壞敵方諸如情報(bào)、監(jiān)視、偵察（ISR）和電子戰(zhàn)（EW）等戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用的能力。支持這些新功能將需要在異構(gòu)高性能嵌入式計(jì)算（HPEC）技術(shù)方面取得進(jìn)展。

在半自主和全自主無(wú)人平臺(tái)上使用的嵌入式系統(tǒng)，無(wú)論是地面、空中還是海上，都需要開(kāi)發(fā)低功耗、超小外形（USFF）處理、網(wǎng)絡(luò)、全運(yùn)動(dòng)視頻和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。例如，據(jù)估計(jì)，一輛完全自主的汽車需要50至100倍于當(dāng)今先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)的計(jì)算能力。

DNS中描述的總體投資策略是將這些先進(jìn)技術(shù)引入戰(zhàn)場(chǎng)，為作戰(zhàn)人員提供壓制敵方的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)，使戰(zhàn)斗力倍增。也就是說(shuō)，僅部署新技術(shù)是不夠的，還要保證這些技術(shù)以保全作戰(zhàn)人員的方式進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)，在敵方試圖阻止或中斷其計(jì)劃的行動(dòng)時(shí)，作戰(zhàn)人員能夠生存。

確?，F(xiàn)場(chǎng)行動(dòng)的有效性：全球定位系統(tǒng)

新技術(shù)會(huì)提供戰(zhàn)士能夠依賴的新能力。因此，它們還必須具備所需的防御措施，以確保其網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算環(huán)境免受敵方的攻擊，從而保持行動(dòng)效率。

全球定位系統(tǒng)（GPS）是戰(zhàn)士依賴先進(jìn)技術(shù)的一個(gè)例子。 在二十世紀(jì)七十年代中期作為國(guó)防部針對(duì)前蘇聯(lián)的第二次抵消（Second Offset）戰(zhàn)略的一部分引入時(shí)，由于能夠提供準(zhǔn)確的位置、導(dǎo)航和定時(shí)（PNT）數(shù)據(jù)，GPS在戰(zhàn)場(chǎng)上優(yōu)勢(shì)明顯。 這項(xiàng)技術(shù)對(duì)“戰(zhàn)斧”導(dǎo)彈等精確制導(dǎo)武器的應(yīng)用至關(guān)重要。我們很清楚，多年來(lái)對(duì)GPS的依賴已成為一個(gè)軟肋。在GPS不能使用的環(huán)境中，所有依賴它的武器都會(huì)失效。

為應(yīng)對(duì)這一弱點(diǎn)和由此產(chǎn)生的威脅，必須提供有保證的PNT（A-PNT）方案，即使在無(wú)法使用GPS的環(huán)境中也能夠工作。經(jīng)濟(jì)合算、基于精準(zhǔn)COTS的A-PNT新技術(shù)為不能使用GPS的環(huán)境提供了低成本的實(shí)用方案。

AI和自主器具快速恢復(fù)能力

開(kāi)發(fā)基于AI的新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在戰(zhàn)場(chǎng)上具有顯著優(yōu)勢(shì)的人機(jī)協(xié)同方案。利用AI、自主和機(jī)器人技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立行動(dòng)的機(jī)器，這些機(jī)器可以是獨(dú)立的個(gè)體，也可以與行動(dòng)中的其它機(jī)器（例如無(wú)人機(jī)群）配合，或是在作戰(zhàn)人員-機(jī)器接口中使用（機(jī)器本身具有可增強(qiáng)作戰(zhàn)人員戰(zhàn)斗力的自主能力）。

自主地面作戰(zhàn)“騾子”便是一個(gè)例子，它能夠減輕作戰(zhàn)人員背負(fù)電池、充電器、彈藥等的負(fù)擔(dān)。通過(guò)減輕作戰(zhàn)人員背包的重量，這些小型自主載具將顯著提高作戰(zhàn)人員的戰(zhàn)斗力。

同樣，使用自主飛行器來(lái)運(yùn)送物資或定位簡(jiǎn)易爆炸裝置將減少作戰(zhàn)人員受傷的風(fēng)險(xiǎn)并提高殺傷力。另一方面，隨著這些新方案的普及，敵方將竭盡全力摧毀它們。例如，對(duì)付學(xué)習(xí)機(jī)的一種策略是用假信息來(lái)擾亂它，使它產(chǎn)生不正確的答案。

DNS的另一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是提高快速恢復(fù)的能力，這將確保部署的系統(tǒng)穩(wěn)固、可靠，能夠在嚴(yán)酷的環(huán)境中生存，并且能夠防止敵方攻擊其漏洞。

自主器具，如地雷探測(cè)器，可以使作戰(zhàn)人員免受傷害，但這種自主性需要值得信賴。為此，系統(tǒng)需要具有快速恢復(fù)或自我恢復(fù)能力，以確保其可靠且不易被禁用。

機(jī)器可以是手動(dòng)、半自主的或完全自主操控的。自主水平越高，機(jī)器就越需要自我恢復(fù)的能力。若一臺(tái)機(jī)器是完全手動(dòng)操作的，戰(zhàn)士可以提供復(fù)原能力。若是半自主系統(tǒng)，操作者和機(jī)器分擔(dān)恢復(fù)能力；若是完全自主的系統(tǒng)，恢復(fù)能力則完全取決于機(jī)器中內(nèi)置的專家系統(tǒng)。

自主系統(tǒng)需要快速恢復(fù)能力和安全性

為了能夠放心地依賴完全自主系統(tǒng)，需要對(duì)提供快速恢復(fù)能力和安全性的技術(shù)進(jìn)行投資。

快速恢復(fù)能力應(yīng)用的一個(gè)例子是有人或無(wú)人駕駛軍用飛機(jī)安全認(rèn)證航空系統(tǒng)。為了在國(guó)內(nèi)空域安全飛行，這些平臺(tái)越來(lái)越需要由全球各個(gè)航空管理部門（例如美國(guó)的FAA、加拿大的運(yùn)輸委員會(huì)和歐洲及英國(guó)的EASA）認(rèn)可的特定設(shè)計(jì)保證等級(jí)（DAL）的DO-254硬件和DO-178軟件認(rèn)證。

雖然安全認(rèn)證是在平臺(tái)級(jí)處理的，但用于構(gòu)建航空電子子系統(tǒng)的電子模塊有全面的數(shù)據(jù)支持。根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，安全認(rèn)證子系統(tǒng)模塊需要昂貴的定制設(shè)計(jì)，往往需要花費(fèi)數(shù)年的時(shí)間、投入數(shù)百萬(wàn)美元進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

近年來(lái)，價(jià)格實(shí)惠、通過(guò)DO-254認(rèn)證的新一代COTS板已經(jīng)上市，這極大地加快了集成安全認(rèn)證應(yīng)用的進(jìn)程，降低了成本。這些COTS模塊的首選處理器架構(gòu)一直是Power Architecture系列器件，因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/tags/英特爾/" target="_blank">英特爾處理器僅支持達(dá)到DAL C等級(jí)的DO-254。

隨著恩智浦將重心從新型Power Architecture處理器的開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)向基于Arm的處理器，安全認(rèn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向基于Arm的方案。Arm處理器支持達(dá)到最嚴(yán)苛及最重要的DAL A級(jí)別的D0-254，同時(shí)還具有極低的功耗。VPX3-1703 3U OpenVPX是基于Arm的單板計(jì)算機(jī)（SBC）的一個(gè)很好的例子（圖1），專為DO-254安全認(rèn)證航空電子設(shè)備應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

圖1：VPX3-1703是為DO-254安全認(rèn)證航空電子設(shè)備設(shè)計(jì)的基于ARM的3U OpenVPX單板計(jì)算機(jī)。

快速恢復(fù)能力和可信系統(tǒng)的概念不僅指安全（safety），還指數(shù)據(jù)和硬件防護(hù)（security）。COTS系統(tǒng)的防篡改技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全以及靜止數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)保護(hù)目前已取得極大的進(jìn)步。

例如，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（DTS1）網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)（NAS）設(shè)備支持經(jīng)濟(jì)合算的雙層加密（圖2）。DTS1也很容易集成到以網(wǎng)絡(luò)為中心的系統(tǒng)中。

圖2：現(xiàn)場(chǎng)安全性至關(guān)重要，因此DTS1 NAS支持經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的雙層加密。

為技術(shù)尖兵而設(shè)計(jì)

現(xiàn)在操控此類設(shè)備的作戰(zhàn)人員都是數(shù)字達(dá)人——他們可以說(shuō)是手握現(xiàn)代技術(shù)出生，因而對(duì)他們有相當(dāng)高的期望。

作戰(zhàn)人員期望獲得的技術(shù)等同或超過(guò)他們的家中已有的技術(shù)（如iPhone X）和社交網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以便在戰(zhàn)場(chǎng)上能夠?qū)崟r(shí)共享信息。今天的所有互聯(lián)網(wǎng)資源，無(wú)論是谷歌搜索還是Siri或Alexa提問(wèn)，只需數(shù)年即可為作戰(zhàn)人員所用。我們?cè)絹?lái)越多地向作戰(zhàn)人員提供可靠的網(wǎng)絡(luò)桌面計(jì)算、移動(dòng)平臺(tái)和社交媒體功能來(lái)實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”，網(wǎng)絡(luò)本身已成為行動(dòng)能力的關(guān)鍵組成部分。

這種技術(shù)也可用來(lái)解決戰(zhàn)前預(yù)備的問(wèn)題，近年來(lái)在這一領(lǐng)域的軍事經(jīng)費(fèi)投入略顯不足。高級(jí)計(jì)算可用于訓(xùn)練和任務(wù)規(guī)劃，并利用為游戲行業(yè)開(kāi)發(fā)的技術(shù)來(lái)提供復(fù)雜、逼真的場(chǎng)景和體驗(yàn)。

通過(guò)在實(shí)際部署的平臺(tái)中進(jìn)行訓(xùn)練程序，作戰(zhàn)人員可以在操作時(shí)進(jìn)行訓(xùn)練，而不需要專門的培訓(xùn)場(chǎng)地?？梢蕴摂M完成真實(shí)的模擬，例如，提供在途中針對(duì)某特定任務(wù)進(jìn)行訓(xùn)練的能力。

借助開(kāi)放系統(tǒng)控制成本

前面討論的許多技術(shù)將受益于使用開(kāi)放系統(tǒng)，從而降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)并大大縮短部署時(shí)間。開(kāi)放系統(tǒng)的使用也大大降低了成本。競(jìng)爭(zhēng)使價(jià)格降低，還提供了昂貴專有方案的替代方法。

從技術(shù)插入可以看到開(kāi)放系統(tǒng)帶來(lái)的另一個(gè)好處。在以不同速度進(jìn)展的不同實(shí)體之間，開(kāi)放系統(tǒng)定義了一個(gè)接口，使新技術(shù)可以快速插入。開(kāi)放系統(tǒng)接口，如OpenVPX系統(tǒng)架構(gòu)，作為一種差異化功能，支持使用發(fā)展不同步的技術(shù)。

例如，在主戰(zhàn)坦克中用來(lái)處理彈道解算的火控計(jì)算機(jī)算法變化的速度非常緩慢，每年的變化很小。相比之下，運(yùn)行這些算法的底層處理技術(shù)的進(jìn)步則要快得多。另一方面，以EW為例，幫助識(shí)別電磁頻譜噪聲中特定信號(hào)的復(fù)雜算法的開(kāi)發(fā)速度比所部署系統(tǒng)中運(yùn)行它們的處理器要快得多。

結(jié)果是最先進(jìn)的EW算法要等著處理器帶寬跟上，才能投入使用。有了開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)接口，所部署平臺(tái)上的處理技術(shù)和算法就可以以不同的速度進(jìn)步。

創(chuàng)新伴隨漏洞

每一個(gè)新機(jī)會(huì)和技術(shù)的飛躍，可能都會(huì)伴隨漏洞出現(xiàn)。一方面，應(yīng)對(duì)DoD尋求的新技術(shù)進(jìn)行投資，以實(shí)現(xiàn)新的功能并提升殺傷力；另一方面，技術(shù)提供商還必須投資修補(bǔ)缺陷。

使用基于COTS的開(kāi)放系統(tǒng)提供了一種合算的方法，可以將這些功能迅速提供給作戰(zhàn)人員，并且風(fēng)險(xiǎn)最小。為了使作戰(zhàn)人員能夠利用高級(jí)計(jì)算、AI、自主和機(jī)器人的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，必須對(duì)COTS方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和包裝，以滿足戰(zhàn)場(chǎng)的環(huán)境和使用要求。設(shè)備必須可靠并且可在極端環(huán)境條件下工作。技術(shù)也必須進(jìn)行設(shè)計(jì)和包裝，以確保操作安全。不需要繁瑣的安全注意事項(xiàng)，但必須確保操作安全。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要設(shè)計(jì)和包裝下一代COTS方案，以消除敵方侵入或攻擊漏洞，例如網(wǎng)絡(luò)安全和逆向工程防范，防止物理侵入引起運(yùn)行中斷。

這些新技術(shù)必須在開(kāi)發(fā)和運(yùn)行期間確保防御系統(tǒng)和關(guān)鍵信息的安全。

另一個(gè)非常重要的領(lǐng)域是測(cè)試，必須確保所部署的COTS方案可靠并在整個(gè)使用壽命期間實(shí)現(xiàn)無(wú)錯(cuò)操作。

總結(jié)

國(guó)防部和作戰(zhàn)人員需要依賴可靠且經(jīng)過(guò)證明的資源，國(guó)會(huì)已提供資金來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)所有這些新技術(shù)，就全靠設(shè)計(jì)師和創(chuàng)新者了。當(dāng)然，對(duì)于昂貴的封閉式專有系統(tǒng)架構(gòu)，COTS方法是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的替代方案，它加快了部署速度，并確保關(guān)鍵技術(shù)在整個(gè)使用周期內(nèi)可用。技術(shù)人員將如何在擁有更多技術(shù)尖兵的下一代戰(zhàn)場(chǎng)上打造并應(yīng)用這種方法，讓我們拭目以待。