低功耗 FPGA 支持高性能空間系統(tǒng)

Microchip 推出了新的 RT PolarFire FPGA，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可滿(mǎn)足對(duì)航天器高速數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的最苛刻要求，同時(shí)盡可能降低功耗和發(fā)熱。

在使用受限的下行鏈路帶寬之前，太空活動(dòng)越來(lái)越需要高性能計(jì)算來(lái)處理數(shù)據(jù)。Microchip 表示，與專(zhuān)用集成電路 (ASIC) 相比，RT PolarFire FPGA 以顯著降低的成本和更快的設(shè)計(jì)周期提供了重要的空間性能特性。與使用靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (SRAM) 的替代方案相比，它還顯著降低了功耗，進(jìn)一步消除了輻射引起的配置噪聲。

RT PolarFire FPGA 支持多個(gè)操作空間軌道。該解決方案可為所有需要高達(dá)五倍計(jì)算吞吐量的應(yīng)用程序提供高出 50% 的性能。它還提供比其前身更多的 SRAM，并且可以承受大多數(shù)軌道衛(wèi)星和許多深空任務(wù)典型的 100 千拉德 (kRads) 的總電離劑量 (TID)。

空間電子開(kāi)發(fā)人員使用耐輻射可編程門(mén)陣列來(lái)創(chuàng)建滿(mǎn)足空間苛刻性能要求的板載計(jì)算系統(tǒng)。航天器的工作條件取決于它的前進(jìn)方向，因此工程師會(huì)仔細(xì)測(cè)試和選擇每輛車(chē)的電子和機(jī)械部件。地球磁場(chǎng)將成群的粒子捕獲在稱(chēng)為輻照帶的兩個(gè)波段中。其他行星也有輻照帶；例如，木星的強(qiáng)度是地球的 10,000 倍。一般來(lái)說(shuō)，離太陽(yáng)越近，太陽(yáng)粒子的影響就越大，這種影響被稱(chēng)為太陽(yáng)風(fēng)。此外，銀河宇宙射線，即從遙遠(yuǎn)的爆炸恒星噴射到太空中的粒子，可以在任何地方遇到。

Microchip FPGA 業(yè)務(wù)部副總裁 Bruce Weyer 表示：“我們正在支持一系列不斷發(fā)展的在軌空間應(yīng)用，這些應(yīng)用需要高水平的運(yùn)行性能和密度、低功耗和最小的散熱，同時(shí)降低系統(tǒng)級(jí)成本。” “我們的 RT PolarFire FPGA實(shí)現(xiàn)了這些應(yīng)用所需的計(jì)算吞吐量的重大飛躍，包括用于對(duì)象檢測(cè)和識(shí)別的處理密集型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高分辨率無(wú)源和有源成像以及高精度遠(yuǎn)程科學(xué)測(cè)量，同時(shí)保持 QML 之路資格。”

RT PolarFire FPGA 是 Microchip 的 RTG4 FPGA 的演進(jìn)，它已在太空中廣泛實(shí)施，特別是具有兩個(gè)特性：它提供單事件噪聲保護(hù) (SEU)，并且它對(duì)單事件連接 (SEL) 具有固有的免疫能力。

輻射是微小的亞原子波或粒子形式的能量。對(duì)于航天器系統(tǒng)，主要關(guān)注的是粒子輻射。這種包括質(zhì)子和電子的輻射可以通過(guò)兩種方式影響它們的電子。當(dāng)太陽(yáng)粒子或宇宙射線穿透電路時(shí)，單個(gè) SEL 事件的影響代表了能量的快速爆炸。單個(gè)事件的影響會(huì)產(chǎn)生各種干擾，包括影響正在處理或存儲(chǔ)的比特的物理性質(zhì)。一些影響會(huì)隨著時(shí)間的推移而惡化；帶電粒子可以在航天器表面積聚，并在幾小時(shí)內(nèi)積聚電荷。

PolarFire FPGA 的 SONOS 非易失性 (NV) 技術(shù)使配置開(kāi)關(guān)能夠在更節(jié)能的架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)，從而降低開(kāi)發(fā)成本并最大限度地減少非關(guān)鍵熱管理的散熱。熱管理是一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用，需要在空間層面進(jìn)行全面評(píng)估。必須在不降低性能的情況下滿(mǎn)足熱約束；因此，需要對(duì)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)和操作。

PolarFire FPGA RT 將通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)流程來(lái)滿(mǎn)足 QML 標(biāo)準(zhǔn)，包括針對(duì)高度關(guān)鍵應(yīng)用的 V 級(jí)認(rèn)證（圖 2）。Libero SoC 設(shè)計(jì)套件支持商用 PolarFire FPGA，現(xiàn)在可用于啟動(dòng) RT PolarFire FPGA 設(shè)計(jì)。Libero SoC 軟件包括對(duì) TMR（三重模塊冗余）的綜合支持，可用于 SEU 緩解（圖 3）。該套件連接包括高引腳數(shù) (HPC) FPGA 夾層卡 (FMC)、PCIe、雙千兆以太網(wǎng) RJ45、SFP+ 和 USB。

在針對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮輻射、溫度和振動(dòng)的影響。太空中發(fā)生的輻射強(qiáng)度水平可能會(huì)給電子元件帶來(lái)各種問(wèn)題，而對(duì)輻射耐受性解決方案的需求對(duì)于任務(wù)的成功非常重要。同時(shí)，考慮到空間所施加的能量限制，需要有低功耗和高效的解決方案來(lái)管理大量數(shù)據(jù)。