關(guān)于FPGA用于火星探測(cè)車細(xì)節(jié)

即將發(fā)射的美國火星漫游車“毅力號(hào)”（Perseverance）將配備多種觀測(cè)設(shè)備，用于搜索生命跡象等，FPGA也被廣泛應(yīng)用于整個(gè)車輛。

最近Xilinx公司系統(tǒng)架構(gòu)師Minal Sawant的透漏了更多關(guān)于FPGA用于火星探測(cè)車細(xì)節(jié)。

在此我們?yōu)榇蠹易鲆粋€(gè)簡(jiǎn)單介紹。

FPGA用于太空示例

雖然人們滿懷熱情地報(bào)道了航天器和漫游車的成功，但很少有人對(duì)其內(nèi)部使用的是什么部件感興趣。但從2000年開始，F(xiàn)PGA在太空中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，比如已被應(yīng)用于銥星Next通信衛(wèi)星和OSIRIS-REx小行星探測(cè)器。

使用xilin FPGA的衛(wèi)星和航天器示例

在JAXA衛(wèi)星中也有采用

而對(duì)于火星探測(cè)器，F(xiàn)PGA的首次使用是2003年的勇氣號(hào)(Spirit)和機(jī)遇號(hào)(Opportunity)火星漫游車，采用了Virtex-1系列FPGA用于的電機(jī)控制。其中，"機(jī)遇號(hào) "持續(xù)探索火星表面15年，大大超過了預(yù)期的3個(gè)月的壽命，證明了其可靠性。

美國火星探測(cè)車：越做越大，功能越來越多

起始于從勇氣號(hào)/機(jī)遇號(hào)，火星漫游車開始使用FPGA

2011年的"好奇號(hào) "則采用了Virtex-2系列。隨著重量一下子增加到900公斤左右，儀器數(shù)量的增加，F(xiàn)PGA的使用范圍也隨之?dāng)U大，在MAHLI和ChemCam等儀器和總線設(shè)備中都有使用。

于2020年推出的毅力號(hào)（Perseverance）將在“ LVS”（Lander Vision System）中使用Virtex-5系列“ XQR5VFX130”。

毅力號(hào)將采用與好奇號(hào)相同的“天車”模式降落在火星上。首先，用降落傘減速，然后在大約1英里（1.6公里）的高度分開。從那里，下降模塊的火箭射流減速以懸停，懸掛繩索，并輕輕地將先前懸掛在地面上的流動(dòng)站掉落。這是“空中的起重機(jī)”。

相同的 "天吊 "方式登陸火星。用降落傘減速后，航天器將在1英里（1.6公里）的高度分離。從那里，漫游車將被下降艙的火箭火力減速、懸停，然后通過懸掛繩索緩緩下降到地面。是真正的 “空中的起重機(jī)”。

需要注意的是，火星表面也有危險(xiǎn)的山脈和山谷。探測(cè)器需要下降到預(yù)先選定的平坦地點(diǎn)，以便安全著陸，而在下降過程中觀察地表的LVS將被用來幫助導(dǎo)航。通過比較攝像頭的圖像和地圖數(shù)據(jù)，漫游車可以確定其當(dāng)前位置。

XQR5VFX130被用作圖像處理的硬件加速器，在勇氣號(hào)/機(jī)遇號(hào)中只使用20MHz的CPU（RAD6000），計(jì)算時(shí)間約為160秒，而毅力號(hào)使用200MHz的CPU（RAD750）和FPGA之間進(jìn)行分工處理，使其速度提高了18倍，降至僅8.8秒。

毅力號(hào)的LVS，在中心“視覺計(jì)算元件”中使用了FPGA

毅力號(hào)還將其FPGA用于其他觀測(cè)設(shè)備和總線儀器，如 "PIXL"、"Mastcam-Z "和 "SHERLOC"。

使用相同F(xiàn)PGA的毅力號(hào)設(shè)備

為什么使用FPGA

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）是一種可以由用戶自由重新配置（編程）的集成電路。另一方面，ASIC具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，但其電路不能改變。FPGA是CPU和ASIC的良好結(jié)合，其自由度高，功耗低。

對(duì)于量產(chǎn)產(chǎn)品來說，開發(fā)一個(gè)專門的ASIC是有利可圖的，但對(duì)于衛(wèi)星和空間探測(cè)器來說，基本上最多也就幾十臺(tái)，這點(diǎn)用量ASIC明顯不適合。而FPGA不需要大量的初始成本，而且可以馬上設(shè)計(jì)出來，對(duì)于航天來說，F(xiàn)PGA可能是非常適合的。

據(jù)Xilinx公司介紹，從2000年左右開始，Xilinx就開始提供空間級(jí)FPGA。在太空中，F(xiàn)PGA具有與地面一樣的優(yōu)勢(shì)，尤其是發(fā)射后可以重寫。Sawant指出："由于能夠靈活地適應(yīng)任務(wù)變化，它還將延長(zhǎng)衛(wèi)星本身的壽命。

xilinx 的太空FPGA。使用了特殊的陶瓷封裝

然而，太空中的空間輻射很強(qiáng)，會(huì)帶來半導(dǎo)體電路中被稱為 "單次事件效應(yīng)"（SEE）的問題。單個(gè)事件包括存儲(chǔ)器反轉(zhuǎn)超限（SEU）和過流閂鎖（SEL）。由于這些事件會(huì)導(dǎo)致故障和失效，因此在太空中使用它們需要很高的抗輻射能力。

該公司提供了兩款空間級(jí)FPGA，分別是90納米工藝的Virtex-4QV和65納米工藝的Virtex-5QV。"4QV "采用了與消費(fèi)類產(chǎn)品相同的硅片，而 "5QV "則在設(shè)計(jì)本身內(nèi)置了抗輻射功能（RHBD:Radiation Hardened by Design），"我們已經(jīng)能夠?qū)㈩嵏驳陌l(fā)生限制在一年兩次左右" ，Sawant表示。

作為下一代產(chǎn)品，該公司于2020年5月宣布了20 nm工藝“ RT Kintex Ultra Scale”，目前正在樣品供貨中。這是一款一次性跳過幾代流程的高性能產(chǎn)品，預(yù)計(jì)將除了做圖像處理外還可用于機(jī)器學(xué)習(xí)。

通常，隨著制造過程變得越來越精細(xì)，芯片會(huì)變得更容易受到輻射的影響，但是RT Kintex UltraScale“通過設(shè)計(jì)架構(gòu)和設(shè)計(jì)，使其很難發(fā)生單一事件?！蹦恰?/p>

通常情況下，隨著制造工藝的變小，相對(duì)來說更容易受到輻射的影響，但據(jù)xilinx的RT Kintex UltraScale 過在架構(gòu)和設(shè)計(jì)上下功夫，使單一事件難以發(fā)生，提高了抗輻射能力。

目前毅力號(hào)定于7月30日（美國時(shí)間）發(fā)射。預(yù)計(jì)在2021年2月登陸火星。