AI處理器必將成為宇航級處理器突破的下一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/周凱揚(yáng))今年年內(nèi)，各個(gè)國家和地區(qū)在航天航空上動作頻頻，不少十?dāng)?shù)年前提出的計(jì)劃都開始了發(fā)射和部署工作。比如中國的天宮空間站和美國的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡等。在這輪備戰(zhàn)行動中，宇航級處理器再度成為了人們關(guān)注的重點(diǎn)之一。

太空中的AI

如今的航天航空應(yīng)用已經(jīng)不單單是在太空環(huán)境下做科學(xué)實(shí)驗(yàn)了，不少應(yīng)用都需要用到AI的助力，比如火星車的移動。與地面環(huán)境不同，這些AI應(yīng)用可不方便接入云端，只能依賴本地運(yùn)算。如此一來，在太空中進(jìn)行AI計(jì)算就成了宇航級處理器的一大挑戰(zhàn)。歐比特深耕宇航電子近二十年，已是我國高端宇航SPARC V8處理器SoC的頭部企業(yè)，也是立體封裝SIP宇航模塊/系統(tǒng)的開拓者，如今也開始在AI處理器上進(jìn)行突破。

玉龍810A是歐比特公司推出的新一代嵌入式人工智能系列處理器芯片，聚焦于前端圖像處理、前端信號處理和智能控制，具有深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的平臺加速能力。玉龍810A芯片采用了異構(gòu)多核架構(gòu)(CPU+AI加速器)和22nm FD-SOI生產(chǎn)工藝，具有高性能、高可靠、低功耗的特點(diǎn)，芯片面向航空航天、智能安防、機(jī)器人、AIoT、智能制造、智慧交通等應(yīng)用場景，Yulong810A-FMS就是該芯片的宇航級版本。

玉龍810A芯片內(nèi)部由主處理器單元、AI協(xié)處理器單元、圖像處理單元、片內(nèi)總線、外設(shè)接口單元、片內(nèi)存儲等組成。其主處理器單元采用了4核ARM A9的設(shè)計(jì)，AI協(xié)處理器包含GPU單元和NNA單元。芯片外設(shè)接口包括：MIPI、BT1120、以太網(wǎng)、USB OTG、Camera Link、Rapid IO、PCIE等，足以滿足航天航空應(yīng)用中與不同設(shè)備之間的連接。 玉龍810A浮點(diǎn)處理能力為64GFLOPS，定點(diǎn)處理能力為12TOPS。在這樣的算力下，其典型功耗不到6W。由于支持OPENCLOPENVX等標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，玉龍810A也能夠?qū)崿F(xiàn)與TensorFlow，Caffe等主流深度學(xué)習(xí)軟件框架的無縫對接。

RISC-V的崛起

除了傳統(tǒng)的SPARC V8以外，另一個(gè)RISC框架也開始在宇航應(yīng)用中嶄露頭角，那就是RISC-V。近日，歐洲航天局宣布授予CAES合約，由這家美國公司來開發(fā)太空應(yīng)用的SoC，GR7xV處理器。該處理器采用了RISC-V架構(gòu)和容錯(cuò)抗輻射的設(shè)計(jì)，集成了16個(gè)核心，用于替代傳統(tǒng)的SPARC V8框架。據(jù)CAES稱，GR7xV將被用于太空控制、負(fù)載數(shù)據(jù)管理和處理系統(tǒng)中，廣泛適用于觀測、通信、導(dǎo)航和科考應(yīng)用。

CAES Gaisler的LEON系列處理器已經(jīng)在太空應(yīng)用中得到了數(shù)十年的驗(yàn)證，如今全新的NOEL系列將成為首度用于宇航應(yīng)用的RISC-V處理器。GR7xV系列采用了NOEL-V的RISC-V IP。不過鑒于該處理器尚在開發(fā)中，前段時(shí)間CAES才在意法半導(dǎo)體的28nm GEO P2平臺上開發(fā)出了NOEL-V的容錯(cuò)設(shè)計(jì)，開發(fā)完成后還需要通過QML-V/QML-Q之類的抗輻射認(rèn)證，所以RISC-V真正上天估計(jì)還要等上一段時(shí)間。

老朋友FPGA

今年12月25日，“鴿”了近14年的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡終于成功發(fā)射升空了，作為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的替代者，雖然質(zhì)量只有后者的一半，卻是人類史上最龐大也最復(fù)雜的太空望遠(yuǎn)鏡，利用紅外波段探測深空。在多年的推遲之下，其預(yù)算也逐漸擴(kuò)大至100億美元以上。

我們都知道，目前航天航空和軍事應(yīng)用中FPGA擁有極高的出現(xiàn)頻率，詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡也不例外。據(jù)Microchip發(fā)布的消息，詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡用到了Microchip的RT-RTAX和RTSX-SU兩款FPGA。

RTSX-SU具備230MHz的系統(tǒng)性能(內(nèi)部頻率310MHz)，以及非常低的功耗(待機(jī)下的最高電流只有68mW)。該FPGA具備32k至72k個(gè)ASIC門(48k到108k個(gè)系統(tǒng)門)，以及最多360個(gè)用戶可編程的I/O，足以應(yīng)對一般的太空應(yīng)用。而RTAX-S/SL的規(guī)模要更大一些，具備30k到500k個(gè)ASIC門(250k到400萬個(gè)系統(tǒng)門)，用戶可編程I/O也增加至840個(gè)。

我國的空間望遠(yuǎn)鏡也已經(jīng)提上了日程，與中國空間站共軌飛行的“巡天號”光學(xué)艙預(yù)定于2024年發(fā)射，該光學(xué)艙可以觀測到比哈勃望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)300倍以上的深空。

小結(jié)

可以看出，像詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡這類的宇航級應(yīng)用，其實(shí)并不需要最先進(jìn)的制程，也不需要強(qiáng)大的算力。宇航級應(yīng)用最關(guān)鍵的還是容錯(cuò)設(shè)計(jì)、抗輻射、低功耗和長使用壽命，比如為了進(jìn)一步延長其壽命，天宮空間站和詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡都選擇運(yùn)行在近地軌道上，如此一來維修和替換部件更加方面。

不過我們已經(jīng)看到了AI在太空中具備的強(qiáng)大優(yōu)勢，尤其是在遠(yuǎn)超近地軌道的太空中，AI處理器必將成為宇航級處理器突破的下一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。至于抗輻射能力方面，則還是需要創(chuàng)新的材料和封裝技術(shù)支持。

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原文標(biāo)題：下一輪太空備戰(zhàn)，宇航級處理器

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審核編輯:湯梓紅