宇航級(jí)FPGA的諸多挑戰(zhàn)

5月20日，半導(dǎo)體公司賽靈思（XLNX.US）發(fā)布公告稱，將推出業(yè)界第一個(gè)20納米宇航級(jí)FPGA，為衛(wèi)星和空間應(yīng)用提供更優(yōu)秀的輻射耐受能力、超高數(shù)據(jù)吞吐量和帶寬性能。

全新的20 nm Radiation Tolerant KintexUltraScaleXQRKU060 FPGA將提供強(qiáng)大的在軌重配置，包括數(shù)字信號(hào)處理性能增加10倍，非常適合有效載荷應(yīng)用，并且在所有軌道上都具有完全的輻射耐受性。

該FPGA的獨(dú)特功能是它具有在軌中重配置以及其在太空進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)的能力。

宇航級(jí)FPGA的諸多挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)用于空間的FPGA并非易事。桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的David S. Lee認(rèn)為，電離輻射是對(duì)在太空中運(yùn)行的FPGA的最大威脅。此輻射的影響可能包括單事件閂鎖（SEL）、單事件翻轉(zhuǎn)（SEU）、單事件瞬態(tài)（SET）和總電離劑量（TID）。

Lee認(rèn)為，為了確保基于SRAM的FPGA在空間中的長(zhǎng)期可靠性，設(shè)計(jì)者必須防止配置存儲(chǔ)器中的SEU。這可以通過(guò)"擦除"(或識(shí)別配置中的錯(cuò)誤并對(duì)其進(jìn)行尋址)、糾錯(cuò)碼(ECC)和三重模塊冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Xilinx XQRKU060

這些關(guān)于輻射的擔(dān)憂，在Xilinx公司新推出的20納米的太空型FPGA中直接得到了解決。

20nm宇航級(jí)FPGA的主要規(guī)格

XQRKU060包含2760個(gè)UltraScale DSP Slice，并提供多達(dá)1.6 TeraMAC的信號(hào)處理計(jì)算。該單元的32個(gè)高速SerDes收發(fā)器可分別運(yùn)行高達(dá)12.5 Gbps，以提供400 Gbps的總帶寬。

該芯片的密集型、高能效計(jì)算具有可擴(kuò)展精度和大型片上存儲(chǔ)器，擁有超高吞吐量和帶寬性能，針對(duì)深度學(xué)習(xí)優(yōu)化的INT8峰值性能將達(dá)到5.7 TOPS，相比上一代65nm芯片產(chǎn)品提升25倍。

XQRKU060芯片支持豐富的ML開(kāi)發(fā)工具產(chǎn)品組合，支持TensorFlow、PyTorch等機(jī)器學(xué)習(xí)框架，適用于解決科學(xué)分析、物體檢測(cè)和圖像分類等各類機(jī)器學(xué)習(xí)問(wèn)題。將機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）帶入了太空。

RT Kintex UltraScale架構(gòu)

Xilinx的太空系統(tǒng)架構(gòu)師Minal Sawant解釋說(shuō)：“憑借我們?cè)陂_(kāi)發(fā)領(lǐng)先的耐輻射技術(shù)并將其部署到可靠的太空級(jí)解決方案方面的悠久歷史，Xilinx通過(guò)推出全球最先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)來(lái)繼續(xù)其領(lǐng)先地位?！?/p>

可在軌重新配置

XQRKU060基于SRAM存儲(chǔ)器，因此不僅可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行硬件開(kāi)發(fā)期間對(duì)其進(jìn)行重新編程，還可以在發(fā)射后進(jìn)行在軌編程。其他空間級(jí)的反熔絲FPGA只能配置一次，從而使原型設(shè)計(jì)和驗(yàn)證變得既昂貴又困難。

其他空間級(jí)FPGA部署后基本上會(huì)凍結(jié)，而在軌道上任意次數(shù)重新配置XQRKU060的能力為運(yùn)營(yíng)商提供了極大的靈活性。例如，可以隨時(shí)上傳新的和改進(jìn)的通信標(biāo)準(zhǔn)，以提高系統(tǒng)性能。

XQRKU060處于活動(dòng)狀態(tài)且正在使用中時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)重新編程。

部分重配置

這是通過(guò)部分重新配置實(shí)現(xiàn)的，該部分重新配置允許修改FPGA內(nèi)的特定區(qū)域，而不會(huì)影響在設(shè)備內(nèi)其他地方運(yùn)行的應(yīng)用。

波束成形技術(shù)

在之前關(guān)于海軍對(duì)光學(xué)波束形成感興趣的文章中，我們討論了低成本的LEO衛(wèi)星如何逐漸取代價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的地球同步航天器。這些太空飛行器的核心必須具備實(shí)現(xiàn)波束形成的能力，即改變無(wú)線電信號(hào)方向以適應(yīng)不斷變化的條件的能力。

XQRKU060的機(jī)載處理能力使衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商可以進(jìn)行波束成形。此外，設(shè)備的可重新配置性使其能夠適應(yīng)不斷變化的調(diào)制和載波規(guī)范。

與前代產(chǎn)品的改進(jìn)

20 nm XQRKU060基于Xilinx的宇航級(jí)定位，其前代產(chǎn)品包括65 nm Virtex-5Q和90 nm Virtex-4QV。

三代Xilinx宇航級(jí)FPGA

與上一代Virtex-5QV相比，XQRKU060的邏輯單元增加了5倍。鏈路總帶寬由56.25G提高到400 Gbps。

衛(wèi)星技術(shù)的顛覆者？

衛(wèi)星系統(tǒng)正在迅速發(fā)展，逐漸從龐大、昂貴且不靈活的龐然大物演變成小型且高達(dá)靈活的設(shè)備。XQRKU060旨在提供可重編程性，抗輻射性和計(jì)算能力，以使其成為可能。

審核編輯 ：李倩