Space 2.0的主要趨勢

作者：INDERJIT SINGH，MINAL SAWANT

Space 2.0代表了國防和航空航天應(yīng)用發(fā)展的重大轉(zhuǎn)變：隨著人工智能（AI）應(yīng)用的到來，系統(tǒng)必須支持更高的處理和吞吐量能力。在軌處理需要自適應(yīng)架構(gòu)，以便系統(tǒng)可以處理、分析和重新配置自身，以優(yōu)化性能和響應(yīng)能力。這反過來又推動了有機(jī)包裝和可靠性的創(chuàng)新。最后，為了構(gòu)建這些復(fù)雜的系統(tǒng)，工程師需要更高的設(shè)計敏捷性來加速開發(fā)、降低成本并縮短發(fā)布時間。

對于空間設(shè)計來說，從來沒有比這更激動人心的時刻了。開發(fā)和發(fā)射系統(tǒng)到太空不再只是政府所能及的。私營企業(yè)的創(chuàng)新、敏捷性和愿景正在迎來一個全新的時代：Space 2.0。太空的形態(tài)正在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的國防和航空航天領(lǐng)域，擴(kuò)展到廣泛的實(shí)際和有利可圖的應(yīng)用。

考慮SpaceX的低地球軌道衛(wèi)星星座，以提供寬帶連接。由于這些衛(wèi)星進(jìn)入軌道所需的燃料更少，發(fā)射成本也更低，因此它們可以提供價值，同時預(yù)期壽命僅為四到五年。在這段時間里，技術(shù)將取得進(jìn)步，下一代衛(wèi)星將準(zhǔn)備好取代它們。

新興趨勢

對低地球軌道星座的巨大興趣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了簡單地連接世界上70多億人的范圍。這項技術(shù)有無數(shù)的應(yīng)用。使用傳統(tǒng)衛(wèi)星可能需要長達(dá)一個月的時間來處理圖像。相比之下，一組較小的飛行器可以提供實(shí)時成像，可以立即用于幫助地面上的消防員，使用高光譜相機(jī)和合成孔徑雷達(dá)探測和跟蹤飛機(jī)等物體，或改變用戶導(dǎo)航的方式地球，僅舉幾例。

低地球軌道衛(wèi)星也可能意味著更短的任務(wù)，從而降低風(fēng)險和成本。以這種方式使用衛(wèi)星意味著可能會加快太空創(chuàng)新的整體步伐，更早地轉(zhuǎn)向更新的工藝節(jié)點(diǎn)和封裝技術(shù)。當(dāng)有效載荷可以每五年更新一次而不是每10到20年更新一次時，這使得任務(wù)專家能夠用更少的資源做更多的事情。

主要趨勢之一是在軌處理的興起，這需要更多的計算和輸入/輸出（I / O）插槽;這反過來又推動了向有機(jī)BGA（球柵陣列）封裝的轉(zhuǎn)變，并遠(yuǎn)離陶瓷柱柵連接解決方案等傳統(tǒng)技術(shù)。還可以看到：開發(fā)敏捷性的急劇提高，從而加快了評估、原型設(shè)計和新技術(shù)的推出。

空間設(shè)計的挑戰(zhàn)

在太空中操作存在一些最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計障礙：首先，環(huán)境是極端和無情的，系統(tǒng)必須加固，并且設(shè)計為無單點(diǎn)故障。在太空中，維護(hù)停機(jī)時間不是一種選擇。此外，設(shè)計人員必須應(yīng)對以下挑戰(zhàn)：

下行帶寬有限：衛(wèi)星可以捕獲大量數(shù)據(jù);然而，通往地球的管道不夠?qū)?，無法將其全部送回。

更快的上市時間：隨著開發(fā)擴(kuò)展到傳統(tǒng)國防和航空航天應(yīng)用之外，推出新產(chǎn)品的窗口正在縮小。

為重用而設(shè)計：天基系統(tǒng)不再是一勞永逸的;它們現(xiàn)在必須是其IP可以在多個特派團(tuán)中重復(fù)使用的平臺。

低延遲和高帶寬：為了使寬帶通信可行，系統(tǒng)必須具有最小的延遲和無縫可靠的連接。

太空中的機(jī)器學(xué)習(xí)

解決這些設(shè)計挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)是從地面站卸載處理并將其引入機(jī)載。衛(wèi)星不會將數(shù)據(jù)和圖像發(fā)送到地球進(jìn)行處理 - 并引入與此相關(guān)的所有延遲 - 衛(wèi)星將自己處理數(shù)據(jù)并發(fā)送有關(guān)數(shù)據(jù)含義的信息。這需要衛(wèi)星開始支持在軌人工智能功能，包括物體檢測和圖像分類。

使在軌處理可行的一個關(guān)鍵部分是了解人工智能是一個不斷變化的研究領(lǐng)域，機(jī)器學(xué)習(xí) （ML） 模型需要不斷優(yōu)化。首先，ML 模型可以隨著時間的推移進(jìn)行調(diào)整，變得更快、更準(zhǔn)確。其次，算法本身會隨著新突破的實(shí)現(xiàn)而變化。因此，天基系統(tǒng)需要一個靈活和自適應(yīng)的架構(gòu)，可以“動態(tài)”改變模型和算法。

由于涉及ML，可編程軟件是不夠的。ML 是計算密集型的，需要硬件加速才能提供實(shí)時響應(yīng)能力。當(dāng)算法發(fā)生變化時，加速算法所需的硬件也會發(fā)生變化。因此，自適應(yīng)平臺需要可配置的軟件和硬件的組合，這些軟件和硬件可以相互協(xié)調(diào)地更新。簡而言之，為了支持在軌處理，系統(tǒng)需要能夠處理、分析和重新配置從架構(gòu)到應(yīng)用代碼。

邁向有機(jī)包裝

能夠提供可靠的系統(tǒng)組件，這些組件將在所需的長任務(wù)壽命和太空中的極端環(huán)境中運(yùn)行，需要完全不同的設(shè)計、制造和測試水平。質(zhì)量控制必須從一開始就與設(shè)計團(tuán)隊合作，以達(dá)到政府要求的可靠性水平。

例如，Six Sigma是國防和航空航天工業(yè)30多年來公認(rèn)的可靠領(lǐng)導(dǎo)者，是陶瓷網(wǎng)格陣列封裝焊柱附件的唯一供應(yīng)商，主要用于空間應(yīng)用。雖然政府一直在積極尋找第二個來源，但提供六西格瑪提供的世界級可靠性所需的流程和專業(yè)知識非常嚴(yán)格，迄今為止，還沒有其他供應(yīng)商能夠獲得認(rèn)證。

隨著行業(yè)轉(zhuǎn)向 7 nm 技術(shù)等新工藝節(jié)點(diǎn)，芯片對于傳統(tǒng)的空間級封裝和焊柱連接等技術(shù)來說太大了。簡而言之，在軌AI的處理要求將不再適用。還需要考慮 I/O 的顯著增加。

因此，該行業(yè)開始從傳統(tǒng)封裝轉(zhuǎn)向用于太空級產(chǎn)品的有機(jī)封裝和倒裝芯片封裝。除了能夠支持所需的更大芯片尺寸和I/O外，有機(jī)封裝的可靠性已在商業(yè)市場上得到證明，并具有更廣泛的支持生態(tài)系統(tǒng)。

當(dāng)然，仍有挑戰(zhàn)需要克服：太空發(fā)展不會在一夜之間發(fā)生變化。鑒定太空級產(chǎn)品需要數(shù)年時間，許多遺留的生態(tài)系統(tǒng)將繼續(xù)需要支持。然而，國防部門有興趣獲得最新技術(shù)，參與者明白創(chuàng)新意味著變化。

天基設(shè)計和系統(tǒng)的持續(xù)創(chuàng)新

國防和航空航天工業(yè)以及任何考慮天基應(yīng)用的公司都需要能夠為Space 2.0應(yīng)用提供必要的性能、適應(yīng)性和可靠性的技術(shù)。然而，僅有新技術(shù)是不夠的。隨著系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，集成組件的難度也變得越來越具有挑戰(zhàn)性。即使評估一個簡單的 ML 平臺也可能需要數(shù)周時間，因為開發(fā)人員必須自己集成來自多個供應(yīng)商的組件。

了解開發(fā)人員在構(gòu)建可靠的空間系統(tǒng)時面臨的苛刻要求至關(guān)重要。

真正的創(chuàng)新和在軌可重構(gòu)性將通過以下方式實(shí)現(xiàn)：

2.5/3D芯片集成與封裝技術(shù)

小芯片和芯片到芯片 （C2C） 互連技術(shù)

AI 引擎和特定于領(lǐng)域的架構(gòu)

下一代路由可消除擁塞

類似 ASIC 的時鐘，具有靈活的時鐘放置和偏斜平衡

智能 3D 分析放置工具，可優(yōu)化時序、擁塞和導(dǎo)線長度

以 ML 為中心的應(yīng)用程序工具支持的軟核處理器

Space 2.0承諾了一個令人興奮的未來。私營部門推出自己的系統(tǒng)的能力為該行業(yè)帶來了新的視野。在軌處理將把天基系統(tǒng)的能力擴(kuò)展到可行的商業(yè)應(yīng)用中，提高全世界的生活質(zhì)量。真正的無限在軌可重構(gòu)性為這些系統(tǒng)提供了實(shí)施和加速實(shí)時人工智能功能所需的軟件和硬件靈活性。向有機(jī)封裝的轉(zhuǎn)變將使該行業(yè)能夠加入下一代系統(tǒng)所需的處理和I / O。OEM 將享受設(shè)計敏捷性的諸多好處，因為評估、設(shè)計、調(diào)整和重用基于空間的 IP 變得更加容易。

審核編輯：郭婷