NASA招募Microchip，SiFive基于RISC-V開發(fā)用于自主太空任務(wù)的12核處理器SoC

美國宇航局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）選擇Microchip設(shè)計(jì)和制造基于SiFive的八個(gè)RISC-V X280內(nèi)核的多核高性能航天計(jì)算機(jī)（HPSC）微處理器SoC，矢量處理指令擴(kuò)展分為兩個(gè)集群，并增加了四個(gè)額外的RISC-V內(nèi)核用于通用計(jì)算。該項(xiàng)目的運(yùn)營目標(biāo)是開發(fā)“飛行計(jì)算技術(shù)，與目前的航天計(jì)算機(jī)相比，該技術(shù)將提供至少100倍的計(jì)算能力”。在最近的RISC-V峰會(huì)上，HPSC領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)成員兼JPL顧問Pete Fiacco解釋了HPSC計(jì)劃的總體目標(biāo)。

盡管有這個(gè)名字，但HPSC并不是嚴(yán)格意義上的空間處理器SoC。它被設(shè)計(jì)成一臺(tái)可靠的計(jì)算機(jī)，適用于地球上的各種應(yīng)用——如國防、商業(yè)航空、工業(yè)機(jī)器人和醫(yī)療設(shè)備——以及用于政府和商業(yè)航天器的良好候選者。除了計(jì)算能力之外，HPSC還需要的三個(gè)特性是容錯(cuò)、輻射容限和整體平臺(tái)安全性。該項(xiàng)目將導(dǎo)致開發(fā)HPSC芯片、電路板、軟件堆棧和參考設(shè)計(jì)，并于2024年首次上市，并于2025年提供空間合格硬件。菲亞科表示，NASA JPL未來所做的一切都將基于HPSC。

NASA JPL根據(jù)其任務(wù)要求為HPSC設(shè)定了目標(biāo)，將自主性納入未來的航天器。簡而言之，與自主相關(guān)的任務(wù)是感知、感知、決定和驅(qū)動(dòng)。傳感涉及使用多光譜傳感器和圖像處理的遠(yuǎn)程成像。感知使用額外的圖像處理向感測(cè)數(shù)據(jù)灌輸意義。決策包括結(jié)合車輛當(dāng)前和未來方向的任務(wù)規(guī)劃。驅(qū)動(dòng)涉及軌道和表面機(jī)動(dòng)以及實(shí)驗(yàn)激活和管理。

菲亞科將這些任務(wù)與美國宇航局的任務(wù)總體目標(biāo)聯(lián)系起來，解釋說，HPSC旨在允許太空設(shè)備進(jìn)入，著陸，生活和探索外星環(huán)境。航天器還需要向地球報(bào)告，這就是為什么Fiacco還將通信納入所有四項(xiàng)主要任務(wù)的原因。所有這些都需要計(jì)算能力的巨大飛躍。模擬表明，與目前在太空中飛行的處理器相比，HPSC的計(jì)算性能提高了1000倍，F(xiàn)iacco預(yù)計(jì)隨著HPSC軟件堆棧的進(jìn)一步優(yōu)化，這一數(shù)字將得到改善。

很難描述HPSC對(duì)NASA JPL計(jì)算平臺(tái)的升級(jí)程度，而不將新機(jī)器與目前在地球上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)進(jìn)行對(duì)比。例如，目前以半自主方式在火星周圍蹣跚而行的本質(zhì)上相似的核動(dòng)力好奇號(hào)和毅力號(hào)火星車是基于BAE系統(tǒng)公司的RAD750微處理器。（請(qǐng)參閱”寶貝，你可以開我的漫游車。RAD750采用32位PowerPC 750架構(gòu)，采用耐輻射半導(dǎo)體工藝制造。該芯片的最大時(shí)鐘速率為200 MHz，代表了2001年左右最好的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。據(jù)報(bào)道，已有150多個(gè)RAD750處理器被發(fā)射到太空。請(qǐng)記住，NASA喜歡飛行以前飛行過的硬件。將RAD750帶入太空的最新太空文物之一是詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST），它現(xiàn)在正在紅外光譜中對(duì)宇宙進(jìn)行成像，并在距離地球一百萬英里的拉格朗日軌道上收集大量新的天文數(shù)據(jù)。（這比月球的軌道大四倍。JWST的RAD750處理器以118 MHz的速度運(yùn)行。

我們另一個(gè)偉大的太空天文臺(tái)，太陽能哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST），采用更舊的處理器。HST有效載荷計(jì)算機(jī)是18位NASA標(biāo)準(zhǔn)航天器計(jì)算機(jī)-1（NSSC-1）系統(tǒng)，建于1980年代，但設(shè)計(jì)更早。該有效載荷計(jì)算機(jī)控制和協(xié)調(diào)來自HST各種科學(xué)儀器的數(shù)據(jù)流，并監(jiān)測(cè)其狀況。（請(qǐng)參閱”失去哈勃——拯救哈勃。

最初的NSSC-1計(jì)算機(jī)是由NASA戈達(dá)德太空飛行中心和西屋電氣在1970年代初開發(fā)的。該設(shè)計(jì)太舊了，以至于它不是基于微處理器。該計(jì)算機(jī)的初始版本采用了仙童半導(dǎo)體的1700個(gè)DTL扁平封裝IC，并使用磁芯存儲(chǔ)器。早在 1990 年 HST 推出之前，NSSC-1 處理器設(shè)計(jì)就已經(jīng)“升級(jí)”以適應(yīng)一些非常早期的 MSI TTL 門陣列，每個(gè)門都包含大約 130 個(gè)邏輯門。

我不是天基計(jì)算方面的專家，所以我向一位專家征求了他的意見。我認(rèn)識(shí)的對(duì)微處理器和FPGA天基計(jì)算最精通的人是我的朋友Adam Taylor，他是英國Adiuvo Engineering的創(chuàng)始人兼總裁。我問泰勒他對(duì)HPSC的看法，他寫道：

“HPSC對(duì)我來說實(shí)際上非常令人興奮。我們?cè)谔罩凶隽撕芏喙ぷ?，?jì)算是一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)前的許多計(jì)算平臺(tái)都基于較舊的架構(gòu)，如SPARC（LEON系列）或Power PC（RAD750 / RAD5545）。這些[處理器]不僅計(jì)算能力較低，而且生態(tài)系統(tǒng)也有限。有限的生態(tài)系統(tǒng)意味著更長的開發(fā)時(shí)間（更少的重用，更多的“戰(zhàn)斗”工具，因?yàn)樗鼈兺ǔ２荒敲赐晟疲?，并且它們還限制了對(duì)新人才的吸引力，即想要使用現(xiàn)代框架、處理器和工具的人。這也限制了經(jīng)驗(yàn)豐富的人才庫（這是一個(gè)日益嚴(yán)重的問題，就像許多行業(yè)一樣）。

“基于RISC-V的高性能多核處理器的創(chuàng)建將打開一個(gè)廣泛的工具和框架生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)也吸引新人才并擴(kuò)大經(jīng)驗(yàn)豐富的人才庫。處理器本身看起來非常有趣，因?yàn)樗鼈兊脑O(shè)計(jì)考慮了高性能，因此它們具有 SIMD / 矢量處理和 AI（呃，這是一個(gè)夸張的流行詞）。他們似乎也很好地考慮了電源管理，這對(duì)于不同的應(yīng)用至關(guān)重要，尤其是在太空中。

“有趣的是，作為一家FPGA設(shè)計(jì)公司（主要是），我們最近設(shè)計(jì)了幾款MicroChip SAM71 RT和RH（耐輻射和抗輻射）微控制器，它們確實(shí)在處理需求低的情況下提供了一些強(qiáng)大的功能。我認(rèn)為HPSC是這一系列器件的補(bǔ)充，將超高性能/非常困難的實(shí)時(shí)應(yīng)用留在FPGA中實(shí)現(xiàn)。最終，HPSC為工程師提供了另一種可供選擇的工具，它旨在防止工程師喜歡的過于常見的從頭開始的方法。可悲的是，這種方法總是會(huì)增加這些項(xiàng)目的成本和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，而我們已經(jīng)受夠了。

最后一點(diǎn)：在我為本文進(jìn)行研究期間，我發(fā)現(xiàn)NASA的HPSC并不總是基于RISC-V架構(gòu)。美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心電氣工程部技術(shù)助理主任Wesley Powell在2018年抗輻射電子技術(shù)（RHET）會(huì)議上的演講包括HPSC的框圖，其中顯示了基于八個(gè)帶有NEON SIMD矢量引擎和浮點(diǎn)單元的Arm Cortex-A53微處理器內(nèi)核的早期概念設(shè)計(jì)。鮑威爾繼續(xù)擔(dān)任HPSC計(jì)劃的首席技術(shù)專家。在過去四年中，在HPSC發(fā)展的某個(gè)時(shí)刻，至少到2020年底，當(dāng)NASA發(fā)布針對(duì)HPSC的小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）項(xiàng)目第一階段征集時(shí)，ARM處理器內(nèi)核已被RISC-V處理器內(nèi)核的要求所取代。去年，隨著Microchip和SiFive宣布項(xiàng)目獎(jiǎng)項(xiàng)，這一變化正式化為一成不變。也許是時(shí)代的標(biāo)志？

審核編輯黃宇