התפקיד הבלתי-מתאמת של FPGAs ב- Space Exploration Instruments

כלי חקר החלל דוחקים את הגבולות של אילו מערכות אלקטרוניות יכולות לשאת.מממריק של מסלול הירח לחגורת הקרינה סביב צדק, מכשירים אלה חייבים לפעול ללא פגע תחת תנודות תרמיות קיצוניות, הפצצות חלקיקים קבועות, ותקציבי חשמל הדוקים.תוכנית שדה לקרנות שער שניתן להזיזו את האלגוריתמים (FPGAs) הפכו הכרחיים משום שהם משלבים מחדש של אלגוריתמים, עיבוד מקבילה מסיבי, ופגמים חד-מסוגים – סובלנות שמערכת הפעלה קבועה של תהליכים לא תוכלנה-גופיים-גופיים-גופיים, בניגוד לתקני פיתוח גלקטיים (FPGA) לא תוכלנה, בניגוד לתקני פיתוח אלגוריתמים, אלגוריתמים, אלגוריתמים, אלגוריתמים, גלקטיים, גלקטיים, אלגוריתמים, אלגוריתמים, אלגוריתמים-מתאים לתקני פיתוח אלגוריתמים, אלגוריתמים, אלגוריתמים ייחודיים, אלגוריתמים, אלגוריתמים, אלגוריתמים, אלגוריתמים, מוטציות, אלגוריתמים, אלגוריתמים, מוטציות, מוטציות, מוטציות, מוטציות, מוטציות, מוטציות, מוטציות מוטציות גלקטיים, מוטציות מוטציות גלקטיים, מוטציות

אדריכלות: למה זה משנה לחלל

FPGA מורכב ממערך של בלוקים לוגיים הניתנים להגדרה (CLBs), עיבוד אותות דיגיטליים (DSP) פרוסות, חסום RAM (BRAM), ולוחמי חיבור בין-קשרים (כלי מחשב) עיצוב של מהנדסים באמצעות VHDL או SystemVerilog, ו-Synthesis Tools ממפה את הלוגיקה לתוך bitstream המגדיר כל חיבור.

קרינה-קשה וקרינת FPGAs מוטבעת על תהליכים מיוחדים המתנגדים למינונים מצטברים (TID) אפקטים חד-מיניים (SEL) של קרינת החלל (SEL) ל-FLT:0AMD XilinxFLT (TID) משלבים גם את ה-V-5QV ו- Kintex UltraScale, RTG4 של Microchip ו- RTFire, שננקטו כמשמעו, כמו גם תאים מטאורולוגיים שאינם מתחום אבטחה מסוג RTFvd.

יתרונות על פני מעבדים מסורתיים

היתרונות של FPGAs הם מעבר לביצועים גולמיים, הם משנים באופן יסודי את האופן שבו משימות ניגשות לטיפול בנתונים ולאמינות.

  • (FLT:0) On-Orbit Reuration: ההרחבה של ההרחבה: A Single bitstream uplink יכול לתקן פגם עיצוב, לעדכן אלגוריתם דחיסה, או אפילו לנסח מחדש כלי עבור מטרה מדעית חדשה.The James Webb Space טלסקופ NIRCam משתמש ב-FPGAs אשר הסדיר מספר פעמים כדי לשפר את איכות הנתונים.
  • (FLT:0)Exploiting Parallelism:FLT:1 מטענים מדעיים לייצר נתונים במחירים כי overwhelm מעבדים זמניים. FPGA יכול ליישם מסנן בזמן אמת, זיהוי אירוע, והפחתה של נתונים על פני אלפי ערוצים במחזור שעון אחד.כלי ChemCam על הקרוותר זמן ניתוח FPGA לפירוק לייזר בתוך 20 מ"ג'י מחייב עיבוד אוטומטי של DSP.
  • (FLT:0) עידוד סובלנות על ידי עיצוב: ההרחבה 1 (FPGAs) מאפשר סובלנות של תקלות ממוקדות למשתמש כמו משולש מודולרי Redundancy (TMR), מכונת קידוד וקודי תיקון של מכונות על BRAM. גמישות זו פירושה שהמערכת יכולה לשרוד מספר סדקים שירסקו מעבד מסחרי.
  • (FLT:0)Power Efficiency:FLT:1 בהפצת חישוב על פני בד מקביל נמוך מקביל, FPGAs לעתים קרובות להשיג גבוה יותר דרךput per וואט מאשר CPU בעל שעון גבוה מאוד, עבור בדיקה עמוקה בחלל כמו Psyche, שבו כוח סולארי מוגבל, כל מילימטר הוא יקר ערך. PG, כמו גם יש כוח סטטי מאוד כי תאים לא גמישים עבור פחמן CGA, בעוד שמנה 6GR.
  • (FLT:0) תזמון תזמון: FLT:1 בניגוד תוכנה שפועלת על CPU מבוסס-כאב, FPGA לוגיקה מבצעת עם עיכובים צפויים של הדבקה.הקביעה זו חיונית עבור מכשירים רגישים לזמן כגון לינדר טווחים או סינכרוניזציה ספקטרום ספקטרום ספקטרום, שבו Jitter חייב להיות פחות מ nanoII.

איומים קרינה ואסטרטגיות מייגציה

סביבת הקרינה החלל מציגה מגוון של איומים שיש לטפל בהם ברמות מופשטות מרובות. קרניים קוסמיות גלקטיות, אירועי חלקיקים סולאריים, ואנטיטונים לכודים גורמים להשפעות מצטברות ו transientientיות.מהנדסים משתמשים בגישה ביטחונית-מעמיקה, המשלבת התקשות ברמת המכשיר עם הפחתה ארכיטקטונית.

Total Ionizing Dose (TID) ונזקי ניתוק

לאורך זמן, ionizing קרינה מצטבר מלכודות מטען במהנדסים תחמוצת סיליקון, שינוי סף transistor וצמצום הביצועים.קרינת FPGAs שימוש עוביים תחמוצת מיוחדים, מבנים שער קשיחים, ו אדמוניות בשוליים אנלוגיים קריטיים לעמוד ברמות TID מעל 100 krad (Srad) לדוגמה, RTG4 מדורג 100 עבור CradidID, בעוד ש-SKFrontext בדיקה של ציוד חשמלי (R) יש לבחון גם היא בעלת יותר מ-R.

השפעות חד-פעמיות (SEE)

SEE כוללת זעזועים חד-לשוניים (SEU) שגורמים לתאי זיכרון, טראנסים חד-לשוניים (SET) שמפיצים גלימות דיגיטליות, והפרעות פונקציונליות חד-פעמיות (SEFI) המנעולים ממשקים. ניגודי זיכרון קונריגציה הם מסוכנים במיוחד משום שהם משנים את הלוגיקה עצמה, ויוצרים מעגלים קצרים או מכונות לא נכונות.

  • (FLT:0)Triple Modular Redundancy (TMRIR): 1:1 כל ספין-אפ קריטי ומכונת המדינה הוא מורכב, ו רוב מצביע עובר את הפלט הנכון.הכלים המודרניים מ- Mentor Graphics (כיום סימנס) ו- Xilinx (Vivado TMR) יכולים ליישם באופן אוטומטי TMR ברמה נטורליסטית, עבור עיצובים אולטרה-מדומה, נתיב רביעי יכול להיות קבוע כמו גם כדי לסבול אשם.
  • (FLT:0)Configuration Scrupping: FIRLT:1 ; מעגל סרובר קרינה מקושדר קורא באופן קבוע את זיכרון התצורה של FPGA, מזהה שגיאות באמצעות CRC או ECC, ו rewrites מסגרות נכונות.זה מונע הצטברות של שגיאות. Scrupping תדרים נבחרים על בסיס שיעור החרדה והמשימה ביקורתית - מסלולים מסוימים עשויים לדרוש פעוטים כל כמה שניות, בעוד שניות של מילימטרים, בעוד שניות, בעוד שניות יכול לסבול.
  • (FLT:0) גילוי ותיקון (EDAC) ב- BRAM:FreaLT:1block מוגן עם קודים Hamming או קודים של ריד-פולמון שתקנו חד-ביט יחידי וגלו שגיאות כפולות בזמן אמת.עבור מערך BRAM גדול, SEC-DED (Single-טרור נכון, זיהוי כפול) הוא תקן.
  • (FLT:0SEFI Recovery:FLT:1) שעון כלב או ניטור חיצוני FPGA יכול לזהות ממשק קפוא וממחזור כוח או לשנות את האזור הנגוע.כמה משימות משתמשות בשותף קטן נגד FPGA (כמו Stsemi's RTAX) כדי לרסן מחדש את ה-FPGA הראשי אם זו מזוהה היא גישה זו בשימוש באדריכלות המחשב של מאדים 2020.
  • (FLT:0)עיצוב גיוון:EuroFLT:1 ; שתי קבוצות עצמאיות מעצבות את אותה פונקציה קריטית באמצעות קוד RTL שונה.אם גרסה אחת סובלת טעות עיצוב או נתיב מושרה קרינה, השנייה עדיין מייצרת תוצאות נכונות.טכניקה זו נפוצה בכבדות גבוהה avionics והוא מאומצ יותר ויותר עבור כלי חלל עם תקופות חיים מורחבות.

(FLT:0) דוחות טכניים של נאס"א שרתי FLT:1) מתעד קמפיינים רבים לבדיקת קרינה אשר אוששו את הטכניקות האלה עבור מכשירים המשמשים במשימות הדגל.המשך מחקר על טעויות מבוססות-רשת וחיזוי הסתגלות עשוי להפחית עוד יותר את הסיכון לאפקטים חד-לשוניים במערכות עתידיות.

הנדסה אנרגטית וכוחית לחלל עמוק

אלקטרוניקה חללית מתמודדת עם תנודות טמפרטורה רחבות והיעדר קירור קונפוקטי. An FPGA על סיפון קרקעית ירח עשוי לראות ⁇ תרמיים מ- -150 מעלות צלזיוס בצד הצלד ל +120 מעלות צלזיוס בצד השמש. אפילו בתוך קופסת אלקטרוניקה מבוקרת טמפרטורה, הפחתת החום של FPGA יכולה ליצור נקודות חמות אם לא מנוהל כראוי.

ניתוח תרמי באמצעות מודלים סופיים (FEM) מנחה את העיצוב של תנורי חום, רצועות תרמיות לרדינים, ובחירת חומרים. High-thermal-conductstrates, כגון אלומיניום nitride או נחושת-molybdenum laminates, משמשים להפיץ חום.Inוואקום, כל החום חייב להתבצע צלחת קרה; לכן, ההתנגדות תרמית של FPGA ושיפור לוחות חום כמו צינורות חום-Bp) הם בזהירות לספק פתרונות מתקדמים.

צריכת חשמל היא בעיה זוגית: כוח סטטי עולה באופן אקספוננציאלי עם טמפרטורה, כך FPGA חם צורכת יותר מחזורים מדליפה נוכחית.מעצבים משתמשים שעון מתפתל ללוגיקה בלתי מנוצלת, איים כוח כדי לכבות אזורים שלמים, ומתחים מרכזיים משתנים (למשל, 0.9V במצב כוח נמוך, 1.0V בביצועים מלאים).

מחזור החיים של Flight-Ready FPGA Design

יצירת FPGA כי יהיה לטוס בחלל עמוק דורש הנדסה קפדנית מהרעיון להכשרה סופית.התהליך הוא זהיר ומאומת עמוקות, לעתים קרובות בעקבות סטנדרטים כגון ECSS-Q-ST-60-02C או EEE-INST-002.

דרישות ואדריכלות

צוות המדע מגדיר את שיעורי הנתונים, הגמישות והממשק (SpaceWire, MIL-STD-1553, או מותאם אישית LVDS) מחקר סחר מחליט אם ה-FPGA פועל כבקר הראשי או מעבד משותף.תקציבים עבור תאים לוגיים, BRAM, ו- DSP פרוסות מוערכות, ומכשיר הוא מוקדם של אלגוריתמים פונקציונליים המחבקים לתוך חומרה, לדוגמה, מסה אחת של כלי מדידה חד-פרית לכל אמצעי מדידה.

עיצוב RTL וסימולציה

שפות תיאור קשיחות (VHDL או Verilog) ללכוד את ההיגיון הנוכחי.בניגוד לתוכנה, המעצב חייב לשקול מעברי שטח השעון, נחיתות, ומגבלות תזמון.ל- סימולציה של הזרקת נתונים של חיישן ותנאי גבול.אימות פונקציונלי עם כלים כגון Siemens Questa או Cadence Xcelium מפעילה מיליוני מחסומים. Code metrics להבטיח שכל ענף וניתן להזיזו באמצעות אימותים מסוימים של נכסים כגון מעברים לא חוקיים או הפרעות של שינוי כגון מעבר של שינוי, כגון תקלות של שינוי.

Prototyping and Hardware-in-the-Loop (HIL)

העיצוב מסונתז עבור לוח פיתוח ברמה מסחרית (לעתים קרובות אותו משפחה FPGA אבל רמת טמפרטורה תעשייתית) סימולטורים חיישן מודלים דינמיקות כלי רכב להאכיל נתונים בזמן אמת. HIL בדיקות תופס בעיות כמו קפיצה הקרקע, בעיות מהימנות האות, או הפרות תזמון הנגרמות על ידי אספקת חשמל ripple - פגמים כי סימולציה טהורה.לדוגמה, Mars Persancesover של Supersover של RoversCamtras עברה בדיקות לייזר באופן נכון כדי לתקן HIL.

קרינה: קרינת הרדמת (RHA)

לוחות ייצוגיים של טיסה נחשפים ל-Cyd ו-Proton beams במתקנים כמו Texas A&M University's Cyclotron Institute או ברוקהייבן National Laboratory. FPGA מפעילה את הקושחה המדויקת תוך מעקב אחר לוגינים כל הרגיז.מהנדסים מודדים את SEU cross-sections ו-Recovering Behavior.The Data Feeds Probabilistic, כגון CME96 או SPENVIS, אשר מנבאים את המשימות הפחות גורמות ל-ACTD.

איכות הסביבה

ההרכבה הסופית של הכלי עוברת רטט, הלם, רכיבה על אופניים תרמיים והתאמה אלקטרומגנטית (EMC) בדיקות.ה bitstream הטיסה מאוחסן ב- PROM או פלאש מורעב במהלך ההשקה, ה-FPGA עשוי להישאר ללא מבוטח עד החללית מגיעה למסלול בטוח; אז bitstream הוא טעון מזיכרון אמין.

פיזור פרובנס ברחבי מערכת השמש

FPGAs כבר בלב כלי חלל במשך עשרות שנים.The Mars Exploration Rovers (Spirit and Opportunity) השתמשו ב-FPGAs עבור בקרת מנוע ורכישת נתונים.ChmCam של Curiosity, לוכד ספקטרום, ומעבד נתונים על לוח זמנים - כל אלה מופעלים על ידי FPGA ספציפי של חברת המחקר, הפונקציה Perseverance Rover לוקח את זה עוד: SuperCam, Mast-Z, ו-R-Ap-R2, כולל את לוח הבקרה של נאס"ל.

אתגרים עיצוב ועיסוקים טובים

גם עם כלים חזקים, פיתוח FPGA חלל מציג אתגרים ייחודיים.סגרת תזמון תובענית יותר כי המכשירים לרוץ בשעון איטי יותר (עשרות עד כמה מאות MHz) אבל יש עיכובים ארוכים בשל קרינת קרינה קשה.ריצוף צריך לשמור על לוגיקה קשורה יחד כדי להפחית את עיכוב החיבור הקפדני.I / O הקצאה חייב לכבד עיכובים חד-פעמיים ולהימנע מריצה עם חיישנים אנלוגיים, בנוסף לתקני תכנון (R) כגון CST) או תיקון (PT) של בדיקות (R) או תיקון (PT-PT-PT-PT) או MRI) דורשות (PT-PT-R) כולל בדיקות (PT-R) כולל בדיקות (PT-R) או MRI) כולל בדיקות (PT-R) כולל בדיקות מעקב (R) או MRI-R) או תיקון (R) או תיקון (PT-R) או תיקון (PT-R) דורשות (PT-R) של כל משימות מעקב (PT-R) כולל בדיקות מעקב קפדניות (PT-R) כולל בדיקות מעקב קפדניות (PT-R) כולל בדיקות מעקב (PT-R) של קיבולת של בדיקות (PT-R) של קיבולת של בדיקות מעקב (PT-R) כולל בדיקות מעקב (R)

עוד תרגול טוב יותר הוא להשתמש בכלים lint ואימות פורמלי כדי להוכיח את היעדרם של סוגים מסוימים של שגיאות (למשל, לא לולאות משולבות, לא מדינות בלתי ניתנות לחיזוי) קמפיינים של הזרקת הזרקה, שבו זעזועים אקראיים מוזרקים לסימולציה או אבטיפוס, לעזור לאמת כי המערכת מתאוששת כראוי תחת כל התנאים הצפויים.

טרנדים עתידיים: AI, Partial Reuration ו-Open Architectures

העשור הבא יראה ממשקי FPGAs עם יכולות למידה ממוחשבות מוטבעות. זיכרון גבוה פסווי (HBM) יאפשרו הזרמת מערך חיישן גדול לתוך מאיצים ברשת עצבית המיושמים במרקם ה-FPGA. טלסקופ חלל יכול לזהות באופן אוטונומי מעברי שטח או עקומות אור סופרנובה, ואז להתאים את תוכנית התצפית שלו בזמן אמת - ללא ציפייה להחלפת תצורה של מערכת מגנטית חדשה, כאשר הוא יכול היה לזהות מגנטית מסוגנן חדש, כאשר הוא יכול להזין מגנטי תיבות של מערכת הפעלה מחדש של מערכת מגנטית או מגנטית או ממתכת.

מעבדים רכים בקוד פתוח כמו RISC-V, בשילוב עם FPGAs ברמה החלל, מאפשרים למשימות להפעיל מחסני תוכנה קיימים לצד מאיצים חומרים מותאמים אישית.ה- VIRTEX-5QV מבוסס OBC-NG כבר לנצל את זה. Standards כמו SpaceVPX מספקים מטוסי גיבוי מודולריים התומכים בלוחות קרביים פחות FPGAs.

בעוד האנושות דוחפת לירח, למאדים ומעבר לכך, מהנדסי FPGA יישארו ב-Venguard.היכולת להתאים חומרה בטיסה, לשרוד קרינה, ולעבד נתונים עם מקבילות קיצונית אינה רק יתרון - זוהי יכולת חיונית לחקור את משימות העתיד הלא ידועות ל-icy Moons, חגורות אסטרואידים, ואפילו בדיקות בין כוכביות יהיו תלויים בחדשנות מתמשכת בטכנולוגיה של FPGA, מהירות קרינה קשה, כמו גם יכולת פיתוח גבוהה של פונקציות הנדסיות, כמו גם PG-מערכת אבטחה, אשר יש צורך לפתח את המורכבות של PG-ה.