Инновации в оборудовании для хранения и обработки данных космических аппаратов

Невидимый мозг современных миссий

Космические исследования вступили в золотой век сбора данных. Орбитальные обсерватории, планетарные роверы и зонды дальнего космоса теперь ежедневно генерируют терабайты научной информации. Тем не менее, способность собирать эти данные уже давно опережает способность хранить и обрабатывать их на борту. Последние инновации в аппаратном обеспечении для хранения и обработки данных космических аппаратов закрывают этот пробел, позволяя миссиям работать с беспрецедентной автономией, устойчивостью и интеллектом.

В этой статье рассматриваются конкретные проблемы управления данными в холодном, пропитанном радиацией вакууме космоса, а затем рассматриваются передовые решения для хранения и обработки, которые переписывают то, что могут сделать космические аппараты. От закаленных радиацией твердотельных накопителей до ускорителей искусственного интеллекта, оборудование, развивающееся сегодня, будет способствовать исследованию завтрашнего дня.

Почему управление данными космических аппаратов принципиально отличается

Управление данными на Земле тривиально по сравнению с ними. Сервер в климатическом центре обработки данных можно ремонтировать, заменять или обновлять по желанию. Космический корабль, находящийся в миллиардах километров от нас, не пользуется такой роскошью. Каждый компонент должен выдержать вибрацию запуска, экстремальные колебания температуры и постоянную бомбардировку ионизирующим излучением. Мощность ограничена, пропускная способность на Землю сильно ограничена, а физический объем измеряется в кубических сантиметрах.

Эти ограничения создают уникальный набор инженерных задач:

Эти факторы заставили инженеров переосмыслить каждый слой конвейера данных. Результатом стало поколение аппаратного обеспечения, которое одновременно более прочное, более эффективное и более способное, чем все, что летало в эпоху Аполлона или космического челнока.

Достижения в области оборудования для хранения космических аппаратов

От ленточных дисков к Flash: Тихая революция

Ранние космические аппараты полагались на магнитные магнитофоны. При этом они были механически надежными, они весили килограммы, потребляли значительную мощность и имели скорость чтения/записи, измеряемую в килобитах в секунду. Например, Space Shuttle использовал магнитофоны, которые хранили только около 100 мегабайт — меньше, чем фотография смартфона с низким разрешением сегодня.

Разворот к твердотельной памяти начался со статической RAM (SRAM) для критической телеметрии, но SRAM является летучим и энергоемким. За последние два десятилетия флэш-память NAND стала доминирующей средой хранения для космоса. Однако флэш-чипы, которые вы покупаете в потребительском SSD, не подходят для орбиты. Они страдают от расстроений одного события — перепадов битов, вызванных космическими лучами — и ухудшаются при радиационном воздействии. флэш-память с космическим рейтингом использует специальные процессы, большие литографические узлы для радиационной терпимости и надежные коды коррекции ошибок (ECC).

Такие компании, как Teledyne e2v, BAE Systems и Micron, в настоящее время производят модули NAND-флеш-памяти с радиационным закалением. Например, семейство флэш-памяти Teledyne e2v EV12AQ600 предназначено для выживания при суммарных дозах ионизирования выше 100 крад (Si) — порог для большинства низкоорбитальных миссий. По сравнению со стандартным коммерческим NAND эти части могут предлагать меньшую плотность хранения на чип, но они обеспечивают надежность, которая требуется миссиям.

Новые технологии памяти: MRAM, FRAM и резистивная RAM

NAND flash - не единственная игра в космосе. Несколько других энергонезависимых технологий памяти набирают обороты:

Каждая технология имеет компромиссы в плотности, скорости, выносливости и стоимости, но вместе они позволяют дизайнерам смешивать и сопоставлять типы памяти, чтобы соответствовать профилям миссий.

Упаковка и исправление ошибок

Аппаратное обеспечение для хранения данных в пространстве - это не только ячейки памяти. Упаковка одинаково важна. Модули заключены в закаленные радиацией пакеты, часто с дополнительными штифтами для избыточности. Большинство устройств хранения данных с квалификацией в пространстве используют трехкратное модульное избыточное количество (TMR) на уровне схемы, что означает, что каждый бит хранится в трех местах, и большинство голосов определяет правильное значение при считывании.

Коррекция ошибок на уровне программного обеспечения также гораздо более агрессивна, чем на Земле. На SSD с рейтингом космического пространства используются коды Рида-Соломона или LDPC (Low-Density Parity-Check) , которые могут исправлять десятки битовых ошибок на килобайт. Этот многоуровневый подход гарантирует, что один удар космического луча не повреждает ценные научные данные.

Для получения более подробной информации о закаленной радиацией памяти, программа NASA по электронным частям и упаковке содержит обширную базу данных протестированных компонентов.

Обрабатывающее оборудование: рост бортового интеллекта

Радиационные процессоры: от 386 до ARM

Потребность в закаленных радиацией процессорах привела к странному эволюционному следу.В то время как потребительские процессоры упаковывали миллиарды транзисторов в сокращающиеся узлы, космические процессоры часто использовали более старые, более крупные литографии, потому что они, естественно, более устойчивы к одномерным эффектам.

Знаменитый RAD750, основанный на архитектуре PowerPC 750, был рабочей лошадкой многих миссий НАСА с начала 2000-х годов. Он работает на частоте 110-200 МГц и обеспечивает примерно 0,7 MIPS (миллион инструкций в секунду) на милливатт — совершенно анемичен по стандартам смартфонов, но построен для выдерживания 200 крад и температур от —55 ° C до +125 ° C. Он летает на Mars Reconnaissance Orbiter, Curiosity и James Webb Space Telescope.

Сегодня маятник качается в сторону более современных архитектур. GR740 (квадкорный LEON4 SPARC) от Airbus и RISC-V на основе процессоров из Лаборатории реактивного движения НАСА в несколько раз быстрее, чем RAD750, сохраняя при этом толерантность к излучению. GR712RC и предстоящий GR764 демонстрируют явную тенденцию: космические аппараты становятся способными работать под управлением Linux и выполнять сложную обработку данных автономно.

FPGA: перепрограммируемый мозг для космоса

Полевые программируемые затворные массивы (FPGA) стали незаменимыми в современных космических аппаратах. В отличие от процессора общего назначения, FPGA можно настроить в пользовательскую цифровую схему, оптимизированную для конкретной задачи — сжатия изображений, фильтрации сигналов или вывода нейронной сети. Ключевое преимущество заключается в том, что FPGA могут быть переработаны на орбите посредством частичной реконфигурации, что позволяет обновлять алгоритмы после запуска.

Широко используются FPGA, сертифицированные по космическим стандартам от Xilinx (теперь AMD) и Microchip (ранее Microsemi].Xilinx Kintex-7, например, был выбран для Mars 2020 Perseverance марсохода для обработки изображений с его навигационных камер и поддержки автономной навигационной системы, которая направляла посадку.

FPGA также являются центральными для программно-определяемых радиостанций (SDR) в космосе, обеспечивая гибкую модуляцию и схемы кодирования, которые адаптируются к условиям соединения без необходимости аппаратных изменений.

Ускорители ИИ и подъем Edge Computing в космосе

Следующим шагом является развертывание моделей машинного обучения непосредственно на космических аппаратах. Вместо того, чтобы передавать все необработанные данные на Землю для анализа, космический корабль с возможностями ИИ может сортировать данные на борту — отбрасывая избыточные изображения, обнаруживая интересные геологические особенности или даже определяя цели возможностей для инструментов.

Проблема в том, что большинство ускорителей ИИ (GPU, TPU, NPU) не предназначены для космоса. Однако появляются специализированные закаленные радиацией чипы ИИ. Intel Myriad 2 и его преемник Myriad X были запущены в миссии CubeSat для классификации изображений на борту. В 2022 году команда под руководством ESA протестировала микрочип RTG4 FPGA, работающий с сверточной нейронной сетью для обнаружения облаков на спутнике Phisat-1, успешно демонстрируя обработку в реальном времени с общей мощностью 1,3 Вт.

Программа NASA SCaN (Space Communications and Navigation) активно разрабатывает Fault-Tolerant AI Accelerator, основанный на архитектуре рад-твердого дизайна. Этот чип направлен на доставку десятков тераопераций в секунду (TOPS) для дальних космических миссий, позволяя автономной навигации и научного анализа без ожидания часов для команды туда и обратно с Земли.

Потенциальное воздействие глубокое. Бортовой ИИ может позволить миссии, подобной Europa Clipper, обнаруживать шлейфы, направляться к ним и регулировать параметры прибора в режиме реального времени - возможность, которая просто невозможна, когда одностороннее отставание света превышает 30 минут.

Интеграция системы: связывание хранения и обработки вместе

Разделение аппаратных средств хранения и обработки является искусственным; настоящая магия происходит на системном уровне. Современные архитектуры космических аппаратов используют высокоскоростные межсоединения, такие как SpaceFibre (гигабит-в секунду последовательное соединение, предназначенное для пространства) для подключения модулей хранения, FPGA, процессоров и инструментов в единой сети передачи данных.

Например, Европейская система ретрансляции данных (EDRS) использует лазерный терминал связи с бортовым коммутатором маршрутизации, который обрабатывает данные в режиме реального времени и хранит их в массиве лучевой вспышки. Объединенная система хранения и маршрутизации обрабатывает скорость передачи данных до 1,8 Гбит / с — что потребовало бы стойку электроники десять лет назад.

Компрессионно-процессорный блок (CPU) на Солнечный орбитальный аппарат миссии объединяет процессор LEON3 с Xilinx FPGA и 64 ГБ закаленного флэш-памяти. Он может сжимать полный кадр изображения от инструмента PHI (около 10 МБ) до менее 1 МБ перед передачей, используя алгоритм на основе вейвлета, реализованный в ткани FPGA. Это сокращает время нисходящей линии связи на порядок.

Пример: Космический телескоп Джеймса Уэбба

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) представляет современное состояние в обработке космических данных. Его Solid State Recorder (SSR) — построенный SEAKR Engineering — содержит 115 гигабайт данных в радарном флэш-массиве NAND. Это может показаться скромным по сравнению с USB-накопителем, но учитывайте ограничения: SSR должен выдерживать самые холодные рабочие температуры (-266 ° C для инструментов) и среду запуска, которая раздавит большинство потребительской электроники.

SSR взаимодействует с компьютером RAD750, работающим на частоте 200 МГц. Даже при этой относительно скромной вычислительной мощности JWST может выполнять существенную обработку данных на лету: он усредняет несколько кадров экспозиции, вычитает фоны неба и сжимает изображения с помощью алгоритма безубыточного многокомпонентного преобразования . Результатом является то, что телескоп передает только ценные научные данные, максимально используя свое окно нисходящей линии связи в сеть Deep Space.

Для более глубокого изучения системы данных JWST документация Научного института космического телескопа предоставляет технические детали.

Будущие направления: Квантовая, фотоника и био-вдохновленное хранилище

Темпы инноваций не показывают признаков замедления. Несколько футуристических технологий переходят от лабораторных к прототипам космического оборудования:

Квантовая память для безопасного и высокопроизводительного хранения

Квантовая память, которая хранит информацию в квантовых состояниях атомов или фотонов, предлагает теоретическую плотность хранения в миллионы раз больше, чем классическая память. В то время как практическая космическая квантовая память все еще находится на расстоянии нескольких лет, эксперименты на Международной космической станции (например, FLT:2] Лаборатория холодного атома НАСА ] закладывают основу. Квантовая память также может обеспечить неразрушимые квантовые связи между Землей и зондами глубокого космоса.

Фотоника и оптическая обработка

Оптические межсоединения и фотонные процессоры уже разрабатываются для наземных центров обработки данных. В космосе оптические линии связи предлагают огромные преимущества в пропускной способности по сравнению с радио, но бортовая фотонная обработка остается нарожденной. Инициатива ESA по фотонике Инициатива по фотонике исследует кремниевые фотонные чипы, которые могут смешивать хранение данных и маршрутизацию с ультранизким энергопотреблением.

Био-вдохновленные и нейроморфные вычисления

Нейроморфные чипы пытаются имитировать нейронную архитектуру мозга, с синапсами и шипирующими нейронами. Эти чипы чрезвычайно энергоэффективны для задач распознавания образов. Intel Loihi 2 и IBM TrueNorth изучаются для космических применений, особенно для обнаружения аномалий в телеметрии домашнего хозяйства и для адаптивного управления роботизированными руками.

Самоисцеляющиеся и реконфигурируемые системы

Будущее оборудование может включать в себя возможность автономно обнаруживать сбои и перенастраиваться вокруг них. FPGA со встроенным впрыском радиационного сбоя тестированием уже может перенаправить логику вокруг поврежденных блоков. Исследователи из Калифорнийского университета разрабатывают самоисцеляющиеся цифровые схемы, которые используют запасные затворы и алгоритмы обхода маршрута для восстановления однособытийных расстройств в микросекундах.

Оригинальное название: The Next Revolution Is Onboard

Инновации в аппаратном обеспечении для хранения и обработки данных космических аппаратов не просто постепенны; они позволяют создавать совершенно новые концепции миссии. Сочетание радиационно-толерантного флэш-хранилища, высокоскоростных FPGA, многоядерных процессоров с радиационным закалкой и новых ускорителей ИИ означает, что космические аппараты больше не должны быть тупыми трубами обратно на Землю. Они могут думать, фильтровать и решать.

Преимущества очевидны: более низкие затраты на нисходящую связь, более быстрая возврат науки и способность реагировать на неожиданные явления в реальном времени. Для программы Artemis, Mars Sample Return и будущих межзвездных зондов эти аппаратные инновации являются невоспетыми героями, которые превратят амбициозные цели в достижимые миссии.

По мере того, как плотность хранения продолжает увеличиваться, а вычислительная мощность приближается к мощности потребительских устройств — сохраняя закаленную в космосе надежность — мы движемся к будущему, где CubeSat может нести процессорный эквивалент смартфона 2020-х годов. И этот смартфон, затвердевший против космоса, может быть тем, кто откроет первые признаки жизни за пределами Земли.