Uzay Keşif Araçlarındaki FPGA'ların eşsiz Rolü

Uzay keşif araçları, elektronik sistemlerin dayanabileceği sınırları zorlar. Ay yörüngesinin vakumlarından Jüpiter etrafında radyasyon kemerlerine, bu cihazlar aşırı ısınıcıları, sabit parçacık bombalayıcıları ve sıkı güç bütçelerinden farklı olarak, FPGA'lar (FPGA) yeniden yapılandırılabilir, çünkü yeniden yapılandırılabilirlik, hatta fiziksel olmayan hedefleri tanımlayabilecekler - bu m-tavize edilebilirlik analizlerini içeren bu majörleri eşleştiremez.Uygulamaya dayalı tümleşik devreleri ayırt edebilirler.

FPGA Mimarisi: Uzay için Neden Önemli

Bir FPGA, her bağlantıyı tanımlayan bir CPU'ya (DSP) dilimlerden, blok RAM (BRAM) ve bağlantılı telleri kullanarak tasarım donanım devrelerinden oluşur.Bu paralellik, VHDL veya SystemReallog kullanarak, ve sentez araçları haritasını, her bağlantıyı tanımlayan bir CPU'ya göre, ki bu talimatları aynı zamanda bir FPGA, aynı zamanda bir FPGA, sabitleyici veri kanallarını çalıştıran uzay araçları için kritiktir.

Radyasyonun toparlanmış ve radyasyona maruz kalan FPGA'lar toplam iyonize doz (TID) ile kombine edilen ve nanoxplore'in Avrupa kaynaklı bölgelerinin, her aile ticaretinin mantığının, güç tüketiminin ve örneğin, manyetik disklerin doğrulanması için daha fazla gerekli olan optik diskin geliştirilmesini gerektiren özel süreçler üzerinde yoğunlaşmıştır.

Geleneksel Süreçtörler Üzerindeki Avantajları

FPGA'ların faydaları ham performansın ötesine geçerler. Temel olarak görevlerin veri işleme ve güvenilirlik ile nasıl yaklaştığını değiştirirler.

  • [FONT:0]On-Orbit Reurasyon: Tek bir bitimli bir tasarım kusurunu düzeltebilir, bir kompresyon algoritmasını güncelleyebilir veya yeni bir bilim hedefi için bir araç yeniden tasarlayabilirsiniz. James Webb Space Teleskobunun ilk uç gözlemlerine dayanan radar işlemesini ayarlayacaktır.
  • [FONT:0)Exploiting Paralelism:[DÜT:1) Bilimsel ödeme yükleri, 20 milisaniye içinde lazer kaynaklı bir kesintiye neden olacak şekilde, gerçek zamanlı filtreleme, olay tespiti ve veri azaltımı gerektiren bir görev. Benzer şekilde, Perbata dayalı gerçek zamanlı işlemden oluşan bir DSP kümesini kullanarak, FPGA-indüklenen gerçek zamanlı olarak işlemden yararlanarak, CO-indüklenen gerçek zamanlı olarak şarj edilebilir.
  • [FONT=0]Geçmişlik Hoşgörüleri Tasarım tarafından: FPGAs, üç modüler Kızılüpsiyon (TMR) gibi kullanıcı tarafından uygulanan yanlışlık için, devlet makinesinin BRAM'a yönelik düzeltme kodları ve hata düzeltme kodları anlamına gelir.Bu esneklik, sistem ticari bir işlemciye çarpacak çok fazla üzgün hayatta kalabilir.
  • [FONT=0)Power Verimliliği:[Dönetici: 0,3|Dönetici:0) Güç verimliliği: [Dönetici: 0,8|Dönetici], güneş enerjisinin sınırlı olduğu bir alanda, her milimetrenin de düşük frekanslı bir gücü vardır, çünkü konfigürasyon hücreleri genellikle yüksek çözünürlükte olmayan ve sızdırılmayan bir CPU.
  • [FONT:0)Deterministic Timing:[Dönetici tabanlı CPU üzerinde çalışan yazılımların aksine, FPGA mantığı öngörülebilir bir yayılım gecikmeleri ile çalışır.Bu determinism, ses aralıkları veya spektrometre senkronizasyonu gibi zaman duyarlı araçlar için önemlidir, jitter'in bir nanosaniyeden daha az olması gerekir.

Radyasyonlar ve Katmanlı Mitigation Strategies

Uzay radyasyonu ortamı, birden fazla soyutlama seviyesinde ele alınması gereken çeşitli tehditler sunar. Galaktik kozmik ışınları, güneş parçacık olayları ve tuzağa düşüren protonlar hem de geçici etkilere neden olur. Mühendisler, bir savunma- derinlemesine yaklaşım kullanırlar, cihaz-düzeltme ile birlikte bir araya gelir.

Toplam Ionizing Dose (TID) ve Displacement Hasarı

Zaman içinde, radyasyonun silikon oksit tabakalarında şarj tuzaklarını bir araya getirdiği, transistör eşiği değiştirip performans azalttığını belirtti. Radyasyon tohardized FPGAs, uzmanlaşmış oksit kalınlığını kullandı, sertleştirilmiş kapı yapıları ve kritik analog devrelerde 100 krad (Simpson) üzerindeki hasarları dikkate almak için kırmızı devreleri kontrol ediyor.For 100 krad TID için de test edilen Microtron cihazını onaylarken.

Tek- Event Effects (SEE)

SEE, hafıza hücrelerini oluşturan tek bir yol üzgünleri (SEU) içerir, çünkü donanım mantığını değiştirirler veya katmanlarda Mitigation uygulanır:

  • [FONT:0)Triple modüler Redüpcy (TMR): Her kritik geri dönüş ve devlet makinesi üçlüsü de karmaşıktır ve çoğu oy veren, Mentor Grafikten (şimdi Siemens) ve Xilinx (Vivado TMR) otomatik olarak TMR'yi net liste düzeyinde uygulayabilir.
  • [FONT:0)Configuration Scov: [Dönetici: 1) Bir radyasyon-hardized tıber devre sürekli olarak her FPGA'nın bellekini okur, CRC veya ECC'yi kullanarak hataları tespit eder ve hataları doğru çerçeveler yazabilirsiniz. Bu, hataların birikimini önler.
  • BRAM'da (EDAC) Eror Tespit ve Düzeltme (EDAC): ) Blok RAM Hamming kodları veya Reed-Solomon kodları ile gerçek zamanlı olarak tek bir hata tespit eder ve iki-bit hataları tespit eder.
  • [FONT=0)SEFI Recovery:[Dönetici:[Dönetici: 0) Bir saatdog zamanılayıcı veya dış izleme FPGA, etkilenen bölgede donmuş bir arayüz ve güç döngüsü tespit edebilir veya yeniden yapılandırılır. Bazı görevler küçük bir arkadaş anti-feksiyon FPGA (örneğin Microsemi’nun RT) ana FPGA'yı yeniden yükleyemez.
  • [FONT=0] Tasarım Çeşitliliği:[Döneticileri:[Döneticileri) Diğer iki bağımsız ekip, farklı RTL kodu kullanarak aynı kritik işlevi tasarlar.Eğer bir versiyon bir tasarım hatası veya radyasyon kaynaklı yol acı çekerse, diğer hala doğru sonuçlar üretir.Bu teknik yüksek çözünürlükte yaygındır ve uzay araçları için genişletilmiş yaşam süresine göre daha fazla kabul edilir.

[FONTA'nın teknik raporları sunucusu[[Dönetici:0] Belgeler, bu teknikleri temel görevlerde kullanılan cihazlar için doğrulayan birçok radyasyon test kampanyasını belgeliyor.

Deep Space için ısı ve güç mühendisliği

Uzaylı elektronik, geniş sıcaklık hızları ve konvektif soğutma yokluğu ile karşı karşıya kalır. Bir FPGA bir Ay arazisi, ısı kontrol edilemezse ısı dağılımını görebilir.

Sonlu elemanlar modelleri (FEM) kullanarak termal yüzeyler, ısıtılırlar, ısıtılırlar ve malzeme seçimi. Yüksek-termal-conductivity substratları, örneğin alüminyum nitrit veya bakır-molybdenum laminatları gibi, tüm ısıtılır.

Güç tüketimi bir çift problemdir: statik güç sıcaklıkla üst üste yükselir, bu yüzden sıcak bir FPGA daha fazla sızıntı akımı tüketiyor. Tasarımcılar, kullanılmayan mantık, güç adalarının tüm bölgeleri ve değişken temel gerilimi ortadan kaldırmak için (örneğin, 0.9V düşük güç modunda, 1.0V, tam performans için).

Uçuş-Ready FPGA Design döngüsü

Derin bir alanda uçacak bir FPGA oluşturmak, konseptten nihai niteliklere kadar titiz bir mühendislik talep edecektir. Süreç, genellikle ECSS-Q-ST-60-02C veya NASA'nın EEE-INST-002 gibi standartları takip etmektedir.

Gereksinimler ve Mimarlık

Bilim ekibi veri oranları, geç kalmışlık ve arayüz standartları (SpaceWire, MIL-STD-1553 veya özel LVDS) Bir ticaret çalışması FPGA'nın her bir kitle için ana kontrol veya bir ortak işlem cihazı olarak hareket ettiğine karar verir, BRAM ve DSP dilimleri tahmin edilir ve bir cihaz paralel donanım bloklarına bağlanır. Örneğin, bir kitle spektrometre cihazı her bir DSP dilim için bir DSP dilim, aynı anda tüm kanalların ölçümünü sağlar.

RTL Design ve Simülasyon

Donanım açıklaması dilleri (VHDL veya Verilog) uyumlu mantığı yakalar. Yazılım aksine, tasarımcı her şubeyi takip eder ve zamanlama kısıtlamaları kullanarak, belirli hataların sınıflarını, örneğin Siemens Questa veya Cadence Xcelium gibi araçlarla kapsamlı bir test yürütür.

Prototipleme ve Donanım-in-Loop (HIL)

Tasarım, bir ticari sınıf geliştirme kurulu için sentezlenir (aynı FPGA ailesi ama endüstriyel sıcaklık sınıfı). Sensör simülatörü ve araç dinamikleri modelleri gerçek zamanlı verileri besler. HIL testleri zemindeki gibi sorunlarla karşılaşır, sinyal bütünleme problemlerini veya zamanlama ihlallerini ortadan kaldırır - bu saf simülasyonları doğrulayabilir.Örneğin, Mars 2020 Peracance rover'ın SuperCam FPGA, HIL testlerini tek bir saat döngülerine doğru doğru doğrulayarak doğrulayabilir.

Radyasyon Sertliği Güvencesi (RHA) Test

Uçuş temsil eden kurullar Texas A&M University's Cyclotron Institute veya Brookhaven National Laboratory gibi tesislerde ağırlığa ve proton kirişlerine maruz kalıyorlar. FPGA, mevcut olan mevcut durumu takip edene kadar tam uçuş donanımını yürütüyor (örneğin, on yıl boyunca SEU kesitleri ve kurtarma davranışını ölçüyor). CREME96 veya SPENVIS gibi Jüpiter'in yakın veya daha yüksek enerji kayıplarına yol açan görevlere sahip olduğu gibi, yüksek enerji kayıplarına yol açıyor.

Çevresel Kazanılan Derece

Son araç meclisi vibrasyon, şok, termal-vacuum bisiklete ulaşır ve elektromanyetik uyumluluk (EMC) testinden itibaren uçuş biraz daha radyasyona dayanıklı PROM veya flaş sırasında depolanır.UsGA[Döneticileri değiştirmiş)[Döneticileri güvenli bir yörüngeye ulaşır; o zaman küçük kodlu tüm yedekler ve bunların hepsi güvenilir hafızalar dahil olmak üzere dört yıl boyunca.

Proven Deployments Across the Solar System

FPGA'lar uzay aletlerinin kalbinde on yıllardır uçtular. Mars Keşif Rovers (Spirit ve Fırsat) motor kontrolü ve veri satın alma için FPGA görüntülemesini kullandı. Curiosity'nin ChemCam yangınları bir lazer, spectra ve süreçler veri tahtasında - tüm bir FPGA görevinden geçti.

Tasarım Challenges ve En İyi Uygulamaları

Güçlü araçlarla bile, uzay FPGA gelişimi eşsiz zorluklar sunuyor. Timing kapanışı daha talep ediyor çünkü cihazlar daha yavaş saatlerde çalışır (birkaç yüz MHz'e kadar) ancak ECSS-Q-ST-60-02C (Avrupa misyonları için) veya MIL-F-FI-34 (ABD için) gibi standartlarda geçiş yapmak için her adımın titiz belgelenmesi gerekir.

Diğer en iyi uygulama, belirli hataların sınıflarının (örneğin, farklı VHDL stilleri kullanarak aynı işlevi tasarlayamaz) Sistemin tüm beklenen koşullar altında doğru şekilde kullanılmasını doğrulamak için lint araçları ve resmi doğrulama kullanmaktır.Ayrıca, sistem her türlü yüksek uygulanabilirliği kontrol etmek için doğru bir şekilde iyileştirici programlar da yetkilendirmek için tasarlanmıştır.

Future Trajectories: AI, Partial Reurasyon ve Açık Mimarlıklar

Sonraki on yıl radyasyona dayanıklı FPGA'lar gömülü makine öğrenme yetenekleri ile görecek. Yüksek bant genişliği hafıza (HBM) arabirimleri, FPGA kumaşında uygulanan büyük sensör dizilerini nöral ağ hızlandıracak. Bir uzay teleskopu, gezegensel bir ışık eğrilerine girildiğinde yeni bir filtreleme zincirini otomatik olarak tanımlanabilir.Bu konsept zaten zemin işlemesi için test edilemez.Partal yeniden yapılandırma modları kullanarak.

RISC-V gibi açık kaynak yumuşak işlemciler, uzay-grad FPGA'lar ile bir araya getirilen Uzaylı FPGA'lar ile birlikte mevcut yazılım yığınlarını özel donanım hızlandıracak şekilde çalıştırabileceklerdir. Avrupa Uzay Ajansının VIRTEX-5QV tabanlı OBC-NG, bu statik araçları zaten kullanıyor.

İnsanlık Ay'a itiyor gibi, Mars ve ötesinde, FPGA mühendisleri minibüslerde kalacak ve hatta FPGA teknolojisindeki donanıma uyum sağlama yeteneği, aşırı paralellik ile veri işleme sadece bir avantaj değil - hafıza kontrollerini entegre etmek için önemli bir yetenektir.