未來就在眼前

摘要

太空飛行系統(tǒng)在過去的60年里經(jīng)歷了快速的發(fā)展。從軍事，到氣象，到地球觀測，再到電信（特別是隨著5G網(wǎng)絡(luò)的全球發(fā)展），一個技術(shù)問題貫穿始終 —— 如何選擇和實(shí)現(xiàn)一款快速、可靠的宇航級微處理器。其基本要求包括計(jì)算能力/速度、尺寸、重量、功耗和成本，以滿足耐輻射太空/衛(wèi)星發(fā)展的挑戰(zhàn)和適應(yīng)性。未來最先進(jìn)的密集計(jì)算需要下一代的COTS(商用貨架產(chǎn)品)宇航級耐輻射處理器，而Teledyne e2v的"LS1046-Space"四核ARM^? Cortex^?-A72微處理器將為未來幾十年的太空/衛(wèi)星發(fā)展的密集計(jì)算需求帶來革命性的變化。NXPQorIQ^? LS1046的GHz級高性能數(shù)據(jù)處理能力（30K DMIPS@1.8GHz)、天然高速接口和便利的軟件編程（和重配置能力），以及Teledyne e2v經(jīng)過驗(yàn)證的耐輻射技術(shù)，使其成為用于智能密集計(jì)算太空/衛(wèi)星平臺的最合適的器件。

傳統(tǒng)太空與新太空: 性能和實(shí)用性的最前沿

“新太空”指的是最近正在進(jìn)行的太空發(fā)展的商業(yè)化。太空/衛(wèi)星的研發(fā)團(tuán)隊(duì)必須選擇和實(shí)現(xiàn)耐輻射電子器件，并結(jié)合最新的最先進(jìn)的COTS技術(shù)，以在性能和實(shí)用性之間獲得平衡。在消費(fèi)電子產(chǎn)品（游戲、手機(jī)、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)）快速崛起之前，政府/軍用電子占半導(dǎo)體工業(yè)產(chǎn)出的很大比例。這導(dǎo)致軍事和航天機(jī)構(gòu)對正在開發(fā)的新產(chǎn)品的類型和制造工藝有很大的影響。現(xiàn)在，這種情況已不復(fù)存在，因?yàn)檐娛潞秃教焓袌龅囊?guī)模（與商業(yè)市場相比）并不大， 不能吸引半導(dǎo)體供應(yīng)商的大量投資。這使得宇航/衛(wèi)星的研發(fā)團(tuán)隊(duì)必須測試和篩選之前作為COTS集成電路開發(fā)的器件，并用于宇航項(xiàng)目中。

宇航/衛(wèi)星的發(fā)展包含兩種基本的設(shè)計(jì)方法：

1. 傳統(tǒng): 使用故障率非常低、價(jià)格高昂的防輻射（rad-hard）的專用半導(dǎo)體，這些器件通常沒有使用最新的技術(shù)

2. 新太空: 更關(guān)注保證任務(wù)功能，愿意使用耐輻射（rad-tol）的COTS器件，這些器件使用最新的技術(shù)，性能卓越鑒于絕大多數(shù)的新太空衛(wèi)星都在近地軌道（LEO）上運(yùn)行，其輻射環(huán)境不會非常極端，出現(xiàn)災(zāi)難性輻射故障的風(fēng)險(xiǎn)也較低（LEO是距地球300km到1000km之間的軌道）。因此，這兩種設(shè)計(jì)方法（傳統(tǒng)和新太空）開始融合，使太空/衛(wèi)星的開發(fā)除了傳統(tǒng)的防輻射、密封陶瓷封裝之外，開始接受一些耐輻射、非密封的有機(jī)封裝產(chǎn)品。

在過去的幾十年里，在傳統(tǒng)防輻射器件成本上升的背后有很多推動因素：

1.防輻射設(shè)計(jì)（包括SOI工藝等）

2.點(diǎn)屏蔽

3.錯誤糾正碼（ECC）存儲器

4.三模冗余（TMR）等

近年來，人們也在努力通過使用創(chuàng)新的防輻射技術(shù)、大批量的商業(yè)晶圓加工以及諸如ARM微處理器（例如：LS1046- Space），降低傳統(tǒng)防輻射器件的成本。這些可被用于密集計(jì)算的耐輻射平臺系統(tǒng)。最先進(jìn)的計(jì)算能力和耐輻射的可靠性促進(jìn)傳統(tǒng)太空開發(fā)與新太空開發(fā)的融合（見下面的圖1）。

圖1 隨著質(zhì)量、可靠性和成本的上升（從塑料到陶瓷封裝），CPU的性能顯著下降。交叉點(diǎn)是宇航COTS-SCD

當(dāng)然，影響宇航電子系統(tǒng)的總體成本和可靠性的另一個主要因素是軟件。若能使用最新的商業(yè)軟件開發(fā)工具，將對開發(fā)宇航/衛(wèi)星平臺帶來極大的好處。在創(chuàng)建并驗(yàn)證了可靠的軟件模塊之后，若能重用這些模塊，也會非常有利于開發(fā)。特別是新太空領(lǐng)域，已經(jīng)顯露出一種使用軟件可編程架構(gòu)的趨勢，這種架構(gòu)可以非常迅速地開發(fā)、調(diào)整和重用。這減少了產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間，并通過重用已知的良好的軟件模塊提高了可靠性。

衛(wèi)星的研發(fā)也可按照小衛(wèi)星和大衛(wèi)星分為兩類。隨著技術(shù)的進(jìn)步，小衛(wèi)星為太空服務(wù)和應(yīng)用提供了一個低成本的框架，其更輕的重量便于發(fā)射，設(shè)計(jì)成本低廉，允許將任務(wù)分解。小衛(wèi)星是在很短的時(shí)間內(nèi)利用最先進(jìn)的COTS技術(shù)建造的，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，同時(shí)減小對復(fù)雜機(jī)制和可部署結(jié)構(gòu)的依賴。

立方體衛(wèi)星的發(fā)展體現(xiàn)了太空商業(yè)化的明顯特征。它的主要目的是為小型衛(wèi)星定義一個標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口和部署系統(tǒng)。立方體衛(wèi)星(1U)的基本結(jié)構(gòu)是一個10cm寬、質(zhì)量可達(dá)1.3kg的立方體，可以自主工作。因此，更大尺寸（10x10x20cm, 10x10x30cm, 10x20x30cm, 20x20x30cm）的立方體衛(wèi)星（2U, 3U, 6U, 12U）可以采用類似的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。這些小衛(wèi)星的研發(fā)成本很低，足以吸引越來越多的客戶的興趣，包括宇航局、新太空私營公司和研究所。

目前，新太空的設(shè)計(jì)方法的趨勢是將立方體衛(wèi)星用于低成本的宇航服務(wù)和任務(wù)。相對于載荷，立方體衛(wèi)星可以執(zhí)行的任務(wù)范圍是一個重要的問題。立方體衛(wèi)星在重量和體積方面有嚴(yán)格的限制。因此，如何改進(jìn)傳統(tǒng)的載荷，使其可以被集成在立方體衛(wèi)星中，是一個很大的挑戰(zhàn)。在討論立方體衛(wèi)星的載荷適配問題時(shí)，必須考慮下面的兩個關(guān)鍵因素：

1. 電子小型化: 用較少的微處理器滿足整個系統(tǒng)的計(jì)算要求，同時(shí)功耗低、重量輕

2. 成本: 建造和發(fā)射多顆立方體衛(wèi)星比建造帶有冗余平臺的單一載荷大空間架構(gòu)（LSS）便宜

實(shí)現(xiàn)密集計(jì)算太空/衛(wèi)星平臺和服務(wù)

當(dāng)今全球驅(qū)動的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境市場對密集計(jì)算太空/衛(wèi)星平臺和服務(wù)要求更高的自主性和更高的定位精度。這需要耐輻射密集計(jì)算微處理器和防輻射微控制器（圖2），以及可用的人工智能(AI)和機(jī)器語言(ML)軟件。此外，對小型彗星和小行星的高精度空間定位，月球和行星的進(jìn)入、降落和著陸（EDL），以及與合作和非合作目標(biāo)的會和和接近操作（RPO）都需要基于視覺的軟件和硬件系統(tǒng)提供的傳感和感知能力。如前所述，之前這類技術(shù)幾乎完全是采用“傳統(tǒng)方法”開發(fā)的。但是現(xiàn)在，新太空/私營公司也在積極推動基于視覺的技術(shù)的發(fā)展，如自主衛(wèi)星服務(wù)、登月、基于視覺的AI和機(jī)器學(xué)習(xí)。

隨著人工智能(AI)和機(jī)器語言(ML)軟件的開發(fā)越來越容易，能夠滿足必要的密集計(jì)算負(fù)載需要的可靠的耐輻射微處理器(LS1046-Space)變得必不可少。單個智能密集計(jì)算衛(wèi)星平臺也可成為新的太空星座（或衛(wèi)星群、衛(wèi)星簇）的一個組件。傳統(tǒng)和新太空的設(shè)計(jì)方法不斷提出分布式架構(gòu)，使宇航產(chǎn)業(yè)發(fā)生了巨大的變化。

在衛(wèi)星群和衛(wèi)星簇中實(shí)現(xiàn)的分布式宇航系統(tǒng)(DSS)，將提升可重新配置的能力，提高靈活度、升級能力、響應(yīng)度，并適應(yīng)結(jié)構(gòu)和功能的變化?；谛『教炱鞯拇笮l(wèi)星群可在任務(wù)運(yùn)行的時(shí)候升級或替換有缺陷的部件，增強(qiáng)任務(wù)的自主性。衛(wèi)星群和衛(wèi)星簇的DSS包含一系列自主衛(wèi)星，這些衛(wèi)星的任務(wù)相同，并需要通過通信和協(xié)作來實(shí)現(xiàn)這個任務(wù)。在衛(wèi)星簇中，衛(wèi)星以緊密的編隊(duì)運(yùn)行，人們需要精確地觀察和控制衛(wèi)星的位置和姿態(tài)，以協(xié)調(diào)它們的行動。

除了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自動化（衛(wèi)星群和衛(wèi)星簇星座）之外，由于全球移動設(shè)備和無線接入的應(yīng)用，即將到來的綜合5G衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)也將在規(guī)模和復(fù)雜度方面顯著增加。在大多數(shù)情況下，由于復(fù)雜的環(huán)境和太多的不確定性，很難找到合適的陸地 – 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理模型。對于這樣的開發(fā)，研發(fā)快速、高質(zhì)量的分析模型并不總是可行的選擇。因此，隨著“傳統(tǒng)的”網(wǎng)絡(luò)管理的測試和驗(yàn)證方法的復(fù)雜性和可靠性的要求不斷提高，研發(fā)工作將是一件具有挑戰(zhàn)性、耗時(shí)并耗資的工作。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商越來越不愿意在未測試/未優(yōu)化的情況下部署復(fù)雜的衛(wèi)星電信網(wǎng)絡(luò)。而具有密集計(jì)算能力、自我優(yōu)化和自我組織能力，采用AI和ML技術(shù)的智能衛(wèi)星，非常適合這種復(fù)雜的應(yīng)用。

電信、數(shù)據(jù)采集/服務(wù)和地球觀測

衛(wèi)星電信正在進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)展，在新星座類型、星上處理能力、非地面網(wǎng)絡(luò)和天基數(shù)據(jù)采集/處理等領(lǐng)域發(fā)展迅速。一些最有前途的應(yīng)用正在開發(fā)中：5G集成、空間通信、地球觀測、航空和海洋跟蹤和通信。此外，基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也正在開發(fā)中，其更關(guān)注用于數(shù)據(jù)服務(wù)（包括寬帶數(shù)據(jù)）的航天級系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集和服務(wù)

通常用來：

1. 以流媒體代替線性媒體廣播

2. 迫切需要將寬帶覆蓋擴(kuò)展到服務(wù)不足的地區(qū)（例如發(fā)展中國家、航空/海洋、農(nóng)村等）

此外，5G集成的一個重要里程碑是多種有線和無線技術(shù)的融合。在這方面，衛(wèi)星電信的發(fā)展使得利用智能/自適應(yīng)衛(wèi)星核心密集計(jì)算微處理器，針對特定應(yīng)用的集成變?yōu)榭赡堋?/p>

新星座配置（傳統(tǒng)的GEO衛(wèi)星）主要用于衛(wèi)星通信，因?yàn)槠淇杀苊饨K端和衛(wèi)星收發(fā)機(jī)之間的快速移動，并允許使用單個衛(wèi)星進(jìn)行廣泛覆蓋。人們也專門開發(fā)了多波束衛(wèi)星系統(tǒng)，以便在覆蓋區(qū)域里實(shí)現(xiàn)有效的頻率復(fù)用和高吞吐量寬帶率，類似于地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)。此外，由于先進(jìn)的通信技術(shù)和低發(fā)射成本的驅(qū)動，新星座配置也在開發(fā)中。在這個方面， 人們有很大的興趣研發(fā)大型LEO星座，以提供低延遲的大吞吐量寬帶服務(wù)。

星上處理能力一直是高級衛(wèi)星電信發(fā)展的瓶頸。大多數(shù)的衛(wèi)星作為中繼運(yùn)行，主要用于轉(zhuǎn)換、放大和轉(zhuǎn)發(fā)通信信號，因此星載微處理器需要高速DMIPS處理能力。由于衛(wèi)星進(jìn)入軌道后無法修復(fù)或更換，星載微處理器和相應(yīng)的技術(shù)必須是快速、超可靠和耐輻射的。最近的計(jì)算效率技術(shù)的發(fā)展以及新的數(shù)字處理器件（如Teledyne e2v的LS1046-Space四核ARM^?Cortex^?-A72微處理器）允許增強(qiáng)的星上處理，可用于創(chuàng)新的通信技術(shù)，如靈活路由/信道化、波束形成、自由空間光學(xué)甚至是信號再生。LS1046-Space的四核架構(gòu)采用3路無序解碼、Speculative issue和超標(biāo)量管線技術(shù)。此外，使用可用的ARM軟件模塊，LS1046-Space 能夠完全滿足星上電信的處理的需求，也支持在衛(wèi)星生命周期里升級。

在地面物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器/傳感通信方面，盡管該技術(shù)采用了低成本的復(fù)雜傳感器/執(zhí)行器，全球傳感器的絕對數(shù)量將產(chǎn)生可觀的通信流量，從而對未來的空間通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生巨大影響。因此，未來的衛(wèi)星需要通過回程技術(shù)卸載地面網(wǎng)絡(luò)的工作，或僅在地面網(wǎng)絡(luò)無法達(dá)到的時(shí)候保證服務(wù)的連續(xù)性。這個特殊的應(yīng)用可根據(jù)衛(wèi)星支持的項(xiàng)目和物聯(lián)網(wǎng)傳感器在地面上的分布方式來分類。例如：“廣域”物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)分布在廣闊的區(qū)域，并由中央服務(wù)器控制匯報(bào)信息。衛(wèi)星可發(fā)揮“廣域”作用的典型應(yīng)用包括：

1. 能源：對石油/天然氣基礎(chǔ)設(shè)施（如管道狀態(tài)）的關(guān)鍵監(jiān)視

2. 交通：車隊(duì)管理、資產(chǎn)跟蹤、數(shù)字標(biāo)牌、遠(yuǎn)程道路警報(bào)

3. 農(nóng)業(yè)：牲畜管理、養(yǎng)殖

4. 本地物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)：這類應(yīng)用中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備用于采集本地?cái)?shù)據(jù)并報(bào)告給中央服務(wù)器。典型的應(yīng)用包括智能電網(wǎng)子系統(tǒng)（高級計(jì)量）或車載移動平臺服務(wù)（如貨輪、卡車或火車上的集裝箱）

5. 航空和海事跟蹤與通信：這些系統(tǒng)通常和其他類型的設(shè)備對設(shè)備（D2D）通信和物聯(lián)網(wǎng)有相似之處。這些相似之處包括低數(shù)據(jù)率、通信的偶發(fā)性和協(xié)議的簡單性。

空間防御和網(wǎng)絡(luò)安全

世界各地的國防部和國防機(jī)構(gòu)都從傳統(tǒng)和新太空的商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)展中受益。這些機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用商業(yè)衛(wèi)星“托管”他們的傳感器和/或通信包可以更快、更經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)在軌能力。通過與商業(yè)公司分擔(dān)開發(fā)、發(fā)射和地面系統(tǒng)的費(fèi)用，能大大降低成本。使用托管的載荷也可幫助促進(jìn)在軌的“載荷擴(kuò)散”，使對手難以摧毀整個系統(tǒng)。隨著商業(yè)電信衛(wèi)星數(shù)量的迅速增加，國防機(jī)構(gòu)能夠開發(fā)用于空中和海上的防空應(yīng)用的互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)。

“托管”背后的想法是簡單地利用正在開發(fā)的商業(yè)通信衛(wèi)星星座，以降低國防成本，并提高可靠性和數(shù)據(jù)吞吐量。例如，在這一領(lǐng)域的許多核心項(xiàng)目中，國防機(jī)構(gòu)正在開發(fā)利用持續(xù)可用的大帶寬、超視距通信技術(shù)，在各種固定和移動的操作位置之間無縫轉(zhuǎn)移和共享數(shù)據(jù)的能力。這種新能力被稱作“路徑無關(guān)通信”，因?yàn)樗管娛掠脩裟軌蚩煽康嘏c世界上的任何地點(diǎn)通信，無需特別規(guī)定使用通訊網(wǎng)絡(luò)的某個節(jié)點(diǎn)。由于以商業(yè)衛(wèi)星為基礎(chǔ)的商業(yè)空間互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，研發(fā)路徑無關(guān)的通信系統(tǒng)變?yōu)榭赡?。如前所述，商業(yè)宇航/衛(wèi)星公司計(jì)劃建立由數(shù)百至數(shù)千顆衛(wèi)星組成的太空互聯(lián)網(wǎng)星座，從而促進(jìn)全球互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的發(fā)展。隨著宇航發(fā)展的技術(shù)和成本障礙逐漸減少，更多的國防機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司在衛(wèi)星建設(shè)、太空發(fā)射、太空探索和載人航天方面廣泛合作。雖然這些進(jìn)步創(chuàng)造了新的機(jī)會，但是空間服務(wù)也顯現(xiàn)了新的風(fēng)險(xiǎn)。某些國防機(jī)構(gòu)在了解到太空行動的優(yōu)勢后，轉(zhuǎn)而發(fā)展威脅其他國防機(jī)構(gòu)利用太空的能力。這種能力包括太空行動和反太空系統(tǒng)，如干擾和網(wǎng)絡(luò)空間的能力等。

在國防和網(wǎng)絡(luò)安全方面，NSA的一個例子是機(jī)密行動的商業(yè)解決方案（CSfC）。CSfC允許開發(fā)人員在如何設(shè)計(jì)和組織機(jī)密/敏感數(shù)據(jù)方面具有更大的靈活性，同時(shí)依然保持較高的IT安全標(biāo)準(zhǔn)。與強(qiáng)制使用政府現(xiàn)貨(GOTS)設(shè)備不同，CSfC 使開發(fā)者能夠利用商用貨架產(chǎn)品(COTS)和微處理器構(gòu)建替代的解決方案，從而為網(wǎng)絡(luò)安全提供更大的技術(shù)靈活性（如Teledyne e2v的LS1046-Space四核ARM^? Cortex^?-A72微處理器）。CSfC解決方案必須符合一套嚴(yán)格的安全要求，例如，希望發(fā)送和接收移動數(shù)據(jù)（包括語音和視頻電話）的用戶需要使用雙VPN隧道加密數(shù)據(jù)。通過CSfC構(gòu)建的雙VPN隧道將快速創(chuàng)建解決方案，并具有更強(qiáng)的計(jì)算能力和更高的可靠性。

空間級應(yīng)用的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)

面對日益復(fù)雜、變化的環(huán)境，為了適應(yīng)不斷變化的系統(tǒng)需求，太空/衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)朝著自動化和自主運(yùn)行的方向發(fā)展。系統(tǒng)內(nèi)部對“智能”和“密集計(jì)算”的需求也在呈指數(shù)級增長。下面是關(guān)于系統(tǒng)級智能的設(shè)計(jì)和發(fā)展的一些基本術(shù)語：

1. AI: 人工智能。計(jì)算機(jī)執(zhí)行需要人類智能的任務(wù)。

2. ML: 機(jī)器學(xué)習(xí)。一種AI的應(yīng)用程序，提供輸入以自動訓(xùn)練計(jì)算機(jī)模型如何工作。學(xué)習(xí)通常是通過一個“訓(xùn)練”模型的應(yīng)用來監(jiān)管的，被稱作“推理”。利用群集分析，學(xué)習(xí)也可在無監(jiān)管的情況下進(jìn)行。

3. NN: 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。一類ML算法，既可以是CNN(卷積)，也可以是RNN(遞歸)。

4. DL: 深度學(xué)習(xí)。使用大神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的ML。

5. CV: 計(jì)算機(jī)視覺。計(jì)算機(jī)中用于感知圖像的技術(shù)。

根據(jù)以上定義，AI和CV之間的層級結(jié)構(gòu)是顯而易見的。密集計(jì)算“并行”處理，與“分層”處理，都是微處理器和軟件所需要的。所需的軟件算法在開發(fā)完成后，將在產(chǎn)品硬件上驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)。這一過程由于需要優(yōu)化星上處理資源而變得復(fù)雜，而星上處理資源又受到能夠用于惡劣太空輻射環(huán)境下的密集計(jì)算硬件的可用性的限制。作為這種優(yōu)化的一部分，部分算法通常分布于FPGA和各種計(jì)算機(jī)處理器之間。劃分這些功能增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和所需的工程“模塊”的數(shù)量。

航天工業(yè)已經(jīng)注意到了這些問題。雖然用于計(jì)算機(jī)視覺的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的天基部署還處于發(fā)展階段，各個組織已經(jīng)在地面部分的生產(chǎn)系統(tǒng)中采用了機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。最初的主要發(fā)展是地基航天器健康監(jiān)測和地理空間分析。為了降低運(yùn)營成本，大型的衛(wèi)星運(yùn)營商一直致力于推動將機(jī)器學(xué)習(xí)用于飛行器的健康監(jiān)測。這些運(yùn)營商可以從一個控制中心監(jiān)測多個衛(wèi)星。如有需要，工程師能對錯誤和故障做出反應(yīng)。工程師負(fù)責(zé)監(jiān)測衛(wèi)星的健康狀況，并可以借助機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助進(jìn)行趨勢分析。通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型來補(bǔ)充，而不是取代控制中心里負(fù)責(zé)根據(jù)新信息采取行動的工程師，可保證低風(fēng)險(xiǎn)水平。運(yùn)營商在數(shù)據(jù)中心處理的航天器遙測數(shù)據(jù)可用于訓(xùn)練算法，在某些情況下，這種算法能夠先于人類分析出發(fā)展的趨勢，減少了實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)對人眼的需求。不斷發(fā)展的技術(shù)和逐步積累的知識正在提高航天產(chǎn)業(yè)對機(jī)器學(xué)習(xí)的接收程度，并可能用于未來的高度自主航天器的機(jī)器學(xué)習(xí)。

由于光學(xué)圖像技術(shù)的應(yīng)用，地理空間分析（或處理成像衛(wèi)星提供的地球遙感數(shù)據(jù)）提供了使用密集計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)的另一個機(jī)會。地理空間分析的機(jī)器學(xué)習(xí)支持星載處理，通過選擇要傳輸?shù)降孛娴南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，減少了所需的下行鏈路帶寬。下行鏈路帶寬的減少是一個關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榭捎玫念l帶正變得越來越擁擠，越來越昂貴。此外，不斷提高的處理需求使得手工編寫算法代碼變得異常困難。機(jī)器學(xué)習(xí)非常適合需要處理大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用，如農(nóng)業(yè)景觀分類、農(nóng)作物產(chǎn)量規(guī)劃、商場停車場汽車的檢測和分類等。

LS1046-Space微處理器包含四個64位ARM^? Cortex^?-A72的核心和包處理加速以及高速外設(shè)，可完成空間級AI、ML和數(shù)據(jù)處理（如上所述）所需的密集計(jì)算。

LS1046-Space采用QorIQ系列的最新的Layerscape(LS)架構(gòu)，包含數(shù)據(jù)路徑加速架構(gòu)（DPAA）提供的功能，可在軟件或硬件中實(shí)現(xiàn)。Layerscape架構(gòu)是一種可編程的數(shù)據(jù)平面引擎網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供了先進(jìn)的高性能數(shù)據(jù)路徑和網(wǎng)絡(luò)外設(shè)接口。LS1046還包含一個加密引擎，在安全通信和國防應(yīng)用中非常有用。通過機(jī)器學(xué)習(xí)軟件，LS1046-Space能夠?qū)W習(xí)、推理和適應(yīng)，以在面臨最小延遲和帶寬的挑戰(zhàn)的時(shí)候?qū)崟r(shí)做出決策。

TELEDYNE LS1046-SPACE的性能特點(diǎn)和QLS1046-4GB-SPACE

Teledyne e2v是經(jīng)過宇航認(rèn)證的防輻射器件制造商，最近發(fā)布了一款微處理器LS1046-Space。原始的LS1046是NXP 64位ARM^? Layerscape系列的一款產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了四核Arm^? Cortex^? A72的設(shè)計(jì)，用盡可能小的尺寸提供了無與倫比的性能， 同時(shí)使用戶可以使用與Arm^?技術(shù)兼容的龐大的軟件服務(wù)、應(yīng)用程序和工具的生態(tài)系統(tǒng)。

Teledyne e2v的LS1046-Space 是一款1.8GHz的處理器，集成了包處理加速和高速外設(shè)，具有高性能的架構(gòu)和業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的計(jì)算密度。LS1046-Space的計(jì)算性能超過45,000 CoreMarks^?，帶有雙路10Gb以太網(wǎng)、PCIeGen3、SATA Gen3等接口，適合用于一系列高可靠性 的空間應(yīng)用。此外，作為Teledyne e2v半導(dǎo)體生命周期管理計(jì)劃(SLiM?)的一部分，這款器件的生命周期長達(dá)15年，避免了器件過時(shí)的問題。

NXP市場經(jīng)理Altaf Hussain表示：“在航天和國防行業(yè)，我們看到了一個新的64位Arm^?產(chǎn)品發(fā)展趨勢，即Teledyne e2v使用我們的Layerscape商業(yè)處理器技術(shù)制造的高等級器件。我們相信Teledyne e2v的客戶不僅能利用這些器件的先進(jìn)計(jì)算性能，還可使用支持Arm^?的生態(tài)系統(tǒng)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)造新的可能性?！?/p>

Teledyne e2v的產(chǎn)品系列包括眾多基于PowerPC^?的處理器，如NXPQorIQ^? P系列和T系列，甚至更古老的PowerQUICC^?器件?？蛻艨梢岳^續(xù)使用Power架構(gòu)的軟件和應(yīng)用，Teledyne e2v也會繼續(xù)基于NXP的新技術(shù)（如ARM?）研發(fā)新的解決方案?？腿丝梢砸浦驳交贏RM^?的解決方案，也可使用NXP的Power^?的解決方案開始新的設(shè)計(jì)。

LS1046-Space也將被集成到Teledyne e2v最新的Qormino^?計(jì)算模塊QLS1046-4GB-Space中，其包含一片4GB耐輻射的DDR4存儲器和一片LS1046，如圖所示。

結(jié)語

目前，由于對密集計(jì)算微處理器的需求，航天飛行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正進(jìn)入一個關(guān)鍵的發(fā)展階段。人工智能和機(jī)器語言算法的發(fā)展和普及，以及先進(jìn)的基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和服務(wù)的發(fā)展，加速了寬帶、高速、超可靠、低延遲通訊的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域包括：軍事、氣象、地球觀測和電信（特別是隨著5G網(wǎng)絡(luò)在全球的發(fā)展）。每一個太空/衛(wèi)星設(shè)計(jì)的核心都是對獨(dú)立可靠的宇航級耐輻射微處理器的需求，這種微處理器的計(jì)算能力、速度、可靠性必須滿足這些“全球”太空/衛(wèi)星發(fā)展的需要。Teledyne e2v的LS1046-Space四核ARM^? Cortex^?-A72微處理器將為未來幾十年的智能密集計(jì)算太空/衛(wèi)星的發(fā)展帶來革命性的變化。利用GHz級高性能數(shù)據(jù)處理（30KDMIPS @ 1.8GHz)，結(jié)合方便的軟件編程（和重配置的能力），以及無與倫比的耐輻射宇航質(zhì)量測試流程，Teledyne e2v的LS1046-Space微處理器加速了密集計(jì)算太空/ 衛(wèi)星的開發(fā)并使在軌實(shí)時(shí)重配置變?yōu)榭赡堋?/p>

注：Teledyne e2v LS1046-Space項(xiàng)目由CNES（法國航天局）通過ESA ARTES項(xiàng)目提供支持。