作者：PAUL ARMIJO，KRISTINE SCHROEDER

太空的獨(dú)特環(huán)境挑戰(zhàn)需要真正的分布式邊緣計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)模和自主操作——這些系統(tǒng)必須具有足夠的處理能力和改進(jìn)的內(nèi)存架構(gòu)，以支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的大量收集和處理。圍繞包含通用存儲(chǔ)器的通用靈活架構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)于實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)化尺寸、重量、功耗和成本 （SWaP-C） 的穩(wěn)健設(shè)計(jì)至關(guān)重要，這些都是空間社區(qū)的關(guān)鍵要素。然而，在最近的自旋轉(zhuǎn)矩傳遞（STT）磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）解決方案出現(xiàn)之前，還沒(méi)有傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器技術(shù)可以支持這一關(guān)鍵角色所需的可靠性、速度和魯棒性。

具有日益先進(jìn)功能的新興衛(wèi)星星座有望提供洞察力和增強(qiáng)的空間通信，以反映地面物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)甚至數(shù)據(jù)中心的洞察力和增強(qiáng)的通信。從行星氣候監(jiān)測(cè)到銀河系探索，科學(xué)研究現(xiàn)在正在最終前沿與商業(yè)用途模型相交，這得益于較低的進(jìn)入成本和更快的時(shí)間表。

合成孔徑雷達(dá)（SAR）等新技術(shù)以更高的分辨率、范圍和波長(zhǎng)辨別能力增強(qiáng)了傳統(tǒng)的光學(xué)傳感器和射頻（RF）圖像，以促進(jìn)與商業(yè)和國(guó)家安全利益相關(guān)的新發(fā)現(xiàn)和機(jī)會(huì)。（表1）。

［表1 |比較了常見的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)。

這些增強(qiáng)功能導(dǎo)致數(shù)據(jù)流從十年前的兆比特每秒（Mbits/sec），然后到幾年前的千兆比特每秒（Gbits/sec），再到今天看到的驚人的每秒太比特（Tbits/sec）。先進(jìn)處理能力、傳感器融合數(shù)據(jù)和人工智能 （AI） 的這種升級(jí)推動(dòng)了通信速度和內(nèi)存密度要求的相應(yīng)提高;然而，這些挑戰(zhàn)在太空環(huán)境中被放大了。

為了最大限度地減少實(shí)時(shí)處理的延遲，收集的傳感器數(shù)據(jù)需要在空間物聯(lián)網(wǎng)資產(chǎn)上本地處理。地面帶寬仍然非常有限，導(dǎo)致需要比傳統(tǒng)內(nèi)存技術(shù)商業(yè)上可行的內(nèi)存資源大得多的內(nèi)存資源。考慮到輻射彈性要求 - 以及軌道衛(wèi)星的復(fù)雜電源動(dòng)態(tài) - 以及具有足夠魯棒性，尺寸和性能的可行存儲(chǔ)器選項(xiàng)范圍大大縮小。

隨著時(shí)間的推移，太空界見證了從大型衛(wèi)星到分布式小型衛(wèi)星的過(guò)渡，導(dǎo)致小型衛(wèi)星總線、通信系統(tǒng)和推進(jìn)子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化。像DARPA（國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局）的Blackjack等項(xiàng)目都推動(dòng)了創(chuàng)新，并為標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)打開了大門，以提高設(shè)計(jì)、測(cè)試和部署的效率。

通過(guò)使用靈活的FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，使設(shè)計(jì)人員和工程師能夠重新調(diào)整功能用途，擺脫單點(diǎn)解決方案。靈活的SBC（單板計(jì)算機(jī)）和GPU（圖形處理單元）也發(fā)生了類似的演變，從前幾代SBC，如BAE系統(tǒng)公司的RAD750，用于NASA火星探測(cè)器平臺(tái)，到他們最新的RAD5545以及其他平臺(tái)，包括DDC的SCS3740，MOOG的GPU SBC和Space Micro的PROTON 600K。所有這些以前僅限于地面系統(tǒng)的額外處理能力需要更多的內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的啟動(dòng)映像，然后執(zhí)行計(jì)算。圖 1 顯示了這些不斷發(fā)展的 SBC 的內(nèi)存需求進(jìn)展。

［圖1 |圖表顯示了星載單板計(jì)算機(jī)內(nèi)存需求的演變。

這些存儲(chǔ)器，就像處理器本身一樣，仍然需要顯著的輻射效應(yīng)緩解來(lái)克服固有的漏洞。此外，它們?cè)诠δ苌舷喈?dāng)專業(yè)，因此效用有限。在檢查常用的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)（如閃存）時(shí)，暴露于輻射會(huì)物理上取代浮柵中的電子，從而改變電池的狀態(tài)并導(dǎo)致位錯(cuò)誤或SEU ［單事件翻轉(zhuǎn)］。隨著輻射強(qiáng)度的增加，輻射暴露產(chǎn)生的這些閃光誤差在高海拔地區(qū)顯著增加。NAND閃存最容易受到SEU的影響，導(dǎo)致需要大量的冗余和開銷，并最終降低存儲(chǔ)密度。

它們還需要可靠性降低，需要外部糾錯(cuò)和磨損均衡，從而擴(kuò)大所需的占地面積。EEPROM、NOR和SONOS等傳統(tǒng)技術(shù)提供了公認(rèn)的魯棒性，但由于傳統(tǒng)技術(shù)攜帶大型幾何電荷泵，因此不允許緊湊的尺寸和密度縮放。同樣，易失性DRAM和SRAM技術(shù)容易受到輻射暴露造成的單事件閂鎖（SEL）的影響，需要電源復(fù)位才能恢復(fù)，危及關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并可能損害設(shè)備本身。在繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星中，這種故障可能對(duì)系統(tǒng)功能和壽命造成毀滅性打擊。

通用存儲(chǔ)器架構(gòu)可以處理這些處理平臺(tái)的非易失性和易失性存儲(chǔ)器需求，從而減少了對(duì)增加測(cè)試和輻射緩解資源的需求，這些資源增加了系統(tǒng)的尺寸、重量和功率（SWaP）。非易失性旋轉(zhuǎn)扭矩傳遞磁性RAM（STT-MRAM）的密度可以與NAND和DRAM競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)不需要外部糾錯(cuò)或磨損均衡，速度類似于SRAM，并且可靠性和魯棒性最適合在空間中使用。STT-MRAM本質(zhì)上不受輻射和磁場(chǎng)的影響，并且足夠靈活，能夠取代空間中的易失性和非易失性存儲(chǔ)器實(shí)例。

直接解決更高性能平臺(tái)設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)的這些挑戰(zhàn)，真正統(tǒng)一的內(nèi)存可用于FPGA和處理器啟動(dòng)代碼等，同時(shí)還能夠在收集或分析期間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。具體來(lái)說(shuō)，它可以支持最新 FPGA 平臺(tái)之一的完整啟動(dòng)映像，例如 AMD/Xilinx Versal 器件，每個(gè)副本需要 1 Gb;大多數(shù)用戶還需要維護(hù)一個(gè)“黃金副本”以及一些額外的副本。

與以前的設(shè)備版本（包括 SIRF/Virtex-5QV）相比，這是一個(gè)巨大的飛躍，其啟動(dòng)映像可以放入單個(gè)傳統(tǒng)的 64 MB MCM 切換 MRAM。如今，單個(gè) BGA ［球柵陣列］ 封裝中有超過(guò) 8 Gb，預(yù)計(jì)到 2022 年底將包含 DDR3 接口的 16 Gb，現(xiàn)在除了啟動(dòng)映像之外，還可以加載 Linux 等 RTOS，同時(shí)仍有空間提供持續(xù)的處理支持，取代 NOR、DRAM 和 NAND 設(shè)備。這種無(wú)處不在、密度和穩(wěn)健性水平將使空間物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心所需的這些靈活處理平臺(tái)的優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化和擴(kuò)展成為現(xiàn)實(shí)。（圖2。

［圖2 |圖為：一個(gè)名義上的星載處理系統(tǒng)。

這種平臺(tái)優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化使公司能夠使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的硬件和可用的操作系統(tǒng)，以更低的風(fēng)險(xiǎn)和規(guī)模經(jīng)濟(jì)在新維度上創(chuàng)新系統(tǒng)功能，而不必開發(fā)、測(cè)試和緩解自己的人工智能硬件平臺(tái)。太空數(shù)據(jù)中心的出現(xiàn)與地面數(shù)據(jù)中心有相似之處，在地面數(shù)據(jù)中心中，公司可以專注于利用先進(jìn)的傳感器和數(shù)據(jù)分析，這些傳感器和數(shù)據(jù)分析來(lái)自已經(jīng)針對(duì)SWaP-C擴(kuò)展進(jìn)行了優(yōu)化的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的處理和內(nèi)存平臺(tái)。隨著這些數(shù)據(jù)中心管理的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)到數(shù)十TB，確定性連接以及由于電源中斷而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)低至關(guān)重要。Avalanche Technology提供來(lái)自數(shù)百顆低地球軌道（LEO）空間物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星的流鏈路的L4緩存，以及作為數(shù)據(jù)分析和ML / DL ［機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)］模型生成計(jì)算機(jī)的大容量存儲(chǔ)的地面基站。通過(guò)使用這種具有SRAM性能的高密度非易失性STT-MRAM，來(lái)自傳感器的流瞬態(tài)數(shù)據(jù)可以在提交到NAND或始終在線的DRAM之前存儲(chǔ)。（圖 3。

［圖3 |圖示：具有統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)的簡(jiǎn)化星載處理系統(tǒng)。

空間物聯(lián)網(wǎng)微型衛(wèi)星的巨型星座正在LEO上線，希望將其數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)中心同步，而無(wú)需依賴與地球的連接，并將依賴于統(tǒng)一的內(nèi)存架構(gòu)。這是有朝一日將部署在月球和火星軌道上的系統(tǒng)的試運(yùn)行。

審核編輯：郭婷