工业首个太空级20nm FPGA可在轨道中重新编程

Xilinx已经公布了它的名称该行业的第一个空间级20 NM FPGA用于太空应用- 特别是替卫星。

Kintex UltraScale XQRKU060 FPGA。图片（修改）使用礼貌赛灵思公司

该FPGA的一些独特功能是其在轨道中重新配置的能力和在空间中进行机器学习的能力。

准备FPGA的空间的障碍

为空间设计FPGA并不容易。根据David S. Lee与Sandia National Laboratories的说法，电离辐射是最大的威胁在太空中工作的fpga．这种辐射的影响包括单事件闭锁(SEL)、单事件扰动(SEU)、单事件瞬态(SET)和总电离剂量(TID)。

李辩称，为了确保基于SRAM的FPGA在空间中的长期可靠性，设计人员必须在配置内存中阻止SEU。这可以通过“擦洗”（或识别配置中的错误并解决它们）来实现，纠错码（ECC）和三重模块化冗余。

Xilinx的XQRKU060的外部洗涤器。图片由赛灵思公司(10页)

这些关于辐射的担忧在Xilinx的新空间绑定20nm FPGA中直接解决。

20nm FPGA的关键规格

耐辐射Kintex UltraScaleXQRKU060FPGA将机器学习（ML）带到空间，其中包含ML开发工具的产品组合，支持框架，如Tensorflow和Pytorch等框架。这些框架可以实时启用神经网络推理加速，以实时用于车载处理。

XQRKU060包括2,760个UltraScale DSP切片，提供高达1.6 Teramach的信号处理计算。该单位的32个高速Serdes收发器可以运行高达12.5 Gbps，以提供400 Gbps的聚合带宽。该设备还可提供每秒5.7 TERA操作。

RT KINTEX UltraScale架构。图片（修改）使用礼貌赛灵思公司

Xilinx的空间系统架构师Minal Sawant解释说:“凭借我们在开发前沿、耐辐射技术以及将其应用于可靠的空间级解决方案方面的悠久历史，Xilinx继续引领着世界上最先进的空间过程节点的推出。”

重新配置的轨道上

XQRKU060基于SRAM存储器，它允许它不仅在实验室的硬件开发期间重新编程，而且在发布后也是在轨道内的。其他空间级，防保险丝FPGA只能配置一次，使原型化和渲染验证昂贵且困难。

虽然其他空间级fpga一旦部署基本上是冻结的，但XQRKU060在轨道上重新配置任何次数的能力为运营商提供了很大的灵活性。例如，为了提高系统性能，可以随时上传新的和改进的通信标准。

在技​​术演示卫星的情况下，可以从单个有效载荷运行多个实验。板载重新编程可用于减小有效载荷硬件的大小。发射时间也可以移动，因为它可以在准备就绪后立即部署最新的改进的FPGA固件。

重新编程可以实现，而XQRKU060是活跃的和在使用中。

部分重新配置。图片由赛灵思公司(11页)

这是通过部分重新配置实现的，允许修改FPGA内的特定区域，而不影响在设备其他地方运行的应用程序。

波束形成技术

在上一篇文章中海军对光学波束形成的兴趣，我们讨论了低成本的Leo卫星可能越来越多地代替多百万美元的地球同步航天器。这些空间车辆必须具有（在核心）实现波束成形的能力 - 改变其无线电信号的方向以适应变化的条件。

XQRKU060的板载处理能力允许卫星运营商实现波束成形。此外，设备的重新配置性允许它适应改变调制和载波规格。

对前几代的改进

20 nm xqrku060建立在Xilinx的悠久的空间目标，辐射硬化的FPGA传统上，包括65nmVirtex-5Q90纳米Virtex-4QV.．

三代Xilinx空间级FPGA。图片由赛灵思公司(9页)

据说，与上一代Virtex-5QV相比，XQRKU060的逻辑单元增加了5倍。旧的FPGA提供18 x 3.125或56.25的聚合带宽，而新的20 nm器件包括400gbps的聚合带宽。

支持新型FPGA的工具

Xilinx提供了一组丰富的设计辅助工具来加速开发过程。

的Vivado设计套件为XQRKU060提供了一个简化的开发环境。该系统用于消除路由拥塞，允许超过90%的设备被使用，而没有任何性能下降。

的ADA-SDEV-KIT2是XQRKU060的开发工具包。它包括LPC FMC和HPC FMC+接口以及空间级电源和温度传感解决方案。

ADA-SDEV-KIT2。图片由赛灵思公司

的Vitis统一软件平台提供一个核心开发工具包，使用户能够更容易地构建应用程序。它包括一组针对Xilinx硬件平台的硬件加速开源库。

改变卫星技术的游戏规则?

卫星系统正在迅速地从巨大的、孤立的、昂贵的、不灵活的庞然大物演变成小型的、可牺牲的、高度灵活的团队成员群体。尽管成本低、体积小，但在任务中经常改变参数的能力是Space 2.0的一个基本特征。XQRKU060的目标是提供重编程能力、抗辐射能力和计算能力，使之成为可能。