Microchip Technology Inc.
Avtor: Tao Lang – višji vodja razvoja izdelkov v poslovni enoti za komunikacije pri podjetju Microchip
Procesor RAD750, ki je bil dejanska izbira agencije NASA za računalniške sisteme v vesolju, je bil predstavljen pred 20 leti. Uporabljal se je v številnih pionirskih misijah, med drugim v misijah vesoljske sonde Deep Impact in robotskega vozila Curiosity na Marsu.
Današnja veliko večja in raznolika vesoljska industrija v javnem in zasebnem sektorju ima znatno širše in hitro rastoče računalniške potrebe. Razvijalci sistemov potrebujejo nov, zmogljivejši mikroprocesor (MPU) za vesoljske namene.
Leta 2022 je NASA izbrala podjetje Microchip za razvoj novega procesorja PIC64 High Performance SpaceFlight Processor (HPSC), ki bo v prihodnjih desetletjih pomagal spodbujati inovacije na področju vesoljske avionike in tovorov. Procesorji PIC64-HPSC izpolnjujejo potrebe industrije vesoljske strojne opreme in storitev, za katero Svetovni gospodarski forum napoveduje [1], da bo rasla s povprečno letno stopnjo rasti (CAGR) 7 % s 330 milijard dolarjev v letu 2023 na 755 milijard dolarjev do leta 2035. Zasnovani so za reševanje izzivov vesoljskega računalništva kot del novega ekosistema za razvoj naprednega računalništva, ki bo izkoriščal številne iste splošno sprejete standarde in tehnologije, ki so spodbudile komercialne in industrijske inovacije po vsem svetu.
Vizija HPSC
MPU, namenjen vesoljskim aplikacijam za novo poglavje v vesoljskih poletih, je moral izpolnjevati dve zelo različni skupini zahtev: za dolgotrajne misije v daljnje vesolje in za krajše komercialne misije v nizki zemeljski orbiti (LEO). Hkrati so morali MPU-ji bolje spodbujati inovacije, tako da so presegli včerajšnje namenske in hitro zastarele arhitekture ter podprli odprte standarde in odprtokodno programsko opremo, hkrati pa vključili številne iste prilagodljive in razširljive tehnologije, ki sočasno spreminjajo vse, od podatkovnih centrov do e-mobilnosti.
Prva dva člana družine mikroprocesorjev PIC64-HPSC podjetja Microchip ponazarjata pot k uresničitvi te vizije. Mikroprocesor PIC64-HPSC-RH, odporen proti sevanju (RH), avtonomnim misijam zagotavlja lokalno procesno moč za naloge v realnem času, kot je izogibanje nevarnostim na površini Lune, ter nizko porabo energije in zaščito pred sevanjem za misije v globokem vesolju. Za misije v nizki zemeljski orbiti (LEO) je MPU PIC64-HPSC-RT, odporen proti sevanju (RT), razvijalcem sistemov ponuja stroškovno optimizirano rešitev z nujno odpornostjo proti napakam in zmogljivostjo pri prisotnosti sevanja.
Nove zmogljivosti
Med najpomembnejšimi inovacijami na področju MPU za vesoljske namene je vključitev široko razširjenih procesorjev RISC-V®, dopolnjenih z razširitvami ukazov za vektorsko obdelavo, ki podpirajo aplikacije umetne inteligence in strojnega učenja. Ti MPU vključujejo tudi vmesnike in protokole, ki ustrezajo industrijskim standardom in ki prej niso bili na voljo za vesoljske aplikacije.
Druge ključne zmogljivosti vključujejo:
64-bitna arhitektura MPU, primerna za vesoljske aplikacije. Vključenih osem 64-bitnih procesorskih jeder SiFive RISC-V® X280 omogoča virtualizacijo in delovanje v realnem času. Vektorske razširitve zagotavljajo do 2 TOPS (int8) ali 1 TFLOPS (bfloat 16) vektorske zmogljivosti za izvajanje umetne inteligence in strojnega učenja pri avtonomnih misijah.
Povezljivost hitrega omrežja. Podpira več možnosti hitre povezljivosti, vključno z: a) Time-Sensitive Networking (TSN) Ethernetom s hitrostjo do 10 GbE; b) stikalom TSN Ethernet s hitrostjo 240 Gbps; c) prilagodljivo in razširljivo povezljivostjo PCIe® gen 3 in Compute Express Link™ (CXL™) 2.0 s konfiguracijami x4 ali x8; ter d) vrati SpaceWire, združljivimi s standardom RMAP, ki vključujejo notranje usmerjevalnike.
Prenos podatkov z nizko zakasnitvijo. MPU-ji povečajo računske zmogljivosti tako, da podatke iz oddaljenih senzorjev prenesejo v bližino CPU-ja. To se izvaja prek strojne opreme za pospeševanje Remote Direct Memory Access (RDMA) over Converged Ethernet (RoCEv2).
Varnost na ravni platforme, primerljiva z varnostjo v obrambnem sektorju. Večplastna varnostna zaščita MPU podpira postkvantno kriptografijo in funkcije za zaščito pred nedovoljenim poseganjem.
Visoka odpornost proti napakam. Procesorji MPU podpirajo delovanje v načinu Dual-Core Lockstep (DCLS), uporabljajo strojno arhitekturo WorldGuard za celovito razdelitev in izolacijo ter imajo vgrajen sistemski krmilnik za spremljanje in odpravljanje napak.
Prilagodljivo nastavljanje moči. Večkratni nadzorni mehanizmi omogočajo MPU enotam, da zadovoljijo računske zahteve v različnih fazah vesoljskih misij, hkrati pa omogočajo prilagojeno aktiviranje funkcij in vmesnikov.
Novi inovacijski ekosistem
Ti novi procesorji za visoko zmogljivo računalništvo so del trojice rešitev za obdelavo podatkov, primernih za vesoljske aplikacije, znotraj novega inovacijskega ekosistema. Ta trojica vključuje tudi mikrokontrolerje za inteligentno obdelavo podatkov na robu omrežja ter programirljiva logična vezja (FPGA) in sistem na čipu (SoC), ki zagotavljajo prilagodljivo funkcionalnost v različnih fazah misije ter visoko zanesljivost in varnost (glej sliko 1).
Širši ekosistem izdelkov za vesoljske namene in programske opreme tretjih ponudnikov za mikroprocesorje PIC64-HPSC bo skupaj pospešil razvoj integriranih rešitev na sistemski ravni. Poleg Microchipove testne platforme, ki jo sestavljajo mikroprocesor, razširitvena kartica in različne periferne kartice, ekosistem vključuje tudi enoploščne računalnike (SBC), primerne za uporabo v vesolju, ki upoštevajo običajne komercialne oblike in industrijske standarde.
Med prvimi člani ekosistema, ki prispevajo vire in strokovno znanje, so SiFive, Moog®, IDEAS-TEK, Ibeos, 3D PLUS, Micropac, Wind River®, Linux Foundation, RTEMS, Xen, Lauterbach®, Entrust® in še mnogi drugi. Več informacij o teh partnerjih v ekosistemu MPU si oglejtetukaj [2].
Ekosistem vključuje tudi spremljevalne komponente vesoljske kakovosti z dokazano zgodovino uporabe v vesolju. Te komponente so zasnovane in certificirane tako, da zagotavljajo potrebno zanesljivost za delovanje v zahtevnih pogojih vesoljskega okolja. Slika 2 prikazuje, kako se bodo te komponente uporabljale v priljubljenem enoploščnem računalniku formata SpaceVPX, da bi pospešile razvoj integriranih rešitev za vesoljsko letalsko elektroniko in tovor na sistemski ravni.
Različne potrebe na področju računalništva v vesolju
Pospeševanje razvoja sistemov prek celovitega ekosistema je ključnega pomena za zagon dobe »novega vesolja«. V nasprotju s »tradicionalnim vesoljem«, kjer so vesoljske programe in tehnološki razvoj v glavnem vodile vladne agencije in javna sredstva, je ta nova vesoljska doba zaznamovana z znatnim sodelovanjem zasebnega sektorja in podjetniškim pristopom k vesoljskim prizadevanjem. Gibanje »New Space« se zavzema za bolj ekonomične in dostopnejše pristope k razvoju vesoljskih poletov, zlasti za konstelacije v nizki zemeljski orbiti (LEO). Te konstelacije imajo edinstvene značilnosti, kot so manjša intenzivnost sevanja, krajše trajanje misij, drugačne zahteve glede odpornosti na napake ter pogostejša zamenjava satelitov.
Potrebe po procesorjih v tradicionalnem in »novem« vesolju odražajo te razlike:
Tradicionalni vesoljski prostor: Procesorji, odporni proti sevanju, morajo biti zasnovani tako, da prenesejo ekstremne pogoje, ki vladajo v srednji zemeljski orbiti (MEO), geostacionarni zemeljski orbiti (GEO), globokem vesolju in pri misijah na planete. Delovati morajo v okoljih, kjer je elektronika izpostavljena visokim ravnem sevanja.
New Space: Procesorji, odporni proti sevanju, morajo biti prilagojeni zahtevam konstelacij v nizki zemeljski orbiti (LEO). Optimalna rešitev podpira misije, pri katerih nižje ravni sevanja omogočajo stroškovno učinkovitejši pristop.
Te razlike je mogoče z razvojnega vidika premostiti, če je zagotovljena združljivost procesorskih priključkov in programske opreme, tako da lahko uporabniki z enim samim razvojnim projektom ustvarijo prilagojene rešitve tako za misije v nizki zemeljski orbiti (LEO) kot za misije v globokem vesolju. Takšna združljivost med MPU-ji PIC64-HPSC-RH, odpornimi proti sevanju, in MPU-ji PIC64-HPSC-RT, tolerantnimi do sevanja, omogoča poenostavljen proces načrtovanja, zmanjša razvojne stroške in pospeši uvajanje vesoljskih tehnologij v različnih orbitalnih režimih.
Vse večja vloga 64-bitnih ugnezdenih procesorjev
Poleg posodobitve vesoljskih računalnikov se 64-bitni ugnezdeni procesorji pojavljajo tudi v novi generaciji rešitev za računalništvo na robu z umetno inteligenco in drugih visoko zmogljivih ugnezdenih procesnih aplikacijah tukaj na Zemlji. Pridružujejo se 8-, 16- in 32-bitnim mikrokontrolerjem in procesorjem ter programirljivim logičnim vezjem (FPGA) in sistemom na čipu (SoC), ki jih vse podpira skupni ekosistem razvojnih orodij. To bo razvijalcem omogočilo prožnost in ponovno uporabnost, ki ju potrebujejo za reševanje zahtevnih računalniških izzivov na različnih trgih in v različnih aplikacijah ter za preoblikovanje načina, kako so ugnezdeni sistemi zasnovani in delujejo, bodisi na zemeljskih omrežjih na robu bodisi v vesolju.
Viri:
1: https://www3.weforum.org/docs/WEF_Space_2024.pdf
2: https://www.microchip.com/en-us/products/microprocessors/64-bit-mpus/pic64-hpsc/ecosystem
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
