宇宙最快FPGA产品8年前就已出现?这事得从帕克太阳探测器说起

2019-01-15 09:10:34 来源:老石谈芯
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本文来自公众号“老石谈芯”

 

8年前,NASA和约翰霍普金斯大学联合立项,投入15亿美元打造一款绕日探测卫星。2018年,这款名为“帕克号”的太阳探测器发射升空。帕克号上的电子系统和仪器组由多个FPGA共同控制,帮助帕克号成为有史以来最接近太阳和速度最快的人造航天器。

帕克太阳探测器上的宇航级FPGA
帕克太阳探测器的主要目标是探究和解决太阳风形成的原因,并研究加速各种高能太阳粒子的神秘力量。帕克太阳探测器是目前人类制造的移动速度最快的物体,在最大轨道速度下,它将以接近每小时70万公里的速度穿越太阳的日冕层。如果在地球上以这个速度航行,不到一分钟就能从华盛顿到达东京。

 


正因如此,帕克太阳探测器成就了另外一个里程碑 -- 太阳系中速度最快的FPGA:来自MicroSemi公司的抗辐射宇航级RTAX4000系列FPGA。

尽管这里的“最快”并不是指FPGA的运行频率,而是它们高达70万公里/小时的巡航速度,但是这些基于0.15μm工艺制造的FPGA有着很多独特的亮点。

在复杂的宇航空间环境下,存在着大量的高能带电粒子,它们会造成集成电路中的电子元件的电位状态的改变,如从“0”变成“1”,或从“1”变成“0”,这种现象叫做单粒子翻转(Single-Event Upsets, SEU)。这些微小的数位改变对于数字系统的影响往往是致命的。因此,在帕克号的FPGA中集成了抗SEU、外加三重冗余保护(Triple Module Redundancy - TMR)的寄存器,使SEU发生的概率降到了十的负十次方。

FPGA上还有专门的逻辑发现和修正SRAM上发生的位翻转。即使SRAM自带的错误检测和校正电路发生故障,这些SEU也能被发现并修正。

此外,RTAX4000 FPGA采用了金属对金属的反熔丝结构互联,因此即使受到宇宙离子冲击也不会改变FPGA的逻辑结构。

帕克号基于FPGA的DSP与控制系统
帕克号配备了五种科学仪器,合称为“FIELDS”仪器组。它包含了多种传感器和测试仪表,主要用来测量电场和磁场、等离子体波谱和极化特性、电子密度和温度分布以及太阳射电辐射等,如下图所示。

 


探测器的电子系统包含两个Microsemi公司的抗辐射宇航级RTAX4000 FPGA芯片,见下图紫红色部分。

 


其中,一个FPGA位于FIELDS仪器组内,如下图所示。它主要负责将26路传感器的输入信号以150 kSa/s的采样速率进行数字信号处理,以产生光谱和跨谱矩阵,以及对应的时间序列数据。

 


另外一个FPGA位于探测器的数据控制电路板(DCB)上,用来作为FIELDS仪器组的主要控制器,如下图所示。同时,这个FPGA负责控制FIELDS与航天器的连接和通信,即接收并解码来自航天器的指令,并将其传送到仪器组的各个子系统中。

这个FPGA包含了一个复杂的外接存储系统,包含了32kB 抗辐射PROM,2MB SRAM,512KB EEPROM和32GB闪存。其中,PROM中保存着FIELDS仪器组的启动软件,EEPROM中保存着仪器组的操作软件、机载脚本,以及其他仪表的参数。在仪器启动过程中,EEPROM中的数据会被传输到SRAM中运行。

此外,FPGA还集成了一个32位的嵌入式CPU。这个CPU使用了ColdFire架构,它是上世纪70年代末摩托罗拉半导体68000处理器的升级版,可以称得上是微处理器里的活化石和上古神迹了。

在这个FPGA中,还实现了FIELDS仪器组的模拟信号管理、仪器控制、航天器接口、大容量内存控制器,以及RF频谱仪。FPGA控制DCB系统与航天器交换电磁场信息与飞行状态,并通过航天器的消息系统跟踪任务运行时间。

结语
帕克太阳探测器的第二个近日点预计将在今年4月。在7年的任务中,飞船将经历24个近日点,而最后的三个近日点将把宇宙飞船带到离太阳表面仅380万英里的地方,使得帕克号面向太阳一侧的隔热罩外的温度达到1370摄氏度。在这个大胆而令人兴奋的旅程中,FPGA的表现十分值得期待。


由于FPGA兼顾了性能和功耗,同时有高容错、强抗干扰的能力,因此被广泛应用于航空航天领域。希望伴随着FPGA技术的发展,人类会在探索宇宙的道路上加速前行。

 

 
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作者简介
老石
老石

微信公众号“老石谈芯”主理人,博士毕业于伦敦帝国理工大学电子工程系,现任某知名半导体公司高级FPGA研发工程师,从事基于FPGA的数据中心网络加速、网络功能虚拟化、高速有线网络通信等领域的研发和创新工作。曾经针对FPGA、高性能与可重构计算等技术在学术界顶级会议和期刊上发表过多篇研究论文。

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