Rekonfigurierbares 20-nm-FPGA für Satelliten- und Raumfahrt-Anwendungen

FPGA-EDA

Ein 20-Nanometer Space-Grade-FPGA für Satelliten- und Raumfahrt-Applikationen hat Xilinx angekündigt. Das Radiation Tolerant (RT) Kintex UltraScale FPGA XQRKU060 bietet unbegrenzte Rekonfigurierbarkeit im Orbit, eine hohe DSP-Leistung (digitale Signalverarbeitung) und ist für strahlungstolerante Payload-Applikationen in allen Orbits geeignet.



Das XQRKU060 FPGA realisiert High-Performance Machine Learning (ML) im Weltraum. Ein Portfolio von ML-Entwicklungstools mit Unterstützung der Industrie-Standard Frameworks, einschließlich TensorFlow and PyTorch, ermöglicht die Beschleunigung der Inferenz mit neuronalen Netzen für Echtzeit Onboard-Verarbeitung im Weltraum. Die leistungseffiziente Verarbeitung mit skalierbarer Präzision und Onchip Speicher bietet 5,7 Tera Operationen pro Sekunde (TOPs) mit Peak INT8 Performance, optimiert für Deep Learning. Das entspricht laut Xilinx einem nahezu 25-fachen Zuwachs im Vergleich zur vorherigen Generation. 


Unbegrenzt rekonfigurierbar

XQRKU060 ist eine Lösung mit unbegrenzter Rekonfigurierbarkeit im Orbit. Die Fähigkeit zur In-Orbit Rekonfigurierung erlaubt in Verbindung mit der Echtzeit Onboard-Verarbeitung und ML-Beschleunigung das Echtzeit-Updating von Satelliten, die Anlieferung von Video on Demand und die On-the-fly-Verarbeitung komplexer Algorithmen.

Die ML-Fähigkeiten des Bausteins lösen eine Vielzahl von Problemen, von wissenschaftlichen Analysen, Objekterkennung, bis zur Bildklassifizierung (z.B. Wolkendetektion). Das ermöglicht eine verbesserte Effizienz der Verarbeitung mit reduzierter Entscheidungs-Latenz, sowohl im Raum als auch am Boden. Bei der ständigen Änderung von Protokollen und Applikationen erlaubt die adaptive Compute-Architektur die unbegrenzte Rekonfiguration im Orbit. Damit können die Anwender kurzfristige Updates ihrer Produkte noch vor dem Start und auch nach deren Platzierung im Orbit vornehmen.


Performance und Resilienz für die Raumfahrt

Der Baustein ist mit 2.760 UltraScale DSP-Slices ausgestattet und ermöglicht bis zu 1,6 TeraMACs an Signalverarbeitung. Die Compute-Fähigkeit im Weltraum passt zu der massiven I/O-Bandbreite durch 32 High-Speed Transceiver (SerDes), die bis herauf zu 12,5 GB/s arbeiten und eine Gesamt-Bandbreite von 400 GB/s realisieren.

XQRKU060 kommt im robusten 40mm x 40mm Keramikgehäuse, das Vibrationen während des Launches und die Strahlungsbelastung in rauen Orbit-Umgebungen übersteht. Die Architektur ist in einem speziellen Design zur Unterdrückung von Störungen durch Single-Event Effekte (SEE) ausgelegt. Sie erfüllt damit laut Hersteller die Anforderungen der Industrie für alle Orbits, einschließlich dem Low-Earth Orbit (LEO), Medium-Earth Orbit (MEO), dem geosynchronen Orbit (GEO), sowie von Deep-Space Missionen.


Entwicklungs-Tools

Das FPGA wird von der Entwicklungsumgebung Vivado Design Suite unterstützt. Zusätzlich bietet die Vitis Unified Software Platform Unterstützung für die Embedded Software Entwicklung auf dem Triple Modular Redundant (TMR-fähigen) MicroBlaze Soft Processor.  Künftige Erweiterungen werden die Unterstützung von Vitis AI, der Xilinx Unified Software Platform für AI-Inferenz auf Xilinx-Bausteinen, und Production Cards einschließen.

Ein Ökosystem mit kompatiblen Lösungen von Partnern für XQRKU060 ist bereits verfügbar. Die Partnerlösungen dieses Ökosystems umfassen Angebote zur Beschleunigung der Raumfahrt-Applikationen, von Prototyping Boards, Raumfahrt-qualifizierten Stromversorgungen, Speicher- und Konfigurationslösungen und IP, außerdem Tools zur Unterdrückung von Störungen durch Single Event Upsets (SEU).


Verfügbarkeit

Fluggeeignete Einheiten des 20-nm RT Kintex UltraScale Space-grade XQRKU060-1CNA1509 FPGA werden als Xilinx Class-B und Class-Y Testdurchlauf laut MIL-PRF-38535 ab September dieses Jahres verfügbar sein. Muster und Prototypen sind bereits lieferbar. Anwender können ihr Prototyping mit dem KCU105 Evaluation Kit oder dem Kintex UltraScale Space Development Kit beginnen.

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