Perinteisillä avaruuslennoilla on aiemmin suoritettu laskentaa yli 20 vuotta vanhalla prosessoritekniikalla, jonka avulla on selvitty sekä Maan kiertoradan että syvän avaruuden laskentatehtävistä. Viime aikoina Maata kiertävät matalan kiertoradan lennot ovat yleistyneet nopeasti, ja niihin riittää säteilynsiedoltaan ja kustannuksiltaan kevyempikin prosessoriratkaisu. Microchip on kehittänyt piirikolmikon, joka täyttää kaikki modernien avaruuslentojen vaatimukset.

Kaksikymmentä vuotta sitten esitelty RAD750-prosessori on ollut NASAn tosiasiallinen valinta avaruuslaskennan sovelluksiin. Sitä on käytetty lukuisissa uraauurtavissa tehtävissä, kuten Deep Impact -luotaimen ja Mars-mönkijä Curiosityn avulla tehdyissä havainnoissa ja mittauksissa.

Nykyaikana paljon suuremmalla ja monimuotoisemmalla sekä julkisen että yksityisen sektorin avaruusteollisuudella on huomattavasti laajemmat ja edelleen nopeasti kasvavat laskentavaatimukset. Järjestelmien kehittäjät tarvitsevatkin uuden, entistä tehokkaamman avaruusluokan mikroprosessorin (MPU).

Vuonna 2022 NASA valitsi Microchipin rakentamaan huipputehokkaan PIC64-pohjaisen HPSC-prosessorin (High Performance SpaceFlight Computing) edistämään avaruuslentojen ja niiden hyötykuormien innovaatioita tulevina vuosikymmeninä. PIC64-HPSC-mikroprosessorit vastaavat avaruuslaitteita ja -palveluja tuottavan teollisuuden tarpeisiin markkinoilla, joiden Maailman talousfoorumi ennustaa kasvavan 7 prosentin vuosivauhdilla 755 miljardiin dollariin vuoteen 2035 mennessä.

Uusi prosessori on suunniteltu ratkaisemaan avaruuslaskennan haasteita osana uutta edistynyttä laskennan kehityksen ekosysteemiä, joka hyödyntää useita laajasti hyväksyttyjä teknologioita ja standardeja, jotka ovat jo muualla vauhdittaneet teollisia ja kaupallisia innovaatioita maailmanlaajuisesti.

HPSC:n tarjoama visio

Avaruuslentojen seuraavaa kehitysvaihetta varten uusien mikroprosessorien tuli täyttää kaksi hyvin erilaista kohdevaatimusta: pitkäkestoiset syvän avaruuden lennot ja lyhytkestoiset Maata kiertävät kaupalliset LEO-lennot (Low-Earth Orbit). Samalla prosessorien tuli edesauttaa innovaatioita siirtymällä eilispäivän tarkoituksiin rakennettujen ja vanhenemiselle alttiiden arkkitehtuurien ulkopuolelle.

Tämä on tapahtunut tukemalla avoimia standardeja ja avoimen lähdekoodin ohjelmistoja. Samalla mukaan on integroitu useita skaalautuvia ja laajennettavia teknologioita, jotka samaan aikaan ovat muissa sovelluskohteissa mullistaneet kaikkea mahdollista aina datakeskuksista sähköajoneuvoihin asti.

Microchipin PIC64-HPSC-prosessoriperheen kaksi ensimmäistä jäsentä havainnollistavat polkua tämän vision saavuttamiseen. Voimakasta säteilyä kestävä RH-luokan (Radiation-Hardened) PIC-HPSC-RH-prosessori tarjoaa autonomisille lennoille paikallisen prosessointitehon reaaliaikaisiin tehtäviin, kuten mönkijöiden vaarojen välttämiseen Kuun pinnalla. Lisäksi se tarjoaa sekä alhaisen virrankulutuksen että vahvan säteilysuojauksen syvän avaruuden lennoille.

Matalan kiertoradan LEO-lentoja varten RH-versiota alhaisempaa säteilyä sietävä RT-versio (Radiation-Tolerant) PIC64-HPSC-RT puolestaan tarjoaa järjestelmien kehittäjille kustannuksiltaan optimoidun ratkaisun, jolla on kuitenkin vaadittava vikasietoisuus ja riittävät säteilyominaisuudet.

Uusia ominaisuuksia

Yksi merkittävimmistä avaruusluokan mikroprosessorien innovaatioista on laajasti muualla käytettyjen RISC-V-suorittimien integrointi, jota on täydennetty vektorilaskentaan yltävillä käskylaajennuksilla, jotka tukevat tekoälyn ja koneoppimisen sovelluksia. Nämä prosessorit sisältävät myös alan standardien mukaisia liitäntärajapintoja ja protokollia, joita ei aiemmin ole ollut saatavissa avaruussovelluksiin.

Muita keskeisiä ominaisuuksia ovat:

1. Avaruusluokan 64-bittinen MPU-arkkitehtuuri. Kahdeksan 64-bittistä SiFive RISC-V X280 CPU-ydintä tukevat virtualisointia ja reaaliaikaista toimintaa. Vektorilaajennukset tarjoavat jopa 2 TOPSin (int8) tai 1 TFLOPSin (bfloat 16) vektoritehokkuuden tekoälyn/koneoppimisen toteuttamiseen autonomisissa tehtävissä. 
2. Nopea verkkoyhteys. Tukee useita nopeita yhteysvaihtoehtoja, mukaan lukien a) jopa 10 GbE TSN Ethernet (Time-Sensitive Networking); b) 240 Gbps TSN Ethernet -kytkin; c) skaalautuva ja laajennettava PCIe gen 3 ja CXL 2.0 -yhteys (Compute Express Link) x4- tai x8-kokoonpanoilla; ja d) RMAP-yhteensopivat SpaceWire-portit, joissa on sisäiset reitittimet.
3. Alhaisen latenssin tiedonsiirto. Mikroprosessorit maksimoivat laskentakapasiteetin tuomalla etäantureiden tiedot lähelle suoritinta. Tämä tapahtuu RDMA:n (Remote Direct Memory Access) avulla RoCEv2 (Converged Ethernet) -laitteistokiihdyttimien kautta.
4. Alustatason syvä tietoturva. Mikroprosessorien monikerroksinen DiD-tietoturva (Defense-in-Depth) tukee postkvanttista kryptografiaa ja peukaloinnin estäviä ominaisuuksia.
5. Vahva vikasietoisuus. Mikroprosessorit tukevat DCLS-toimintaa (Dual-Core Lockstep) ja käyttävät WorldGuard-laitteistoarkkitehtuuria päästä päähän -osiointiin sekä eristämiseen. Lisäksi niissä on sisäänrakennettu järjestelmäohjain vikojen valvomiseksi ja lieventämiseksi.
6. Joustava laskentatehon säätö. Useat säädöt mahdollistavat mikroprosessorin laskennallisten vaatimusten täyttämisen avaruuslentojen eri vaiheissa sekä tarjoavat samalla toimintojen ja käyttöliittymien räätälöidyn aktivoinnin.

Innovaatioiden uusi ekosysteemi

Uudet suurteholaskentaan tarkoitetut mikroprosessorit ovat osa uuden innovaatioekosysteemin avaruusluokan prosessointipiirien kolmikkoa. Tähän kolmikkoon kuuluvat prosessorien lisäksi älykästä reunalaskentaa suorittavat mikro-ohjaimet (MCU) sekä FPGA-piirit ja SoC-järjestelmäpiirit, jotka tarjoavat uudelleenkonfiguroitavaa toiminnallisuutta eri tehtävävaiheissa sekä korkean tason luotettavuutta ja turvallisuutta (kuva 1).

Kuva 1. Microchipin piirikolmikko avaruuslaskennan ratkaisuja varten.

PIC-HPSC-prosessorien laajennettu ekosysteemi koostuu avaruusluokan tuotteista ja kolmansien osapuolten ohjelmistoista, jotka yhdessä nopeuttavat järjestelmätason integroitujen ratkaisujen kehittämistä. Microchip tarjoaa evaluointialustan, joka koostuu mikroprosessorista, laajennuskortista ja useista oheislaitemoduuleista.

Ekosysteemiin kuuluu lisäksi lennoille soveltuvia yhden piirilevyn SBC-tietokoneita, jotka noudattavat yleisiä kaupallisia kokoluokituksia ja standardeja. Ekosysteemin ensimmäisiä resursseja ja asiantuntemusta tarjoavia jäseniä ovat SiFive, Moog, IDEAS-TEK, Ibeos, 3D PLUS, Micropac, Wind River, Linux Foundation, RTEMS, Xen, Lauterbach, Entrust ja monet muut.

Ekosysteemiin kuuluu myös yhteistyökumppanien toimittamia avaruusluokan komponentteja, joilla on todistetusti käyttökokemuksia avaruuslennoista. Nämä komponentit on suunniteltu ja hyväksytty tarjoamaan vaadittava luotettavuus avaruuden ankarien olojen kestämiseksi. Kuvasta 2 nähdään, kuinka näitä komponentteja käytetään suositussa SpaceVPX-kokoisessa yhden piirilevyn tietokoneessa järjestelmätason avioniikka- ja hyötykuormaratkaisujen kehitystyön nopeuttamiseksi.

Kuva 2. Nykyaikaiset avaruusjärjestelmät tarvitsevat erilaisia avaruusluokan oheislaitteita kuten kello- ja ajoitusratkaisuja, muistilohkoja, erillispiirejä ja paljon muuta. Useat ekosysteemikumppanit tarjoavat valmiita yhden piirilevyn SBC-tietokoneita, kuten yllä esitetty. Ne noudattavat VITAn, SOSAn tai PICMG:n kaltaisten organisaatioiden luomia standardeja. Tämä mahdollistaa yhden toimittajan HPSC SBC -levynsaumattoman yhteistoiminnan eri toimittajien laajennuskorttien kanssa yhtenäisessä kotelossa.

Avaruuslaskennan eriävät tarpeet

Järjestelmäkehityksen nopeuttaminen kattavan ekosysteemin avulla on ratkaisevan tärkeää ’uuden’ avaruusaikakauden vauhdittamiseksi. Toisin kuin perinteisessä avaruustekniikassa, jossa avaruusohjelmia ja teknologista kehitystä ohjasivat pääasiassa valtion virastot ja julkinen rahoitus, syntyvälle ’uudelle’ avaruusaikakaudelle on ominaista merkittävä yksityisen sektorin osallistuminen ja yrittäjähenkinen lähestymistapa avaruushankkeisiin.

’Uusi’ avaruusaika tukee taloudellisempia ja helpommin saavutettavia lähestymistapoja avaruuslentojen kehittämiseen erityisesti matalan lentoradan LEO-lennoissa. Näissä operaatioissa on ainutlaatuisia piirteitä kuten alhaisempi säteilyintensiteetti, lyhyemmät lentoajat, erilaiset vikasietoisuuden vaatimukset ja satelliittien suuri vaihtotiheys.

Perinteisen ja ’uuden’ avaruusajan prosessoritarpeet heijastavat seuraavia eroja:

• Perinteinen avaruustekniikka: Säteilyä kestävät prosessorit on suunniteltava kestämään MEO-kiertoradan (Medium-Earth Orbit), geostaattisen kiertoradan (GEO), syvän avaruuden sekä planeettojen ja niiden kiertoratojen äärimmäiset olosuhteet. Prosessorien on toimittava ympäristöissä, joissa elektroniikka altistuu hyvin voimakkaalle säteilylle.
• ’Uusi’ avaruustekniikka: Säteilyä sietävät prosessorit on räätälöitävä vastaamaan matalan kiertoradan (LEO) lentojen vaatimuksia. Optimaalinen ratkaisu tukee tehtäviä, joissa selvästi alhaisemmat säteilytasot mahdollistavat kustannustehokkaamman lähestymistavan.

Kehitystyön näkökulmasta nämä erot voidaan kuroa umpeen, jos prosessorien nastajärjestyksen ja eri ohjelmistojen yhteensopivuus on taattu. Tällöin piirien käyttäjät voivat luoda ratkaisuja sekä matalan kiertoradan että syvän avaruuden lennoille samalla kehitystyöllä. Tällainen kovaa säteilyä kestävien PIC64-HPSC-RH-prosessorien ja alhaisempaa säteilyä sietävien PIC64-HPSC-RT-prosessorien välinen yhteensopivuus helpottaa suunnitteluprosessia, vähentää kehityskustannuksia ja nopeuttaa avaruusteknologian käyttöönottoa lentojen erilaisilla kiertoradoilla.

Sulautetun 64-bittisen prosessorin rooli kasvaa

Avaruustietokoneiden modernisoinnin lisäksi sulautetut 64-bittiset mikroprosessorit ovat tulossa myös uuden sukupolven tekoälypohjaiseen reunalaskentaan ja muihin tehokkaisiin sulautettuihin prosessointisovelluksiin Maan pinnalla. Sovelluksissa ne liittyvät samaan joukkoon kuin 8-, 16- ja 32-bittiset mikro-ohjaimet ja prosessorit sekä FPGA-piirit ja SoC-järjestelmäpiirit, joita kaikkia tukee yhteinen kehitystyökalujen ekosysteemi.

Tämä tarjoaa kehittäjille joustavuutta ja uudelleenkäytettävyyttä, joita tarvitaan ratkaistaessa vaikeita laskentahaasteita erilaisilla markkinoilla ja eri sovelluksissa. Näin voidaan uudistaa sulautettujen järjestelmien suunnittelua niin maapallon verkkojen reunalla kuin avaruudessakin.