Strahlungsfest: Erster 20-nm-FPGA für Satelliten und Raumfahrt

Kleinere Strukturen, mehr Transistoren: Xilinx hat den ersten strahlungstoleranten (space-grade) FPGA-Chip vorgestellt, der im 20-nm-CMOS-Prozess gefertigt wird. Neben unbegrenzter Rekonfigurierbarkeit hebt der Hersteller die KI-Fähigkeiten des Bausteins hervor.

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Das nach eigenen Worten auf „adaptives und intelligentes Computing“ fokussiertes US-Unternehmen Xilinx hat den industrieweit ersten strahlungstoleranten (RT) „Field Programmable Gate Array“-Chip (FPGA) vorgestellt, der im 20-nm-CMOS-Verfahren gefertigt wird und trotzdem für Satelliten- und Raumfahrtanwendungen in allen Orbits geeignet sein soll. Das Kintex UltraScale FPGA XQRKU060 lässt sich laut XIlinx auch im Orbit unbegrenzt rekonfigurieren und digitale Signale mehr als 10-mal schneller verarbeiten als sein Vorgänger. Damit sei er „hervorragend geeignet für strahlungstolerante Payload-Applikationen in allen Orbits“, sagt Minal Sawant, die bei Xilinx als Systems Architect und Marketing-Verantwortliche für „Space Applications“ arbeitet. Nach ihren Aussagen ist diese neue Baustein-Generation nicht anfällig für den Starbleed-Hack. Wegen dieser Schwachstelle musste Xilinx in den letzten Wochen Kritik einstecken.

Mit dem XQRKU060-FPGA sei es erstmals möglich, anspruchsvolle High-Performance-Machine-Learning-Applikationen (ML) im Weltraum auszuführen, verspricht Xilinx. Dazu steht laut Hersteller ein breites Portfolio an ML-Entwicklungs-Tools zur Verfügung, die in der Industrie verbreitete Frameworks wie TensorFlow and PyTorch unterstützen. Damit sei der Aufbau einer vollständigen „Process and Analyze“-Lösung möglich, die Inferenzberechnungen für die Datenverarbeitung mithilfe von Neuronalen Netzen (NN) in Echtzeit im Weltraum beschleunigt.

25-mal mehr Rechenleistung als der Vorgänger

Der XQRKU060-Chip besitzt umfangreichen integrierten Speicher; seine Berechnungspräzision ist skalierbar. Er erreicht 5,7 Tera-Operationen pro Sekunde (TOPS) mit Peak-INT8-Performance, optimiert für Deep-Learning-Anwendungen. „Das entspricht einem nahezu 25-fachen Zuwachs bei der Rechenleistung im Vergleich zur vorherigen Generation“, sagt Sawant.

Bisherige raumfahrttaugliche Produkte von Xilinx hatten Strukturgrößen von minimal 65 nm. „Die neuen Bausteine bringen die Vorteile von drei Generationen an Prozesstechnik für die Raumfahrt: von 65 nm über 44 nm und 28 nm auf jetzt 20 nm“, sagt Sawant. Transistoren lassen sich dichter packen, wodurch sich mehr der Mikroschalter auf weniger Fläche unterbringen lassen. Außerdem brauchen Chips vergleichbarer Komplexität weniger elektrische Leistung.

Obwohl die Strukturen auf dem Silizium filigraner sind, soll das neue FPGA „Anwendern zuverlässigen Betrieb in kurzen und auch längeren Raumfahrt-Missionen unter äußerst rauen Umgebungsbedingungen garantieren“, versichert Sawant. „Das 20-nm RT Kintex UltraScale FPGA übertrifft die geltenden Industrie-Standards und setzt einen neuen Benchmark für die hohen Compute-Anforderungen breitbandiger Payloads bei der Erkundung des Weltraums mit komplexen Missionen.“

Rekonfigurierbare Verarbeitung unterschiedlicher Workloads

XQRKU060 ist laut Xilinx industrieweit die derzeit einzige Lösung mit unbegrenzter Rekonfigurierbarkeit im Orbit. Die Fähigkeit zur In-Orbit-Rekonfigurierung erlaube in Verbindung mit der Echtzeit Onboard-Verarbeitung und ML-Beschleunigung das Echtzeit-Updating von Satelliten, das Übertragen von Video on Demand und die fliegende („on-the-fly“) Verarbeitung komplexer Algorithmen. „Die ML-Fähigkeiten des Bausteins lösen eine Vielzahl von Problemen, von wissenschaftlichen Analysen über Objekterkennung bis hin zur Bildklassifizierung, etwa beim Erkennen und Klassifizieren von Wolkenschichten“, erklärt Sawant.

Dadurch steige die Verarbeitungseffizienz enorm, während sich gleichzeitig die Latenz bei Entscheidungen verringere – „sowohl im Raum als auch am Boden“. Protokolle und Applikationen sind selten fehlerfrei oder vollständig. „Die adaptive Compute-Architektur des XQRKU060 bietet die Möglichkeit, im Betrieb immer wieder neue Funktionen einzuspielen – auch wenn sich etwa Satelliten bereits im Orbit befinden“, verdeutlicht Sawant die Vorteile der unbegrenzten Rekonfigurierbarkeit. Anwender könnten jederzeit Updates ihrer Produkte vornehmen – kurzfristig noch vor dem Start und auch nach der Platzierung der Systeme im Orbit.

Performance und Resilienz für die Raumfahrt

XQRKU060 bietet nach Angaben Sawants reichhaltige DSP-Fähigkeiten mit einer Optimierung für dichte, leistungseffiziente Compute-Tasks. Der Baustein ist mit 2.760 UltraScale DSP-Slices ausgestattet und kann Signale mit bis zu 1,6 TeraMACs verarbeiten – ein mehr als zehnfacher Anstieg gegenüber der vorherigen Generation. Hinzu kommen nach Angaben des Herstellers erhebliche Effizienz-Steigerungen bei Gleitkommaberechnungen. Die verbesserte Compute-Fähigkeit im Weltraum passt zu der massiven I/O-Bandbreite durch 32 High-Speed-Transceiver (SerDes), die mit bis zu 12,5 GBit/s arbeiten und eine Gesamtbandbreite von 400 GBit/s realisieren. Der Stromverbrauch des Chips hängt laut Sawant stark von der Applikation ab. Für eine typische Anwendung, die den Baustein durchschnittlich auslastet, gibt sie eine Leistungsaufnahme von 15 bis 25 W an.

XQRKU060 kommt im robusten 40 x 40 mm Keramikgehäuse, das vibrationsfest genug ist, um die Vibrationen während eines Raketenstarts und die Strahlungsbelastung in den rauen Orbit-Umgebungen zu überstehen. Die Architektur ist in einem innovativen Design zur Unterdrückung von Störungen durch Single-Event-Effekte (SEE) ausgelegt. Sie erfüllt damit die Anforderungen der Industrie für alle Orbits, einschließlich dem Low-Earth Orbit (LEO), Medium-Earth Orbit (MEO), dem geosynchronen Orbit (GEO) aber auch für Deep-Space-Missionen.

Überarbeitete Architektur soll Routing-Engpässe vermeiden

Das XQRKU060 FPGA kommt mit einer neuen, vereinfachten Entwicklungsumgebung mit der Xilinx Vivado® Design Suite. Die überarbeitete Architektur verbessere die Routing-Kapazität erheblich. Auch die Programmierung mit der Vivado Design Suite unterstützt die Eliminierung möglicher Routing-Engpässe. „Mehr als 90 Prozent der programmierbaren Logikzellen des Bausteins lassen nutzen, ohne dass die Performance einbricht“, verspricht Sawant. Systementwickler und Stahlungsspezialisten könnten mit Vivado ihre Produktivität maximieren und die Entwicklungszeit verkürzen. „Das unterstützt die Umsetzung aggressiver Launch-Zeitvorgaben.“

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 sollen die Unterstützung von Vitis™ AI, der Xilinx Unified Software Platform für AI-Inferenz auf Xilinx-Bausteinen, und Production Cards einschließen.

„Ein robustes Ökosystem mit kompatiblen Lösungen von Partnern für XQRKU060 ist bereits verfügbar“, sagt Sawant. Die Partnerlösungen dieses Ökosystems umfassen demnach mehrere 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).

Ab September 2020 verfügbar

Flugfähige 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. Samples und Prototypen sind bereits lieferbar. Die Anwender können ihr Prototyping mit dem KCU105 Evaluation Kit oder dem Kintex UltraScale Space Development Kit daher sofort beginnen.

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