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Cómo afrontar los retos de la implementación en el espacio de flujos de trabajo basados en IA

procesador multinucleo

Por Thomas Guillemain y Thomas Porchez, Teledyne e2v

De los más de 6500 satélites operativos que actualmente orbitan el planeta, al menos 1000 de ellos realizan algún tipo de trabajo de observación de la Tierra (EO). Las imágenes obtenidas de estas actividades pueden servir para una gran variedad de propósitos, muchos de los cuales aportarán beneficios ecológicos o sociopolíticos. Gracias a los avances en la tecnología del tratamiento de imágenes, el nivel de precisión que se puede obtener actualmente está mejorando continuamente. En consecuencia, el ámbito de aplicaciones que pueden llevarse a cabo se amplía y la calidad de los resultados es cada vez mayor. Por desgracia, esto está creando problemas en otros sectores: a medida que aumenta la resolución de las imágenes y la cantidad de datos, empiezan a generarse cuellos de botella en las comunicaciones. En algunos casos puede ser necesario procesar datos procedentes de centenares de satélites lo que, una vez más, resulta problemático ya que habrá demasiado material que examinar, a menos que éste sea clasificado de antemano y el excedente sea filtrado.

En el pasado era posible transmitir cantidades relativamente pequeñas de datos directamente a la Tierra y procesarlas luego a través de centros de datos especializados. La migración desde esas infraestructuras de centros de datos a plataformas basadas en la nube, junto con la evolución de la tecnología de sensores empleada (con la especificación de dispositivos más sofisticados y de mayor resolución), han hecho que los enlaces descendentes simplemente ya no estén a la altura, ya que no pueden escalar con las crecientes demandas de datos. En consecuencia, es necesario un enfoque totalmente nuevo.

El acercamiento del procesamiento a la fuente, de la misma manera que los sistemas de computación de borde que están empezando a implementarse en las redes de comunicación terrestres, permitirá conseguir algunas mejoras importantes. En primer lugar, ya no será necesario clasificar todas las imágenes sobre el terreno, ya que se transmitirán únicamente las imágenes de valor. En segundo lugar, permitirá superar las enormes limitaciones de ancho de banda que empiezan a observarse ahora (como se acaba de señalar). En tercer lugar, la capacidad de respuesta ante el surgimiento de una situación será más rápida. Esto podría ser importante a la hora de enfrentarse a diferentes formas de catástrofes naturales o provocadas por el hombre, ya que será posible identificarlas más rápidamente de modo que los servicios de emergencia y las organizaciones de ayuda puedan ser informados con mayor rapidez (y, por tanto, se podrán salvar más vidas).

Procesamiento a bordo

Por las razones que acabamos de exponer, existe un enorme interés por pasar de una arquitectura centralizada a una basada en el cómputo de borde en lo que se refiere al trabajo de la OE. En lugar de enviar todo de vuelta, al contar con más capacidades de procesamiento en el propio satélite existe la posibilidad de que los datos obtenidos se interpreten allí mismo, para luego decidir sobre su relevancia. Esto supondría una carga mucho menor para el enlace descendente de un satélite, y también significaría que no se consumiría energía en la transmisión de datos que no serán de utilidad.

Si se determina que las imágenes obtenidas presentan elementos de interés y merecen un análisis más profundo, o muestran indicios de algo a lo que se debe reaccionar con urgencia, su transmisión estará claramente justificada. Por el contrario, si se demuestra que el material es intrascendente, desaparece la necesidad de transmitirlo y no se desperdicia el ancho de banda.

Características esenciales del procesador

Cualquier tipo de tecnología de semiconductores destinada a ser utilizada en el espacio requiere atributos que van mucho más allá de lo que se espera para los escenarios de aplicación convencionales. Una vez que el hardware está en el espacio no se puede reparar, por lo que cualquier daño o problema de funcionamiento pondría en peligro la misión. Los componentes deben ser resistentes a los intensos golpes y fuerzas de vibración a los que estarán expuestos durante el lanzamiento, así como a las temperaturas extremas que se producen al pasar del lado del sol al lado de la oscuridad durante su órbita.

También deben ser lo suficientemente resistentes para soportar la exposición a la radiación. Los iones que golpean los dispositivos procesadores pueden provocar single event latch-ups (SEL) y single event upsets (SEU). Además se debe considerar la dosis ionizante total (TID), ya que la vida útil de un dispositivo puede acortarse por esta causa. Para poder garantizar que un procesador específico funcione de forma prolongada una vez desplegado en el espacio, y que no se produzcan errores de funcionamiento, es obligatorio realizar exhaustivas pruebas de radiación.

Existen además otros puntos que no deben pasarse por alto. Los satélites disponen de muy poco espacio para alojar toda la electrónica necesaria. También tienen un presupuesto energético limitado (basado en lo que pueden generar sus células fotovoltaicas). Por último, la comunidad del «Nuevo Espacio» por lo general no dispone de enormes reservas financieras. Los costes de los proyectos deben mantenerse controlados, por lo que los dispositivos seleccionados deben tener precios adecuados.

Ejemplo de caso práctico

El integrador de sistemas espaciales con sede en Suiza Beyond Gravity está desarrollando actualmente una plataforma de procesadores de alto rendimiento que permitirá el procesamiento de datos en tiempo real en los satélites que realizan tareas de observación en la órbita terrestre baja (LEO). La plataforma Lynx debe tener una capacidad de cómputo superior y, al mismo tiempo, no exigir demasiado del presupuesto energético disponible. También tiene que ser lo suficientemente robusto como para soportar el funcionamiento a largo plazo en el espacio.

Basándose en los diferentes aspectos anteriormente señalados, la empresa necesitaba una solución de procesamiento resistente a la radiación sobre la que pudieran ejecutarse sofisticados algoritmos de IA. Esto tenía que hacerse utilizando solo el mínimo de energía, sin ocupar demasiado espacio en el tablero y sin precios demasiado altos.

Las consultas con el personal de Teledyne e2v resultaron fructíferas, llevando a la elección de una de las soluciones de procesador de la empresa. Utilizando tecnología de procesamiento comercial (COTS) y aplicando luego una exhaustiva evaluación para seleccionar las unidades de mejor rendimiento, Teledyne e2v es capaz de ofrecer procesadores que son más rentables que las soluciones construidas a medida.

Procesador multinúcleo
Figura 1: Procesador multinúcleo resistente a la radiación LS1046-Space de Teledyne e2v

Diseñado para soportar el desafiante entorno de aplicaciones que representa el espacio, pero aún así capaz de funcionar a velocidades de hasta 1,8 GHz, el procesador LS1046-Space de Teledyne e2v se está convirtiendo en la solución de referencia para el procesamiento a bordo en los satélites artificiales. Es el procesador más potente calificado para el espacio que existe actualmente en el mercado, y ofrece un rendimiento superior al de las soluciones de la competencia en más de un orden de magnitud.

Gracias a su arquitectura de procesador multinúcleo, compuesta por cuatro núcleos Arm® Cortex® A72 de 64 bits, puede ofrecer 30k DMIPs de rendimiento de procesamiento. Entre las demás funcionalidades incluidas en este dispositivo se encuentra un controlador de memoria DDR4 altamente eficaz con código de corrección de errores (ECC) de 8 bits integrado para mitigar la amenaza de corrupción de datos, así como una caché de 2MB L2 que atiende a todos sus núcleos de procesamiento.

Este procesador se suministra en un encapsulado BGA de 780 bolas y su dimensión es de 23 x 23 mm, por lo que el espacio que ocupa en la placa es mínimo. Para permitir la integración en una amplia variedad de diseños de sistemas diferentes, este procesador incluye también una extensa gama de interfaces. Entre ellas se encuentran 10 Gbit Ethernet, PCIe Gen 3.0, SPI y I2C. Ancho de bus de 72 bits (donde 64 bits se dedican a los datos y otros 8 bits se asignan a ECC). Además de sus capacidades de procesamiento, el procesador LS1046-Space ofrece una robustez excepcional, con calificaciones de nivel 1 de la NASA y de clase 1 de la ECSS, con un rango de temperatura de funcionamiento de 55 ⁰C a 125 ⁰C.

El procesador va acompañado de la memoria DDR4T04G72M de Teledyne e2v, que es una memoria DDR4 de 4 GB resistente a la radiación que utiliza una configuración de paquete multichip (MCP) para elevar significativamente los niveles de densidad. Tanto los dispositivos de memoria como los de procesador han superado las pruebas TID de 100 krad, lo que significa que tienen una mayor vida útil. También han alcanzado una tolerancia a la radiación de 60 MeV.cm²/mg en relación con single event latch-ups (SEL) y single event upsets (SEU), por lo que su integridad funcional está garantizada.

En cuanto al software

Para complementar este hardware de grado espacial resistente a la radiación, Klepsydra, socio de Teledyne, desarrolló un software integrado para el producto Beyond Gravity Lynx. Este software ha sido altamente optimizado para aplicaciones con recursos limitados. Gracias a su tecnología de paralelización patentada, el software puede gestionar complejos flujos de trabajo de IA con un consumo mínimo de energía y evitando la pérdida de datos que, de otro modo, podría provocar fallos en la misión. La ejecución del paquete de software de Klepsydra en el procesador LS1046-Space permite reducir en un 50 % la carga de la CPU. Esto se combina con una triplicación de la capacidad general de procesamiento, además de una espectacular reducción de la latencia. El rendimiento del software fue medido utilizando IA para identificar puntos de interés dentro de las imágenes capturadas, y para la detección de nubes. Este último algoritmo es un área de investigación de gran importancia, ya que es capaz de determinar si la cobertura de nubes es demasiado alta para hacer que valga la pena enviar las imágenes capturadas.

Entre las numerosas aplicaciones de observación de la Tierra que pueden abordarse con esta tecnología están la vigilancia de la deforestación o la urbanización, la agricultura inteligente, la detección de nubes, así como el registro de los movimientos glaciares, el estudio de inundaciones e incendios forestales, el seguimiento de actividades militares, etc. También podría utilizarse para brindar un sistema de alerta temprana en caso de incidentes que pongan en peligro la vida, como los tsunamis, por ejemplo.

Conclusión

La aplicación de los principios de cómputo de borde en los equipos desplegados en el espacio permitirá mitigar los problemas relacionados con las limitaciones de ancho de banda del enlace descendente, ya que sólo será necesario transmitir los datos que tengan verdadero valor. El aprovechamiento de la potencia de la IA para llevar a cabo el procesamiento en la misma fuente conducirá a un flujo de trabajo mucho más eficiente y permitirá una toma de decisiones mejor informada.

Aunque en el caso de los procesadores de uso espacial la fiabilidad siempre ha sido prioritaria sobre el rendimiento, hoy en día se necesitan ambas cosas a la vez. Las innovaciones de ingeniería, como las descritas anteriormente, están llevando las capacidades de procesamiento de los sistemas terrestres a las aplicaciones espaciales. Gracias a la colaboración que están llevando a cabo Teledyne e2v, Klepsydra y Beyond Gravity será posible desarrollar una nueva generación de satélites y naves espaciales. Estos contarán con la potencia de procesamiento necesaria para ejecutar complejos algoritmos de IA, lo que se traducirá en mayores niveles de autonomía necesarios para la toma de decisiones sobre los datos de las imágenes que se capturen, de modo que las operaciones puedan realizarse de forma más eficiente y sin forzar excesivamente la capacidad de ancho de banda o las reservas de energía.