Autor: Tao Lang, director sénior de productos de la unidad de negocio de comunicaciones de Microchip
El procesador RAD750, que ha sido la elección de facto de la NASA para la informática espacial, se presentó hace 20 años. Se ha utilizado en varias misiones innovadoras, incluidas las de la nave espacial Deep Impact de la NASA y el rover Curiosity en Marte. La industria espacial actual, mucho más grande y diversa, tanto en el sector público como en el privado, tiene unos requisitos de cálculo mucho más amplios y en rápida expansión. Los desarrolladores de sistemas necesitan un nuevo microprocesador (MPU) de grado espacial más capaz.
En 2022, la NASA seleccionó a Microchip para fabricar su nuevo procesador de alto rendimiento aeroespacial (HPSC – High Performance SpaceFlight Processor) MPU PIC64, que contribuirá a impulsar la innovación en la aviónica espacial y la carga útil durante las próximas décadas. Los MPU PIC64-HPSC satisfacen las necesidades de una industria de hardware y servicios espaciales que, según las previsiones del Foro Económico Mundial crecerá a una tasa compuesta anual del 7 %, pasando de 330.000 millones de dólares en 2023 a 755.000 millones en 2035. Están diseñados para resolver los retos de la informática espacial como parte de un nuevo ecosistema de desarrollo informático avanzado que aprovechará muchos de los mismos estándares y tecnologías ampliamente adoptados que han impulsado las innovaciones comerciales e industriales en todo el mundo.
La visión de HPSC
Un MPU de grado espacial para la próxima etapa de los vuelos espaciales tenía que cumplir dos conjuntos de requisitos muy diferentes para misiones de larga duración en el espacio profundo y misiones comerciales de corta duración en órbita terrestre baja (LEO – Low Earth Orbit). Al mismo tiempo, los MPU tenían que facilitar la innovación yendo más allá de las arquitecturas específicas y propensas a la obsolescencia del pasado, para admitir estándares abiertos y software de código abierto, al tiempo que integraban muchas de las mismas tecnologías escalables y extensibles que están transformando simultáneamente todo, desde los centros de datos hasta la movilidad eléctrica.
Los dos primeros miembros de la familia de MPU PIC64-HPSC de Microchip ilustran el camino para alcanzar esta visión. El MPU PIC64-HPSC-RH resistente a la radiación (RH) proporciona a las misiones autónomas la potencia de procesamiento local necesaria para tareas en tiempo real, como la evitación de peligros por parte de rovers en la superficie lunar, además del bajo consumo y la protección contra la radiación para misiones en el espacio profundo. Para misiones en órbita terrestre baja (LEO), el MPU PIC64-HPSC-RT resistente a la radiación (RT) ofrece a los desarrolladores de sistemas una solución optimizada en cuanto a costes con la tolerancia a fallos y el rendimiento frente a la radiación necesarios.
Nuevas capacidades
Entre las innovaciones más significativas de los MPU de grado espacial se encuentra la integración de las CPU RISC-V® ampliamente adoptadas, aumentadas con extensiones de instrucciones de procesamiento vectorial que admiten aplicaciones de IA/ML. Estos MPU también incluyen interfaces y protocolos estándar del sector que antes no estaban disponibles para aplicaciones espaciales.
Otras capacidades clave incluyen:
- Una arquitectura MPU de 64 bits de grado espacial. La inclusión de ocho núcleos de CPU SiFive RISC-V® X280 de 64 bits admite la virtualización y el funcionamiento en tiempo real. Las extensiones vectoriales ofrecen hasta 2 TOPS (int8) o 1 TFLOPS (bfloat 16) de rendimiento vectorial para implementar IA/ML en misiones autónomas.
- Conectividad de red de alta velocidad. Admite múltiples opciones de conectividad de alta velocidad, entre las que se incluyen: a) Ethernet de red sensible al tiempo (TSN) de hasta 10 GbE; b) un switch Ethernet TSN de 240 Gbps; c) conectividad PCIe® gen 3 y Compute Express Link™ (CXL™) 2.0 escalable y ampliable con configuraciones x4 o x8; y d) puertos SpaceWire compatibles con RMAP con enrutadores internos.
- Transferencias de datos de baja latencia. Los MPU maximizan la capacidad de cálculo al acercar los datos de los sensores remotos a la CPU. Esto se consigue mediante aceleradores de hardware de acceso directo a memoria remota (RDMA) sobre Ethernet convergente (RoCEv2).
- Seguridad de nivel de defensa a nivel de plataforma. La seguridad de defensa en profundidad de los MPU es compatible con la criptografía postcuántica y las funciones antimanipulación.
- Alta tolerancia a fallos. Los MPU admiten el funcionamiento Dual-Core Lockstep (DCLS), utilizan una arquitectura de hardware WorldGuard para la partición y el aislamiento de extremo a extremo, y cuentan con un controlador de sistema integrado para la supervisión y mitigación de fallos.
- Ajuste flexible de la potencia. Múltiples controles permiten a los MPU satisfacer las demandas computacionales en las múltiples fases de las misiones espaciales, al tiempo que ofrecen la activación personalizada de funciones e interfaces.
Un nuevo ecosistema de innovación
Estos nuevos MPU para cálculo de alto rendimiento forman parte de una tríada de soluciones de procesamiento de grado espacial dentro de un nuevo ecosistema de innovación. Esta tríada también incluye microcontroladores para el procesamiento inteligente en el edge y FPGA y SoC para proporcionar funcionalidad reconfigurable durante las diferentes fases de la misión, junto con una alta fiabilidad y seguridad (véase la figura 1).
Figura 1: Tríada de soluciones de cálculo espacial de Microchip.
El amplio ecosistema de productos de grado espacial y software de terceros de los MPU PIC64-HPSC acelerará de forma conjunta el desarrollo de soluciones integradas a nivel de sistema. Además de la plataforma de evaluación de Microchip, que consta del MPU, la placa de expansión y una variedad de placas secundarias periféricas, el ecosistema cuenta con ordenadores monoplaca (SBC) aptos para vuelo que implementan factores de forma comerciales comunes y estándares del sector. Entre los primeros miembros del ecosistema que aportan recursos y experiencia se encuentran SiFive, Moog®, IDEAS-TEK, Ibeos, 3D PLUS, Micropac, Wind River®, Linux Foundation, RTEMS, Xen, Lauterbach® y Entrust®, entre muchos otros.
El ecosistema también incluye componentes complementarios de grado espacial con una trayectoria probada en vuelo. Estos componentes están diseñados y homologados para ofrecer la fiabilidad necesaria para soportar las duras condiciones de los entornos espaciales. La figura 2 muestra cómo se utilizarán estos componentes en un popular ordenador monoplaca con formato SpaceVPX para ayudar a acelerar el desarrollo de soluciones integradas de aviónica y carga útil para vuelos espaciales a nivel de sistema.
Figura 2: Los sistemas espaciales modernos necesitan una variedad de periféricos de grado espacial, incluyendo soluciones de reloj y sincronización, memoria, discretos y mucho más. Varios socios del ecosistema proporcionarán ordenadores monoplaca (SBC) listos para usar, como el anterior, que cumplen con los estándares establecidos por organizaciones como VITA, SOSA o PICMG. Esto permitirá que un SBC HPSC de un proveedor interopere a la perfección con tarjetas conectables de otros proveedores dentro de un chasis unificado.
Necesidades divergentes de la informática especial
Acelerar el desarrollo de sistemas a través de un ecosistema integral es fundamental para impulsar una «nueva era espacial». A diferencia del «espacio tradicional», en el que los programas espaciales y el desarrollo tecnológico estaban impulsados principalmente por organismos gubernamentales y fondos públicos, esta nueva era espacial se caracteriza por una importante participación del sector privado y un enfoque empresarial de las iniciativas espaciales. El nuevo espacio aboga por enfoques más económicos y accesibles para el desarrollo de los vuelos espaciales, en particular para las constelaciones de órbita terrestre baja (LEO). Estas constelaciones presentan características únicas, como una menor intensidad de radiación, misiones más cortas, diferentes requisitos de tolerancia a fallos y una mayor frecuencia de sustitución de satélites.
Las necesidades de procesadores del espacio tradicional y del «nuevo espacio» reflejan estas diferencias:
- Espacio tradicional: los procesadores resistentes a la radiación deben estar diseñados para soportar las condiciones extremas que se dan en la órbita terrestre media (MEO – Medium Earth Orbit), la órbita geoestacionaria (GEO – Geosynchronous Earth Orbit), el espacio profundo y las misiones planetarias. Deben funcionar en entornos en los que los componentes electrónicos están expuestos a intensos niveles de radiación.
- Nuevo espacio: los procesadores tolerantes a la radiación deben adaptarse para cumplir los requisitos de las constelaciones de órbita terrestre baja (LEO). La solución óptima es compatible con misiones en las que los niveles de radiación más bajos permiten un enfoque más rentable.
Estas diferencias pueden salvarse desde el punto de vista del desarrollo si existe compatibilidad entre los pines y el software del procesador, de modo que los usuarios puedan crear soluciones personalizadas tanto para misiones en órbita terrestre baja (LEO) como en el espacio profundo con un único esfuerzo de desarrollo. Esta compatibilidad entre los MPU PIC64-HPSC-RH resistentes a la radiación y los MPU PIC64-HPSC-RT tolerantes a la radiación facilita un proceso de diseño optimizado, reduce los costes de desarrollo y acelera el despliegue de tecnologías espaciales en diversos regímenes orbitales.
El papel cada vez más importante de los MPU integrados de 64 bits
Además de modernizar los ordenadores espaciales, los MPU embebidos de 64 bits también están llegando a una nueva generación de aplicaciones de procesamiento embebido de alto rendimiento y de edge computing con IA aquí en la Tierra. Se unen a los microcontroladores y procesadores de 8, 16 y 32 bits, así como a los FPGA y SoC, todos ellos compatibles con un ecosistema de herramientas de desarrollo común. Esto proporcionará a los desarrolladores la flexibilidad y la reutilización que necesitan para resolver difíciles retos informáticos en una amplia gama de mercados y aplicaciones, y transformará el diseño y el funcionamiento de los sistemas integrados, tanto en el borde de las redes terrestres como en el espacio.
