So meistern Sie die Herausforderungen bei der Bereitstellung im KI-gestützten Workflow-Bereich

Von Thomas Guillemain und Thomas Porchez, Teledyne e2v

Von den mehr als 6500 operativen Satelliten, die derzeit den Planeten umkreisen, führen mindestens 1000 von ihnen irgendeine Form von Erdbeobachtungsarbeiten (EO) durch. Die aus diesen Aktivitäten gewonnenen Bilder können einer Vielzahl von Zwecken dienen, von denen viele einen ökologischen oder gesellschaftspolitischen Nutzen haben. Dank der Fortschritte in der Bildgebungstechnologie wird die heute erreichbare Genauigkeit kontinuierlich verbessert. Damit erweitert sich das durchführbare Anwendungsfeld und die Qualität der Ergebnisse steigt. Leider führt dies in anderen Branchen zu Problemen: Mit zunehmender Bildauflösung und Datenmenge entstehen Kommunikationsengpässe. In einigen Fällen kann es notwendig sein, Daten von Hunderten von Satelliten zu verarbeiten, was wiederum problematisch ist, da es zu viel zu untersuchendes Material gibt, wenn es nicht vorher sortiert und der Überschuss herausgefiltert wird.

In der Vergangenheit war es möglich, relativ kleine Datenmengen direkt zur Erde zu übertragen und diese dann über spezialisierte Rechenzentren zu verarbeiten. Die Migration von diesen Rechenzentrumsinfrastrukturen zu Cloud-basierten Plattformen zusammen mit der Entwicklung der verwendeten Sensortechnologie (mit der Spezifikation von ausgefeilteren Geräten mit höherer Auflösung) hat dazu geführt, dass Downlinks einfach nicht mehr vorhanden sind. da sie nicht mit den steigenden Datenanforderungen skalieren können. Folglich ist ein völlig neuer Ansatz erforderlich.

Die Verlagerung der Verarbeitung näher an die Quelle, auf die gleiche Weise wie die Edge-Computing-Systeme, die in terrestrischen Kommunikationsnetzen implementiert werden, wird es ermöglichen, einige wichtige Verbesserungen zu erzielen. Erstens müssen nicht mehr alle Bilder im Feld klassifiziert werden, da nur noch wertvolle Bilder übermittelt werden. Zweitens wird es uns ermöglichen, die enormen Beschränkungen der Bandbreite zu überwinden, die jetzt beobachtet werden (wie gerade erwähnt wurde). Drittens wird die Reaktionskapazität, wenn eine Situation entsteht, schneller sein. Dies könnte beim Umgang mit verschiedenen Formen von Naturkatastrophen oder von Menschen verursachten Katastrophen wichtig sein, da diese schneller identifiziert werden können, damit Rettungsdienste und Hilfsorganisationen schneller informiert werden können (und somit mehr Leben gerettet werden können). .

Verarbeitung an Bord

Aus den gerade skizzierten Gründen besteht ein enormes Interesse daran, von einer zentralisierten Architektur zu einer auf Edge-Computing basierenden Architektur zu wechseln, wenn es um EO-Arbeit geht. Anstatt alles zurückzusenden und mehr Verarbeitungskapazitäten auf dem Satelliten selbst zu haben, besteht die Möglichkeit, dass die erhaltenen Daten direkt dort interpretiert werden, um später über ihre Relevanz zu entscheiden. Dies würde einen Satelliten-Downlink viel weniger belasten und würde auch bedeuten, dass keine Energie für die Übertragung von Daten verschwendet wird, die nicht nützlich wären.

Wenn festgestellt wird, dass die erhaltenen Bilder Elemente von Interesse aufweisen und einer weiteren Analyse bedürfen oder Hinweise auf etwas geben, auf das dringend reagiert werden muss, wird ihre Übermittlung eindeutig begründet. Wenn sich umgekehrt herausstellt, dass das Material belanglos ist, entfällt die Notwendigkeit, es zu streamen, und es wird keine Bandbreite verschwendet.

Wesentliche Prozessorfunktionen

Jede Art von Halbleitertechnologie, die für den Einsatz im Weltraum vorgesehen ist, erfordert Eigenschaften, die weit über das hinausgehen, was für herkömmliche Anwendungsszenarien erwartet wird. Sobald sich die Hardware im Weltraum befindet, kann sie nicht mehr repariert werden, sodass Schäden oder Fehlfunktionen die Mission gefährden würden. Die Komponenten müssen den intensiven Schock- und Vibrationskräften, denen sie während des Starts ausgesetzt sind, sowie den extremen Temperaturen standhalten, die auftreten, wenn sie während ihrer Umlaufbahn von der Seite der Sonne zur Seite der Dunkelheit wechseln.

Sie müssen auch stark genug sein, um der Strahlenbelastung standzuhalten. Ionen, die auf Prozessorvorrichtungen auftreffen, können Einzelereignis-Latch-Ups (SEL) und Einzelereignis-Störungen (SEU) verursachen. Außerdem muss die Gesamtionisationsdosis (TID) berücksichtigt werden, da die Lebensdauer eines Gerätes durch diese Ursache verkürzt werden kann. Um sicherzustellen, dass ein bestimmter Prozessor nach dem Einsatz im Weltraum lange funktioniert und keine Fehlfunktionen auftreten, sind umfangreiche Bestrahlungstests obligatorisch.

Es gibt auch andere Punkte, die nicht übersehen werden sollten. Die Satelliten haben sehr wenig Platz, um die gesamte notwendige Elektronik unterzubringen. Sie haben auch ein begrenztes Energiebudget (basierend darauf, was ihre Photovoltaikzellen erzeugen können). Schließlich verfügt die „New Space“-Gemeinschaft im Allgemeinen nicht über große finanzielle Reserven. Die Projektkosten müssen unter Kontrolle gehalten werden, daher müssen ausgewählte Geräte angemessen bepreist werden.

Beispiel einer Fallstudie

Der Schweizer Weltraumsystemintegrator Beyond Gravity entwickelt derzeit eine Hochleistungsprozessorplattform, die eine Echtzeit-Datenverarbeitung auf Beobachtungssatelliten im erdnahen Orbit (LEO) ermöglichen wird. Die Lynx-Plattform muss über eine überlegene Rechenleistung verfügen, ohne das verfügbare Leistungsbudget zu überfordern. Außerdem muss es robust genug sein, um einem Dauereinsatz im All standzuhalten.

Basierend auf den verschiedenen oben beschriebenen Aspekten benötigte das Unternehmen eine strahlungsresistente Verarbeitungslösung, auf der hochentwickelte KI-Algorithmen laufen können. Dies sollte mit einem Minimum an Strom, ohne zu viel Platz auf der Platine und ohne zu hohen Preis erfolgen.

Beratungen mit Mitarbeitern von Teledyne e2v erwiesen sich als fruchtbar und führten zur Wahl einer der Prozessorlösungen des Unternehmens. Teledyne e2v verwendet Standard-Verarbeitungstechnologie (COTS) und anschließende umfangreiche Tests zur Auswahl der leistungsstärksten Einheiten und ist in der Lage, Prozessoren anzubieten, die kostengünstiger sind als kundenspezifische Lösungen.

Der Teledyne e1,8v LS1046-Space-Prozessor wurde entwickelt, um den anspruchsvollen Anwendungsumgebungen des Weltraums standzuhalten und kann dennoch mit Geschwindigkeiten von bis zu 2 GHz betrieben werden. Er wird zum Goldstandard für die Onboard-Verarbeitung in künstlichen Satelliten. Es ist der leistungsstärkste weltraumtaugliche Prozessor auf dem heutigen Markt und übertrifft konkurrierende Lösungen um mehr als eine Größenordnung.

Dank seiner Multi-Core-Prozessorarchitektur, die aus vier 72-Bit-ARM® Cortex® A64-Kernen besteht, kann er 30 DMIPs an Verarbeitungsleistung liefern. Zu den weiteren Merkmalen dieses Geräts gehören ein hocheffizienter DDR4-Speichercontroller mit integriertem 8-Bit-Fehlerkorrekturcode (ECC), um die Gefahr einer Datenkorruption zu mindern, sowie ein 2 MB L2-Cache, der alle Verarbeitungskerne versorgt.

Dieser Prozessor wird in einem 780-Ball-BGA-Gehäuse geliefert und hat eine Abmessung von 23 x 23 mm, sodass er nur minimalen Platz auf der Platine einnimmt. Um die Integration in unterschiedlichste Systemdesigns zu ermöglichen, verfügt dieser Prozessor auch über eine Vielzahl von Schnittstellen. Dazu gehören 10-Gbit-Ethernet, PCIe Gen 3.0, SPI und I²C. 72-Bit-Busbreite (wobei 64 Bit Daten zugeordnet sind und weitere 8 Bit ECC zugeordnet sind). Zusätzlich zu seinen Verarbeitungsfähigkeiten bietet der LS1046-Space-Prozessor eine außergewöhnliche Robustheit mit NASA Level 1- und ECSS Class 1-Bewertungen mit einem Betriebstemperaturbereich von 55⁰C bis 125⁰C.

Der Prozessor ist mit Teledyne e4v DDR04T72G2M-Speicher gekoppelt, einem strahlungsresistenten 4-GB-DDR4-Speicher, der eine Multi-Chip-Package-Konfiguration (MCP) verwendet, um die Dichte deutlich zu erhöhen. Sowohl Speicher- als auch Prozessorgeräte haben 100-Krad-TID-Tests bestanden, was bedeutet, dass sie eine längere Lebensdauer haben. Sie haben auch eine Strahlungstoleranz von 60 MeV.cm²/mg in Bezug auf Single Event Latch-Ups (SEL) und Single Event Upsets (SEU) erreicht, sodass ihre Funktionsintegrität gewährleistet ist.

Softwaretechnisch

Als Ergänzung zu dieser strahlungsresistenten weltraumtauglichen Hardware hat der Teledyne-Partner Klepsydra eingebettete Software für das Produkt Beyond Gravity Lynx entwickelt. Diese Software wurde für Anwendungen mit begrenzten Ressourcen stark optimiert. Dank ihrer proprietären Parallelisierungstechnologie kann die Software komplexe KI-Workflows mit minimalem Stromverbrauch bewältigen und Datenverluste vermeiden, die andernfalls zum Scheitern der Mission führen könnten. Die Ausführung des Klepsydra-Softwarepakets auf dem LS1046-Space-Prozessor ermöglicht eine Reduzierung der CPU-Last um 50 %. Dies wird mit einer dreifachen Steigerung des Gesamtdurchsatzes sowie einer drastischen Reduzierung der Latenz kombiniert. Die Leistung der Software wurde mithilfe von KI gemessen, um Points of Interest in den aufgenommenen Bildern und zur Wolkenerkennung zu identifizieren. Dieser letzte Algorithmus ist ein sehr wichtiges Forschungsgebiet, da er feststellen kann, ob die Wolkendecke zu hoch ist, als dass es sich lohnt, die aufgenommenen Bilder zu senden.

Zu den zahlreichen Erdbeobachtungsanwendungen, die mit dieser Technologie adressiert werden können, gehören die Überwachung von Entwaldung oder Urbanisierung, intelligente Landwirtschaft, Wolkenerkennung sowie die Aufzeichnung von Gletscherbewegungen, die Untersuchung von Überschwemmungen und Waldbränden, die Überwachung militärischer Aktivitäten , etc. Es könnte auch als Frühwarnsystem bei lebensbedrohlichen Ereignissen wie zum Beispiel Tsunamis eingesetzt werden.

Fazit

Die Anwendung von Edge-Computing-Prinzipien auf Geräte, die im Weltraum eingesetzt werden, wird die Probleme im Zusammenhang mit Downlink-Bandbreitenbeschränkungen mildern, da nur Daten mit echtem Wert übertragen werden müssen. Die Nutzung der Leistungsfähigkeit von KI zur Durchführung der Verarbeitung an derselben Quelle wird zu einem viel effizienteren Arbeitsablauf führen und eine fundiertere Entscheidungsfindung ermöglichen.

Obwohl Zuverlässigkeit bei weltraumgestützten Prozessoren schon immer Vorrang vor Leistung hatte, braucht man heute beides gleichzeitig. Technische Innovationen, wie die oben beschriebenen, bringen die Verarbeitungsfähigkeiten von Bodensystemen in Weltraumanwendungen. Dank der Zusammenarbeit von Teledyne e2v, Klepsydra und Beyond Gravity wird es möglich sein, eine neue Generation von Satelliten und Raumfahrzeugen zu entwickeln. Diese verfügen über die erforderliche Verarbeitungsleistung, um komplexe KI-Algorithmen auszuführen, was zu einem höheren Maß an Autonomie führt, das für die Entscheidungsfindung in Bezug auf die erfassten Bilddaten erforderlich ist, sodass Operationen effizienter, effizienter und ohne übermäßige Belastung der Bandbreitenkapazität oder durchgeführt werden können Leistungsreserven.