Par Thomas Guillemain et Thomas Porchez, Teledyne e2v
Sur plus de 6500 1000 satellites opérationnels actuellement en orbite autour de la planète, au moins XNUMX XNUMX d'entre eux effectuent une forme quelconque de travail d'observation de la Terre (OT). Les images obtenues à partir de ces activités peuvent servir une grande variété d'objectifs, dont beaucoup auront des avantages écologiques ou sociopolitiques. Grâce aux progrès de la technologie d'imagerie, le niveau de précision qui peut être atteint aujourd'hui ne cesse de s'améliorer. Par conséquent, le champ des applications réalisables s'élargit et la qualité des résultats augmente. Malheureusement, cela crée des problèmes dans d'autres industries : à mesure que la résolution des images et la quantité de données augmentent, des goulots d'étranglement de communication commencent à se développer. Dans certains cas, il peut être nécessaire de traiter les données de centaines de satellites, ce qui, encore une fois, est problématique car il y aura trop de matériel à examiner à moins qu'il ne soit trié au préalable et que l'excédent ne soit filtré.
Dans le passé, il était possible de transmettre des quantités relativement faibles de données directement sur Terre, puis de les traiter via des centres de données spécialisés. La migration de ces infrastructures de centres de données vers des plates-formes basées sur le cloud, ainsi que l'évolution de la technologie des capteurs utilisée (avec la spécification d'appareils plus sophistiqués et à plus haute résolution), ont signifié que les liaisons descendantes ne sont tout simplement plus à la hauteur de la tâche, car ils ne peuvent pas évoluer avec les demandes croissantes de données. Par conséquent, une approche totalement nouvelle est nécessaire.
Rapprocher le traitement de la source, au même titre que les systèmes informatiques de pointe qui commencent à être mis en œuvre dans les réseaux de communication terrestres, permettra d'apporter des améliorations importantes. Premièrement, il ne sera plus nécessaire de classer toutes les images sur le terrain, car seules les images de valeur seront transmises. Deuxièmement, cela nous permettra de surmonter les énormes limitations de bande passante qui commencent à être observées maintenant (comme nous venons de le souligner). Troisièmement, la capacité de réponse lorsqu'une situation survient sera plus rapide. Cela pourrait être important lorsqu'il s'agit de différentes formes de catastrophes naturelles ou causées par l'homme, car il sera possible de les identifier plus rapidement afin que les services d'urgence et les organisations d'aide puissent être informés plus rapidement (et donc, plus de vies peuvent être sauvées) .
traitement à bord
Pour les raisons que nous venons d'exposer, il y a un énorme intérêt à passer d'une architecture centralisée à une architecture basée sur l'informatique de pointe lorsqu'il s'agit de travail d'OT. Au lieu de tout renvoyer, d'avoir plus de capacités de traitement sur le satellite lui-même, il y a la possibilité que les données obtenues soient interprétées sur place, pour décider plus tard de leur pertinence. Cela placerait une charge beaucoup plus faible sur une liaison descendante par satellite et signifierait également qu'aucune puissance ne serait gaspillée pour transmettre des données qui ne seraient pas utiles.
S'il est déterminé que les images obtenues présentent des éléments d'intérêt et méritent une analyse plus approfondie, ou montrent des indices de quelque chose auquel il faut réagir de toute urgence, leur transmission sera clairement justifiée. Inversement, si le matériel s'avère sans conséquence, le besoin de le diffuser disparaît et aucune bande passante n'est gaspillée.
Caractéristiques essentielles du processeur
Tout type de technologie de semi-conducteur destinée à être utilisée dans l'espace nécessite des attributs qui vont bien au-delà de ce qui est attendu pour les scénarios d'application conventionnels. Une fois que le matériel est dans l'espace, il ne peut pas être réparé, de sorte que tout dommage ou dysfonctionnement compromettrait la mission. Les composants doivent être résistants aux forces intenses de choc et de vibration auxquelles ils seront exposés lors du lancement, ainsi qu'aux températures extrêmes qui se produisent lorsqu'ils passent du côté du soleil au côté de l'obscurité pendant leur orbite.
Ils doivent également être suffisamment solides pour résister à l'exposition aux radiations. Les ions frappant les dispositifs de processeur peuvent provoquer des verrouillages d'événement unique (SEL) et des perturbations d'événement unique (SEU). De plus, la dose ionisante totale (TID) doit être prise en compte, car la durée de vie utile d'un appareil peut être raccourcie par cette cause. Afin de s'assurer qu'un processeur spécifique fonctionnera pendant longtemps une fois déployé dans l'espace, et que des dysfonctionnements ne se produiront pas, des tests de rayonnement approfondis sont obligatoires.
Il y a aussi d'autres points à ne pas négliger. Les satellites ont très peu d'espace pour loger toute l'électronique nécessaire. Ils ont également un budget énergétique limité (basé sur ce que leurs cellules photovoltaïques peuvent générer). Enfin, la communauté « New Space » ne dispose généralement pas d'énormes réserves financières. Les coûts du projet doivent être maîtrisés, de sorte que les appareils sélectionnés doivent être tarifés de manière appropriée.
Exemple d'étude de cas
L'intégrateur de systèmes spatiaux basé en Suisse, Beyond Gravity, développe actuellement une plate-forme de processeur haute performance qui permettra le traitement de données en temps réel sur des satellites d'observation en orbite terrestre basse (LEO). La plate-forme Lynx doit avoir une puissance de calcul supérieure sans exiger trop du budget de puissance disponible. Il doit également être suffisamment robuste pour résister à un fonctionnement à long terme dans l'espace.
Sur la base des différents aspects décrits ci-dessus, l'entreprise avait besoin d'une solution de traitement résistante aux radiations sur laquelle des algorithmes d'IA sophistiqués pourraient s'exécuter. Cela devait être fait en utilisant uniquement le minimum de puissance, sans prendre trop de place sur la carte et sans coût trop élevé.
Les consultations avec le personnel de Teledyne e2v se sont avérées fructueuses et ont conduit au choix d'une des solutions de processeur de l'entreprise. En utilisant une technologie de traitement prête à l'emploi (COTS), puis en appliquant des tests approfondis pour sélectionner les unités les plus performantes, Teledyne e2v est en mesure d'offrir des processeurs plus rentables que des solutions sur mesure.
Conçu pour résister à l'environnement d'application difficile que représente l'espace, mais capable de fonctionner à des vitesses allant jusqu'à 1,8 GHz, le processeur Teledyne e1046v LS2-Space devient la référence en matière de traitement embarqué dans les satellites artificiels. Il s'agit du processeur qualifié pour l'espace le plus puissant du marché aujourd'hui, surpassant les solutions concurrentes de plus d'un ordre de grandeur.
Grâce à son architecture de processeur multicœur, composée de quatre cœurs Arm® Cortex® A72 64 bits, il peut fournir 30 4 DMIP de performances de traitement. Les autres fonctionnalités incluses dans cet appareil incluent un contrôleur de mémoire DDR8 très efficace avec un code de correction d'erreur (ECC) 2 bits intégré pour atténuer la menace de corruption des données, ainsi qu'un cache L2 de XNUMX Mo qui prend en charge tous leurs cœurs de traitement.
Ce processeur est fourni dans un boîtier BGA de 780 billes et sa dimension est de 23 x 23 mm, il prend donc un minimum de place sur la carte. Pour permettre l'intégration dans une grande variété de conceptions de systèmes différents, ce processeur comprend également une large gamme d'interfaces. Ceux-ci incluent 10 Gbit Ethernet, PCIe Gen 3.0, SPI et I2C. Largeur de bus de 72 bits (où 64 bits sont dédiés aux données et 8 autres bits sont alloués à ECC). En plus de ses capacités de traitement, le processeur LS1046-Space offre une robustesse exceptionnelle, avec des classements NASA Niveau 1 et ECSS Classe 1, avec une plage de température de fonctionnement de 55⁰C à 125⁰C.
Le processeur est associé à la mémoire Teledyne e4v DDR04T72G2M, qui est une mémoire DDR4 de 4 Go résistante aux radiations qui utilise une configuration de package multi-puces (MCP) pour augmenter considérablement les niveaux de densité. Les dispositifs de mémoire et de processeur ont passé avec succès les tests TID de 100 krad, ce qui signifie qu'ils ont une durée de vie plus longue. Ils ont également atteint une tolérance aux radiations de 60 MeV.cm²/mg vis-à-vis des verrouillages à événement unique (SEL) et des perturbations à événement unique (SEU), ce qui garantit leur intégrité fonctionnelle.
Côté logiciel
Pour compléter ce matériel de qualité spatiale résistant aux radiations, le partenaire de Teledyne, Klepsydra, a développé un logiciel intégré pour le produit Beyond Gravity Lynx. Ce logiciel a été hautement optimisé pour les applications aux ressources limitées. Grâce à sa technologie de parallélisation propriétaire, le logiciel peut gérer des flux de travail d'IA complexes avec une consommation d'énergie minimale et en évitant la perte de données qui pourrait autrement entraîner l'échec de la mission. L'exécution du progiciel Klepsydra sur le processeur LS1046-Space permet une réduction de 50 % de la charge du processeur. Ceci est combiné avec une multiplication par trois du débit global, ainsi qu'une réduction spectaculaire de la latence. Les performances du logiciel ont été mesurées à l'aide de l'IA pour identifier les points d'intérêt dans les images capturées et pour la détection des nuages. Ce dernier algorithme est un domaine de recherche très important, car il est capable de déterminer si la couverture nuageuse est trop élevée pour justifier l'envoi des images capturées.
Parmi les nombreuses applications d'observation de la Terre qui peuvent être adressées avec cette technologie figurent la surveillance de la déforestation ou de l'urbanisation, l'agriculture intelligente, la détection des nuages, ainsi que l'enregistrement des mouvements glaciaires, l'étude des inondations et des feux de forêts, la surveillance des activités militaires. , etc. Il pourrait également être utilisé pour fournir un système d'alerte précoce en cas d'incidents mettant la vie en danger, comme les tsunamis, par exemple.
Conclusion
L'application des principes d'edge computing aux équipements déployés dans l'espace atténuera les problèmes liés aux contraintes de bande passante descendante, puisque seules les données de valeur réelle doivent être transmises. Exploiter la puissance de l'IA pour effectuer le traitement à la même source conduira à un flux de travail beaucoup plus efficace et permettra une prise de décision mieux informée.
Bien que la fiabilité ait toujours pris le pas sur les performances dans les processeurs spatiaux, aujourd'hui, vous avez besoin des deux en même temps. Les innovations techniques, telles que celles décrites ci-dessus, apportent les capacités de traitement des systèmes au sol aux applications spatiales. Grâce à la collaboration que Teledyne e2v, Klepsydra et Beyond Gravity mènent, il sera possible de développer une nouvelle génération de satellites et d'engins spatiaux. Ceux-ci auront la puissance de traitement nécessaire pour exécuter des algorithmes d'IA complexes, ce qui se traduira par des niveaux d'autonomie plus élevés nécessaires à la prise de décision sur les données d'image capturées, afin que les opérations puissent être effectuées plus efficacement et sans solliciter excessivement la capacité de bande passante ou réserves de puissance.
