低功耗 FPGA 支持高性能空间系统

Microchip 推出了新的 RT PolarFire FPGA，经过优化，可满足对航天器高速数据控制系统的最苛刻要求，同时尽可能降低功耗和发热。

在使用受限的下行链路带宽之前，太空活动越来越需要高性能计算来处理数据。Microchip 表示，与专用集成电路 (ASIC) 相比，RT PolarFire FPGA 以显着降低的成本和更快的设计周期提供了重要的空间性能特性。与使用静态随机存取存储器 (SRAM) 的替代方案相比，它还显着降低了功耗，进一步消除了辐射引起的配置噪声。

RT PolarFire FPGA 支持多个操作空间轨道。该解决方案可为所有需要高达五倍计算吞吐量的应用程序提供高出 50% 的性能。它还提供比其前身更多的 SRAM，并且可以承受大多数轨道卫星和许多深空任务典型的 100 千拉德 (kRads) 的总电离剂量 (TID)。

空间电子开发人员使用耐辐射可编程门阵列来创建满足空间苛刻性能要求的板载计算系统。航天器的工作条件取决于它的前进方向，因此工程师会仔细测试和选择每辆车的电子和机械部件。地球磁场将成群的粒子捕获在称为辐照带的两个波段中。其他行星也有辐照带；例如，木星的强度是地球的 10,000 倍。一般来说，离太阳越近，太阳粒子的影响就越大，这种影响被称为太阳风。此外，银河宇宙射线，即从遥远的爆炸恒星喷射到太空中的粒子，可以在任何地方遇到。

Microchip FPGA 业务部副总裁 Bruce Weyer 表示：“我们正在支持一系列不断发展的在轨空间应用，这些应用需要高水平的运行性能和密度、低功耗和最小的散热，同时降低系统级成本。” “我们的 RT PolarFire FPGA实现了这些应用所需的计算吞吐量的重大飞跃，包括用于对象检测和识别的处理密集型神经网络、高分辨率无源和有源成像以及高精度远程科学测量，同时保持 QML 之路资格。”

RT PolarFire FPGA 是 Microchip 的 RTG4 FPGA 的演进，它已在太空中广泛实施，特别是具有两个特性：它提供单事件噪声保护 (SEU)，并且它对单事件连接 (SEL) 具有固有的免疫能力。

辐射是微小的亚原子波或粒子形式的能量。对于航天器系统，主要关注的是粒子辐射。这种包括质子和电子的辐射可以通过两种方式影响它们的电子。当太阳粒子或宇宙射线穿透电路时，单个 SEL 事件的影响代表了能量的快速爆炸。单个事件的影响会产生各种干扰，包括影响正在处理或存储的比特的物理性质。一些影响会随着时间的推移而恶化；带电粒子可以在航天器表面积聚，并在几小时内积聚电荷。

PolarFire FPGA 的 SONOS 非易失性 (NV) 技术使配置开关能够在更节能的架构中实现，从而降低开发成本并最大限度地减少非关键热管理的散热。热管理是一个关键应用，需要在空间层面进行全面评估。必须在不降低性能的情况下满足热约束；因此，需要对热管理系统进行复杂的设计和操作。

PolarFire FPGA RT 将通过标准流程来满足 QML 标准，包括针对高度关键应用的 V 级认证（图 2）。Libero SoC 设计套件支持商用 PolarFire FPGA，现在可用于启动 RT PolarFire FPGA 设计。Libero SoC 软件包括对 TMR（三重模块冗余）的综合支持，可用于 SEU 缓解（图 3）。该套件连接包括高引脚数 (HPC) FPGA 夹层卡 (FMC)、PCIe、双千兆以太网 RJ45、SFP+ 和 USB。

在针对空间环境进行设计时，必须考虑辐射、温度和振动的影响。太空中发生的辐射强度水平可能会给电子元件带来各种问题，而对辐射耐受性解决方案的需求对于任务的成功非常重要。同时，考虑到空间所施加的能量限制，需要有低功耗和高效的解决方案来管理大量数据。