作者：PAUL ARMIJO，KRISTINE SCHROEDER

太空的獨特環境挑戰需要真正的分布式邊緣計算來實現規模和自主操作——這些系統必須具有足夠的處理能力和改進的內存架構，以支持實時數據的大量收集和處理。圍繞包含通用存儲器的通用靈活架構進行標準化對于實現具有優化尺寸、重量、功耗和成本 （SWaP-C） 的穩健設計至關重要，這些都是空間社區的關鍵要素。然而，在最近的自旋轉矩傳遞（STT）磁阻隨機存取存儲器（MRAM）解決方案出現之前，還沒有傳統的存儲器技術可以支持這一關鍵角色所需的可靠性、速度和魯棒性。

具有日益先進功能的新興衛星星座有望提供洞察力和增強的空間通信，以反映地面物聯網（IoT）系統甚至數據中心的洞察力和增強的通信。從行星氣候監測到銀河系探索，科學研究現在正在最終前沿與商業用途模型相交，這得益于較低的進入成本和更快的時間表。

合成孔徑雷達（SAR）等新技術以更高的分辨率、范圍和波長辨別能力增強了傳統的光學傳感器和射頻（RF）圖像，以促進與商業和國家安全利益相關的新發現和機會。（表1）。

［表1 |比較了常見的非易失性存儲器技術。

這些增強功能導致數據流從十年前的兆比特每秒（Mbits/sec），然后到幾年前的千兆比特每秒（Gbits/sec），再到今天看到的驚人的每秒太比特（Tbits/sec）。先進處理能力、傳感器融合數據和人工智能 （AI） 的這種升級推動了通信速度和內存密度要求的相應提高;然而，這些挑戰在太空環境中被放大了。

為了最大限度地減少實時處理的延遲，收集的傳感器數據需要在空間物聯網資產上本地處理。地面帶寬仍然非常有限，導致需要比傳統內存技術商業上可行的內存資源大得多的內存資源。考慮到輻射彈性要求 - 以及軌道衛星的復雜電源動態 - 以及具有足夠魯棒性，尺寸和性能的可行存儲器選項范圍大大縮小。

隨著時間的推移，太空界見證了從大型衛星到分布式小型衛星的過渡，導致小型衛星總線、通信系統和推進子系統的標準化。像DARPA（國防高級研究計劃局）的Blackjack等項目都推動了創新，并為標準化平臺打開了大門，以提高設計、測試和部署的效率。

通過使用靈活的FPGA（現場可編程門陣列）等技術實現標準化，使設計人員和工程師能夠重新調整功能用途，擺脫單點解決方案。靈活的SBC（單板計算機）和GPU（圖形處理單元）也發生了類似的演變，從前幾代SBC，如BAE系統公司的RAD750，用于NASA火星探測器平臺，到他們最新的RAD5545以及其他平臺，包括DDC的SCS3740，MOOG的GPU SBC和Space Micro的PROTON 600K。所有這些以前僅限于地面系統的額外處理能力需要更多的內存來存儲系統的啟動映像，然后執行計算。圖 1 顯示了這些不斷發展的 SBC 的內存需求進展。

［圖1 |圖表顯示了星載單板計算機內存需求的演變。

這些存儲器，就像處理器本身一樣，仍然需要顯著的輻射效應緩解來克服固有的漏洞。此外，它們在功能上相當專業，因此效用有限。在檢查常用的非易失性存儲器技術（如閃存）時，暴露于輻射會物理上取代浮柵中的電子，從而改變電池的狀態并導致位錯誤或SEU ［單事件翻轉］。隨著輻射強度的增加，輻射暴露產生的這些閃光誤差在高海拔地區顯著增加。NAND閃存最容易受到SEU的影響，導致需要大量的冗余和開銷，并最終降低存儲密度。

它們還需要可靠性降低，需要外部糾錯和磨損均衡，從而擴大所需的占地面積。EEPROM、NOR和SONOS等傳統技術提供了公認的魯棒性，但由于傳統技術攜帶大型幾何電荷泵，因此不允許緊湊的尺寸和密度縮放。同樣，易失性DRAM和SRAM技術容易受到輻射暴露造成的單事件閂鎖（SEL）的影響，需要電源復位才能恢復，危及關鍵數據，并可能損害設備本身。在繞地球運行的衛星中，這種故障可能對系統功能和壽命造成毀滅性打擊。

通用存儲器架構可以處理這些處理平臺的非易失性和易失性存儲器需求，從而減少了對增加測試和輻射緩解資源的需求，這些資源增加了系統的尺寸、重量和功率（SWaP）。非易失性旋轉扭矩傳遞磁性RAM（STT-MRAM）的密度可以與NAND和DRAM競爭，同時不需要外部糾錯或磨損均衡，速度類似于SRAM，并且可靠性和魯棒性最適合在空間中使用。STT-MRAM本質上不受輻射和磁場的影響，并且足夠靈活，能夠取代空間中的易失性和非易失性存儲器實例。

直接解決更高性能平臺設計中發現的這些挑戰，真正統一的內存可用于FPGA和處理器啟動代碼等，同時還能夠在收集或分析期間存儲數據。具體來說，它可以支持最新 FPGA 平臺之一的完整啟動映像，例如 AMD/Xilinx Versal 器件，每個副本需要 1 Gb;大多數用戶還需要維護一個“黃金副本”以及一些額外的副本。

與以前的設備版本（包括 SIRF/Virtex-5QV）相比，這是一個巨大的飛躍，其啟動映像可以放入單個傳統的 64 MB MCM 切換 MRAM。如今，單個 BGA ［球柵陣列］ 封裝中有超過 8 Gb，預計到 2022 年底將包含 DDR3 接口的 16 Gb，現在除了啟動映像之外，還可以加載 Linux 等 RTOS，同時仍有空間提供持續的處理支持，取代 NOR、DRAM 和 NAND 設備。這種無處不在、密度和穩健性水平將使空間物聯網和數據中心所需的這些靈活處理平臺的優化、標準化和擴展成為現實。（圖2。

［圖2 |圖為：一個名義上的星載處理系統。

這種平臺優化和標準化使公司能夠使用經過驗證的硬件和可用的操作系統，以更低的風險和規模經濟在新維度上創新系統功能，而不必開發、測試和緩解自己的人工智能硬件平臺。太空數據中心的出現與地面數據中心有相似之處，在地面數據中心中，公司可以專注于利用先進的傳感器和數據分析，這些傳感器和數據分析來自已經針對SWaP-C擴展進行了優化的經過驗證的處理和內存平臺。隨著這些數據中心管理的數據增長到數十TB，確定性連接以及由于電源中斷而導致數據丟失風險低至關重要。Avalanche Technology提供來自數百顆低地球軌道（LEO）空間物聯網衛星的流鏈路的L4緩存，以及作為數據分析和ML / DL ［機器學習/深度學習］模型生成計算機的大容量存儲的地面基站。通過使用這種具有SRAM性能的高密度非易失性STT-MRAM，來自傳感器的流瞬態數據可以在提交到NAND或始終在線的DRAM之前存儲。（圖 3。

［圖3 |圖示：具有統一內存架構的簡化星載處理系統。

空間物聯網微型衛星的巨型星座正在LEO上線，希望將其數據與空間數據中心同步，而無需依賴與地球的連接，并將依賴于統一的內存架構。這是有朝一日將部署在月球和火星軌道上的系統的試運行。

審核編輯：郭婷