美國宇航局的噴氣推進實驗室（JPL）選擇Microchip設計和制造基于SiFive的八個RISC-V X280內核的多核高性能航天計算機（HPSC）微處理器SoC，矢量處理指令擴展分為兩個集群，并增加了四個額外的RISC-V內核用于通用計算。該項目的運營目標是開發(fā)“飛行計算技術，與目前的航天計算機相比，該技術將提供至少100倍的計算能力”。在最近的RISC-V峰會上，HPSC領導團隊成員兼JPL顧問Pete Fiacco解釋了HPSC計劃的總體目標。

盡管有這個名字，但HPSC并不是嚴格意義上的空間處理器SoC。它被設計成一臺可靠的計算機，適用于地球上的各種應用——如國防、商業(yè)航空、工業(yè)機器人和醫(yī)療設備——以及用于政府和商業(yè)航天器的良好候選者。除了計算能力之外，HPSC還需要的三個特性是容錯、輻射容限和整體平臺安全性。該項目將導致開發(fā)HPSC芯片、電路板、軟件堆棧和參考設計，并于2024年首次上市，并于2025年提供空間合格硬件。菲亞科表示，NASA JPL未來所做的一切都將基于HPSC。

NASA JPL根據(jù)其任務要求為HPSC設定了目標，將自主性納入未來的航天器。簡而言之，與自主相關的任務是感知、感知、決定和驅動。傳感涉及使用多光譜傳感器和圖像處理的遠程成像。感知使用額外的圖像處理向感測數(shù)據(jù)灌輸意義。決策包括結合車輛當前和未來方向的任務規(guī)劃。驅動涉及軌道和表面機動以及實驗激活和管理。

菲亞科將這些任務與美國宇航局的任務總體目標聯(lián)系起來，解釋說，HPSC旨在允許太空設備進入，著陸，生活和探索外星環(huán)境。航天器還需要向地球報告，這就是為什么Fiacco還將通信納入所有四項主要任務的原因。所有這些都需要計算能力的巨大飛躍。模擬表明，與目前在太空中飛行的處理器相比，HPSC的計算性能提高了1000倍，F(xiàn)iacco預計隨著HPSC軟件堆棧的進一步優(yōu)化，這一數(shù)字將得到改善。

很難描述HPSC對NASA JPL計算平臺的升級程度，而不將新機器與目前在地球上運行的計算機進行對比。例如，目前以半自主方式在火星周圍蹣跚而行的本質上相似的核動力好奇號和毅力號火星車是基于BAE系統(tǒng)公司的RAD750微處理器。（請參閱”寶貝，你可以開我的漫游車。RAD750采用32位PowerPC 750架構，采用耐輻射半導體工藝制造。該芯片的最大時鐘速率為200 MHz，代表了2001年左右最好的計算機體系結構。據(jù)報道，已有150多個RAD750處理器被發(fā)射到太空。請記住，NASA喜歡飛行以前飛行過的硬件。將RAD750帶入太空的最新太空文物之一是詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST），它現(xiàn)在正在紅外光譜中對宇宙進行成像，并在距離地球一百萬英里的拉格朗日軌道上收集大量新的天文數(shù)據(jù)。（這比月球的軌道大四倍。JWST的RAD750處理器以118 MHz的速度運行。

我們另一個偉大的太空天文臺，太陽能哈勃太空望遠鏡（HST），采用更舊的處理器。HST有效載荷計算機是18位NASA標準航天器計算機-1（NSSC-1）系統(tǒng)，建于1980年代，但設計更早。該有效載荷計算機控制和協(xié)調來自HST各種科學儀器的數(shù)據(jù)流，并監(jiān)測其狀況。（請參閱”失去哈勃——拯救哈勃。

最初的NSSC-1計算機是由NASA戈達德太空飛行中心和西屋電氣在1970年代初開發(fā)的。該設計太舊了，以至于它不是基于微處理器。該計算機的初始版本采用了仙童半導體的1700個DTL扁平封裝IC，并使用磁芯存儲器。早在 1990 年 HST 推出之前，NSSC-1 處理器設計就已經(jīng)“升級”以適應一些非常早期的 MSI TTL 門陣列，每個門都包含大約 130 個邏輯門。

我不是天基計算方面的專家，所以我向一位專家征求了他的意見。我認識的對微處理器和FPGA天基計算最精通的人是我的朋友Adam Taylor，他是英國Adiuvo Engineering的創(chuàng)始人兼總裁。我問泰勒他對HPSC的看法，他寫道：

“HPSC對我來說實際上非常令人興奮。我們在太空中做了很多工作，計算是一個挑戰(zhàn)。當前的許多計算平臺都基于較舊的架構，如SPARC（LEON系列）或Power PC（RAD750 / RAD5545）。這些[處理器]不僅計算能力較低，而且生態(tài)系統(tǒng)也有限。有限的生態(tài)系統(tǒng)意味著更長的開發(fā)時間（更少的重用，更多的“戰(zhàn)斗”工具，因為它們通常不那么完善），并且它們還限制了對新人才的吸引力，即想要使用現(xiàn)代框架、處理器和工具的人。這也限制了經(jīng)驗豐富的人才庫（這是一個日益嚴重的問題，就像許多行業(yè)一樣）。

“基于RISC-V的高性能多核處理器的創(chuàng)建將打開一個廣泛的工具和框架生態(tài)系統(tǒng)，同時也吸引新人才并擴大經(jīng)驗豐富的人才庫。處理器本身看起來非常有趣，因為它們的設計考慮了高性能，因此它們具有 SIMD / 矢量處理和 AI（呃，這是一個夸張的流行詞）。他們似乎也很好地考慮了電源管理，這對于不同的應用至關重要，尤其是在太空中。

“有趣的是，作為一家FPGA設計公司（主要是），我們最近設計了幾款MicroChip SAM71 RT和RH（耐輻射和抗輻射）微控制器，它們確實在處理需求低的情況下提供了一些強大的功能。我認為HPSC是這一系列器件的補充，將超高性能/非常困難的實時應用留在FPGA中實現(xiàn)。最終，HPSC為工程師提供了另一種可供選擇的工具，它旨在防止工程師喜歡的過于常見的從頭開始的方法。可悲的是，這種方法總是會增加這些項目的成本和技術風險，而我們已經(jīng)受夠了。

最后一點：在我為本文進行研究期間，我發(fā)現(xiàn)NASA的HPSC并不總是基于RISC-V架構。美國宇航局戈達德太空飛行中心電氣工程部技術助理主任Wesley Powell在2018年抗輻射電子技術（RHET）會議上的演講包括HPSC的框圖，其中顯示了基于八個帶有NEON SIMD矢量引擎和浮點單元的Arm Cortex-A53微處理器內核的早期概念設計。鮑威爾繼續(xù)擔任HPSC計劃的首席技術專家。在過去四年中，在HPSC發(fā)展的某個時刻，至少到2020年底，當NASA發(fā)布針對HPSC的小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）項目第一階段征集時，ARM處理器內核已被RISC-V處理器內核的要求所取代。去年，隨著Microchip和SiFive宣布項目獎項，這一變化正式化為一成不變。也許是時代的標志？

審核編輯黃宇