20纳米宇航级FPGA，世界首款！可以在轨重配置

5月20日，半导体公司赛灵思（XLNX.US）发布公告称，将推出业界第一个20纳米宇航级FPGA，为卫星和空间应用提供更优秀的辐射耐受能力、超高数据吞吐量和带宽性能。

全新的20 nm Radiation Tolerant KintexUltraScaleXQRKU060 FPGA将提供强大的在轨重配置，包括数字信号处理性能增加10倍，非常适合有效载荷应用，并且在所有轨道上都具有完全的辐射耐受性。

该FPGA的独特功能是它具有在轨中重配置以及其在太空进行机器学习的能力。

宇航级FPGA的诸多挑战

设计用于空间的FPGA并非易事。桑迪亚国家实验室的David S. Lee认为，电离辐射是对在太空中运行的FPGA的最大威胁。此辐射的影响可能包括单事件闩锁（SEL）、单事件翻转（SEU）、单事件瞬态（SET）和总电离剂量（TID）。

Lee认为，为了确保基于SRAM的FPGA在空间中的长期可靠性，设计者必须防止配置存储器中的SEU。这可以通过"擦除"(或识别配置中的错误并对其进行寻址)、纠错码(ECC)和三重模块冗余来实现。
 

 Xilinx XQRKU060

这些关于辐射的担忧，在Xilinx公司新推出的20纳米的太空型FPGA中直接得到了解决。

20nm宇航级FPGA的主要规格

XQRKU060包含2760个UltraScale DSP Slice，并提供多达1.6 TeraMAC的信号处理计算。该单元的32个高速SerDes收发器可分别运行高达12.5 Gbps，以提供400 Gbps的总带宽。

该芯片的密集型、高能效计算具有可扩展精度和大型片上存储器，拥有超高吞吐量和带宽性能，针对深度学习优化的INT8峰值性能将达到5.7 TOPS，相比上一代65nm芯片产品提升25倍。

XQRKU060芯片支持丰富的ML开发工具产品组合，支持TensorFlow、PyTorch等机器学习框架，适用于解决科学分析、物体检测和图像分类等各类机器学习问题。 将机器学习（ML）带入了太空。 

RT Kintex UltraScale架构

Xilinx的太空系统架构师Minal Sawant解释说：“凭借我们在开发领先的耐辐射技术并将其部署到可靠的太空级解决方案方面的悠久历史，Xilinx通过推出全球最先进的工艺节点来继续其领先地位。” 

可在轨重新配置

XQRKU060基于SRAM存储器，因此不仅可以在实验室进行硬件开发期间对其进行重新编程，还可以在发射后进行在轨编程。其他空间级的反熔丝FPGA只能配置一次，从而使原型设计和验证变得既昂贵又困难。 

其他空间级FPGA部署后基本上会冻结，而在轨道上任意次数重新配置XQRKU060的能力为运营商提供了极大的灵活性。例如，可以随时上传新的和改进的通信标准，以提高系统性能。

XQRKU060处于活动状态且正在使用中时，可以实现重新编程。 

部分重配置

这是通过部分重新配置实现的，该部分重新配置允许修改FPGA内的特定区域，而不会影响在设备内其他地方运行的应用。  

波束成形技术

在之前关于海军对光学波束形成感兴趣的文章中，我们讨论了低成本的LEO卫星如何逐渐取代价值数百万美元的地球同步航天器。这些太空飞行器的核心必须具备实现波束形成的能力，即改变无线电信号方向以适应不断变化的条件的能力。

XQRKU060的机载处理能力使卫星运营商可以进行波束成形。此外，设备的可重新配置性使其能够适应不断变化的调制和载波规范。 

与前代产品的改进

20 nm XQRKU060基于Xilinx的宇航级定位，其前代产品包括65 nm Virtex-5Q和90 nm Virtex-4QV。 

三代Xilinx宇航级FPGA

与上一代Virtex-5QV相比，XQRKU060的逻辑单元增加了5倍。链路总带宽由56.25G提高到400 Gbps。 

卫星技术的颠覆者？

卫星系统正在迅速发展，逐渐从庞大、昂贵且不灵活的庞然大物演变成小型且高达灵活的设备。XQRKU060旨在提供可重编程性，抗辐射性和计算能力，以使其成为可能。

全新的20 nm Radiation Tolerant KintexUltraScaleXQRKU060 FPGA将提供强大的在轨重配置，包括数字信号处理性能增加10倍，非常适合有效载荷应用，并且在所有轨道上都具有完全的辐射耐受性。

该FPGA的独特功能是它具有在轨中重配置以及其在太空进行机器学习的能力。

宇航级FPGA的诸多挑战

设计用于空间的FPGA并非易事。桑迪亚国家实验室的David S. Lee认为，电离辐射是对在太空中运行的FPGA的最大威胁。此辐射的影响可能包括单事件闩锁（SEL）、单事件翻转（SEU）、单事件瞬态（SET）和总电离剂量（TID）。

Lee认为，为了确保基于SRAM的FPGA在空间中的长期可靠性，设计者必须防止配置存储器中的SEU。这可以通过"擦除"(或识别配置中的错误并对其进行寻址)、纠错码(ECC)和三重模块冗余来实现。
 

 Xilinx XQRKU060

这些关于辐射的担忧，在Xilinx公司新推出的20纳米的太空型FPGA中直接得到了解决。

20nm宇航级FPGA的主要规格

XQRKU060包含2760个UltraScale DSP Slice，并提供多达1.6 TeraMAC的信号处理计算。该单元的32个高速SerDes收发器可分别运行高达12.5 Gbps，以提供400 Gbps的总带宽。

该芯片的密集型、高能效计算具有可扩展精度和大型片上存储器，拥有超高吞吐量和带宽性能，针对深度学习优化的INT8峰值性能将达到5.7 TOPS，相比上一代65nm芯片产品提升25倍。

XQRKU060芯片支持丰富的ML开发工具产品组合，支持TensorFlow、PyTorch等机器学习框架，适用于解决科学分析、物体检测和图像分类等各类机器学习问题。 将机器学习（ML）带入了太空。 

RT Kintex UltraScale架构

Xilinx的太空系统架构师Minal Sawant解释说：“凭借我们在开发领先的耐辐射技术并将其部署到可靠的太空级解决方案方面的悠久历史，Xilinx通过推出全球最先进的工艺节点来继续其领先地位。” 

可在轨重新配置

XQRKU060基于SRAM存储器，因此不仅可以在实验室进行硬件开发期间对其进行重新编程，还可以在发射后进行在轨编程。其他空间级的反熔丝FPGA只能配置一次，从而使原型设计和验证变得既昂贵又困难。 

其他空间级FPGA部署后基本上会冻结，而在轨道上任意次数重新配置XQRKU060的能力为运营商提供了极大的灵活性。例如，可以随时上传新的和改进的通信标准，以提高系统性能。

XQRKU060处于活动状态且正在使用中时，可以实现重新编程。 

部分重配置

这是通过部分重新配置实现的，该部分重新配置允许修改FPGA内的特定区域，而不会影响在设备内其他地方运行的应用。  

波束成形技术

在之前关于海军对光学波束形成感兴趣的文章中，我们讨论了低成本的LEO卫星如何逐渐取代价值数百万美元的地球同步航天器。这些太空飞行器的核心必须具备实现波束形成的能力，即改变无线电信号方向以适应不断变化的条件的能力。

XQRKU060的机载处理能力使卫星运营商可以进行波束成形。此外，设备的可重新配置性使其能够适应不断变化的调制和载波规范。 

与前代产品的改进

20 nm XQRKU060基于Xilinx的宇航级定位，其前代产品包括65 nm Virtex-5Q和90 nm Virtex-4QV。 

三代Xilinx宇航级FPGA

与上一代Virtex-5QV相比，XQRKU060的逻辑单元增加了5倍。链路总带宽由56.25G提高到400 Gbps。 

卫星技术的颠覆者？

卫星系统正在迅速发展，逐渐从庞大、昂贵且不灵活的庞然大物演变成小型且高达灵活的设备。XQRKU060旨在提供可重编程性，抗辐射性和计算能力，以使其成为可能。