宇宙最快FPGA產(chǎn)品8年前就已出現(xiàn)？這事得從帕克太陽探測器說起

本文來自公眾號“老石談芯”

8 年前，NASA 和約翰霍普金斯大學聯(lián)合立項，投入 15 億美元打造一款繞日探測衛(wèi)星。2018 年，這款名為“帕克號”的太陽探測器發(fā)射升空。帕克號上的電子系統(tǒng)和儀器組由多個 FPGA 共同控制，幫助帕克號成為有史以來最接近太陽和速度最快的人造航天器。

帕克太陽探測器上的宇航級 FPGA
帕克太陽探測器的主要目標是探究和解決太陽風形成的原因，并研究加速各種高能太陽粒子的神秘力量。帕克太陽探測器是目前人類制造的移動速度最快的物體，在最大軌道速度下，它將以接近每小時 70 萬公里的速度穿越太陽的日冕層。如果在地球上以這個速度航行，不到一分鐘就能從華盛頓到達東京。

正因如此，帕克太陽探測器成就了另外一個里程碑 -- 太陽系中速度最快的 FPGA：來自 MicroSemi 公司的抗輻射宇航級 RTAX4000 系列 FPGA。

盡管這里的“最快”并不是指 FPGA 的運行頻率，而是它們高達 70 萬公里 / 小時的巡航速度，但是這些基于 0.15μm 工藝制造的 FPGA 有著很多獨特的亮點。

在復雜的宇航空間環(huán)境下，存在著大量的高能帶電粒子，它們會造成集成電路中的電子元件的電位狀態(tài)的改變，如從“0”變成“1”，或從“1”變成“0”，這種現(xiàn)象叫做單粒子翻轉(zhuǎn)（Single-Event Upsets, SEU）。這些微小的數(shù)位改變對于數(shù)字系統(tǒng)的影響往往是致命的。因此，在帕克號的 FPGA 中集成了抗 SEU、外加三重冗余保護（Triple Module Redundancy - TMR）的寄存器，使 SEU 發(fā)生的概率降到了十的負十次方。

FPGA 上還有專門的邏輯發(fā)現(xiàn)和修正 SRAM 上發(fā)生的位翻轉(zhuǎn)。即使 SRAM 自帶的錯誤檢測和校正電路發(fā)生故障，這些 SEU 也能被發(fā)現(xiàn)并修正。

此外，RTAX4000 FPGA 采用了金屬對金屬的反熔絲結(jié)構(gòu)互聯(lián)，因此即使受到宇宙離子沖擊也不會改變 FPGA 的邏輯結(jié)構(gòu)。

帕克號基于 FPGA 的 DSP 與控制系統(tǒng)
帕克號配備了五種科學儀器，合稱為“FIELDS”儀器組。它包含了多種傳感器和測試儀表，主要用來測量電場和磁場、等離子體波譜和極化特性、電子密度和溫度分布以及太陽射電輻射等，如下圖所示。

探測器的電子系統(tǒng)包含兩個 Microsemi 公司的抗輻射宇航級 RTAX4000 FPGA 芯片，見下圖紫紅色部分。

其中，一個 FPGA 位于 FIELDS 儀器組內(nèi)，如下圖所示。它主要負責將 26 路傳感器的輸入信號以 150 kSa/s 的采樣速率進行數(shù)字信號處理，以產(chǎn)生光譜和跨譜矩陣，以及對應(yīng)的時間序列數(shù)據(jù)。

另外一個 FPGA 位于探測器的數(shù)據(jù)控制電路板（DCB）上，用來作為 FIELDS 儀器組的主要控制器，如下圖所示。同時，這個 FPGA 負責控制 FIELDS 與航天器的連接和通信，即接收并解碼來自航天器的指令，并將其傳送到儀器組的各個子系統(tǒng)中。

這個 FPGA 包含了一個復雜的外接存儲系統(tǒng)，包含了 32kB 抗輻射 PROM，2MB SRAM，512KB EEPROM 和 32GB 閃存。其中，PROM 中保存著 FIELDS 儀器組的啟動軟件，EEPROM 中保存著儀器組的操作軟件、機載腳本，以及其他儀表的參數(shù)。在儀器啟動過程中，EEPROM 中的數(shù)據(jù)會被傳輸?shù)?SRAM 中運行。

此外，F(xiàn)PGA 還集成了一個 32 位的嵌入式 CPU。這個 CPU 使用了 ColdFire 架構(gòu)，它是上世紀 70 年代末摩托羅拉半導體 68000 處理器的升級版，可以稱得上是微處理器里的活化石和上古神跡了。

在這個 FPGA 中，還實現(xiàn)了 FIELDS 儀器組的模擬信號管理、儀器控制、航天器接口、大容量內(nèi)存控制器，以及 RF 頻譜儀。FPGA 控制 DCB 系統(tǒng)與航天器交換電磁場信息與飛行狀態(tài)，并通過航天器的消息系統(tǒng)跟蹤任務(wù)運行時間。

結(jié)語
帕克太陽探測器的第二個近日點預計將在今年 4 月。在 7 年的任務(wù)中，飛船將經(jīng)歷 24 個近日點，而最后的三個近日點將把宇宙飛船帶到離太陽表面僅 380 萬英里的地方，使得帕克號面向太陽一側(cè)的隔熱罩外的溫度達到 1370 攝氏度。在這個大膽而令人興奮的旅程中，F(xiàn)PGA 的表現(xiàn)十分值得期待。

由于 FPGA 兼顧了性能和功耗，同時有高容錯、強抗干擾的能力，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。希望伴隨著 FPGA 技術(shù)的發(fā)展，人類會在探索宇宙的道路上加速前行。