採用了大量FPGA，即將發射的美國火星漫遊車技術揭秘
2020-07-24 EETOPEETOP
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來源：EETOP編譯自mynavi
即將發射的美國火星漫遊車「毅力號」（Perseverance）將配備多種觀測設備，用於搜索生命跡象等，FPGA也被廣泛應用於整個車輛。
最近Xilinx公司系統架構師Minal Sawant的透漏了更多關於FPGA用於火星探測車細節。
Minal Sawant
在此我們為大家做一個簡單介紹。
FPGA用於太空示例
雖然人們滿懷熱情地報導了太空飛行器和漫遊車的成功，但很少有人對其內部使用的是什麼部件感興趣。但從2000年開始，FPGA在太空中的應用不斷擴大，比如已被應用於銥星Next通信衛星和OSIRIS-REx小行星探測器。
使用xilin FPGA的衛星和太空飛行器示例
在JAXA衛星中也有採用
而對於火星探測器，FPGA的首次使用是2003年的勇氣號(Spirit)和機遇號(Opportunity)火星漫遊車，採用了Virtex-1系列FPGA用於的電機控制。 其中，"機遇號 "持續探索火星表面15年，大大超過了預期的3個月的壽命，證明了其可靠性。
美國火星探測車：越做越大，功能越來越多
起始於從勇氣號/機遇號，火星漫遊車開始使用FPGA
2011年的"好奇號 "則採用了Virtex-2系列。隨著重量一下子增加到900公斤左右，儀器數量的增加，FPGA的使用範圍也隨之擴大，在MAHLI和ChemCam等儀器和總線設備中都有使用。
於2020年推出的毅力號（Perseverance）將在「 LVS」（Lander Vision System）中使用Virtex-5系列「 XQR5VFX130」。
毅力號將採用與好奇號相同的「天車」模式降落在火星上。首先，用降落傘減速，然後在大約1英裡（1.6公裡）的高度分開。從那裡，下降模塊的火箭射流減速以懸停，懸掛繩索，並輕輕地將先前懸掛在地面上的流動站掉落。這是「空中的起重機」。
相同的 "天吊 "方式登陸火星。用降落傘減速後，太空飛行器將在1英裡（1.6公裡）的高度分離。從那裡，漫遊車將被下降艙的火箭火力減速、懸停，然後通過懸掛繩索緩緩下降到地面。是真正的 「空中的起重機」。
需要注意的是，火星表面也有危險的山脈和山谷。探測器需要下降到預先選定的平坦地點，以便安全著陸，而在下降過程中觀察地表的LVS將被用來幫助導航。通過比較攝像頭的圖像和地圖數據，漫遊車可以確定其當前位置。
XQR5VFX130被用作圖像處理的硬體加速器，在勇氣號/機遇號中只使用20MHz的CPU（RAD6000），計算時間約為160秒，而毅力號使用200MHz的CPU（RAD750）和FPGA之間進行分工處理，使其速度提高了18倍，降至僅8.8秒。
毅力號的LVS，在中心「視覺計算元件」中使用了FPGA
毅力號還將其FPGA用於其他觀測設備和總線儀器，如 "PIXL"、"Mastcam-Z "和 "SHERLOC"。
使用相同FPGA的毅力號設備
為什麼使用FPGA
現場可編程門陣列（FPGA）是一種可以由用戶自由重新配置（編程）的集成電路。另一方面，ASIC具有高性能、低功耗的特點，但其電路不能改變。FPGA是CPU和ASIC的良好結合，其自由度高，功耗低。
對於量產產品來說，開發一個專門的ASIC是有利可圖的，但對於衛星和空間探測器來說，基本上最多也就幾十臺，這點用量ASIC明顯不適合。而FPGA不需要大量的初始成本，而且可以馬上設計出來，對於航天來說，FPGA可能是非常適合的。
據Xilinx公司介紹，從2000年左右開始，Xilinx就開始提供空間級FPGA。在太空中，FPGA具有與地面一樣的優勢，尤其是發射後可以重寫。Sawant指出："由於能夠靈活地適應任務變化，它還將延長衛星本身的壽命。
xilinx 的太空FPGA。使用了特殊的陶瓷封裝
然而，太空中的空間輻射很強，會帶來半導體電路中被稱為 "單次事件效應"（SEE）的問題。單個事件包括存儲器反轉超限（SEU）和過流閂鎖（SEL）。由於這些事件會導致故障和失效，因此在太空中使用它們需要很高的抗輻射能力。
該公司提供了兩款空間級FPGA，分別是90納米工藝的Virtex-4QV和65納米工藝的Virtex-5QV。"4QV "採用了與消費類產品相同的矽片，而 "5QV "則在設計本身內置了抗輻射功能（RHBD:Radiation Hardened by Design），"我們已經能夠將顛覆的發生限制在一年兩次左右" ，Sawant表示。
作為下一代產品，該公司於2020年5月宣布了20 nm工藝「 RT Kintex Ultra Scale」，目前正在樣品供貨中。這是一款一次性跳過幾代流程的高性能產品，預計將除了做圖像處理外還可用於機器學習。
通常，隨著製造過程變得越來越精細，晶片會變得更容易受到輻射的影響，但是RT Kintex UltraScale「通過設計架構和設計，使其很難發生單一事件。」那。
通常情況下，隨著製造工藝的變小，相對來說更容易受到輻射的影響，但據xilinx的RT Kintex UltraScale 過在架構和設計上下功夫，使單一事件難以發生，提高了抗輻射能力。
目前毅力號定於7月30日（美國時間）發射。預計在2021年2月登陸火星。
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