通过统一内存架构实现下一代太空物联网
作者：paul armijo，kristine schroeder
太空的独特环境挑战需要真正的分布式边缘计算来实现规模和自主操作——这些系统必须具有足够的处理能力和改进的内存架构，以支持实时数据的大量收集和处理。围绕包含通用存储器的通用灵活架构进行标准化对于实现具有优化尺寸、重量、功耗和成本 （swap-c） 的稳健设计至关重要，这些都是空间社区的关键要素。然而，在最近的自旋转矩传递（stt）磁阻随机存取存储器（mram）解决方案出现之前，还没有传统的存储器技术可以支持这一关键角色所需的可靠性、速度和鲁棒性。
具有日益先进功能的新兴卫星星座有望提供洞察力和增强的空间通信，以反映地面物联网（iot）系统甚至数据中心的洞察力和增强的通信。从行星气候监测到银河系探索，科学研究现在正在最终前沿与商业用途模型相交，这得益于较低的进入成本和更快的时间表。
合成孔径雷达（sar）等新技术以更高的分辨率、范围和波长辨别能力增强了传统的光学传感器和射频（rf）图像，以促进与商业和国家安全利益相关的新发现和机会。（表1）。
［表1 |比较了常见的非易失性存储器技术。
这些增强功能导致数据流从十年前的兆比特每秒（mbits/sec），然后到几年前的千兆比特每秒（gbits/sec），再到今天看到的惊人的每秒太比特（tbits/sec）。先进处理能力、传感器融合数据和人工智能 （ai） 的这种升级推动了通信速度和内存密度要求的相应提高;然而，这些挑战在太空环境中被放大了。
为了最大限度地减少实时处理的延迟，收集的传感器数据需要在空间物联网资产上本地处理。地面带宽仍然非常有限，导致需要比传统内存技术商业上可行的内存资源大得多的内存资源。考虑到辐射弹性要求 - 以及轨道卫星的复杂电源动态 - 以及具有足够鲁棒性，尺寸和性能的可行存储器选项范围大大缩小。
随着时间的推移，太空界见证了从大型卫星到分布式小型卫星的过渡，导致小型卫星总线、通信系统和推进子系统的标准化。像darpa（国防高级研究计划局）的blackjack等项目都推动了创新，并为标准化平台打开了大门，以提高设计、测试和部署的效率。
通过使用灵活的fpga（现场可编程门阵列）等技术实现标准化，使设计人员和工程师能够重新调整功能用途，摆脱单点解决方案。灵活的sbc（单板计算机）和gpu（图形处理单元）也发生了类似的演变，从前几代sbc，如bae系统公司的rad750，用于nasa火星探测器平台，到他们最新的rad5545以及其他平台，包括ddc的scs3740，moog的gpu sbc和space micro的proton 600k。所有这些以前仅限于地面系统的额外处理能力需要更多的内存来存储系统的启动映像，然后执行计算。图 1 显示了这些不断发展的 sbc 的内存需求进展。
［图1 |图表显示了星载单板计算机内存需求的演变。
这些存储器，就像处理器本身一样，仍然需要显著的辐射效应缓解来克服固有的漏洞。此外，它们在功能上相当专业，因此效用有限。在检查常用的非易失性存储器技术（如闪存）时，暴露于辐射会物理上取代浮栅中的电子，从而改变电池的状态并导致位错误或seu ［单事件翻转］。随着辐射强度的增加，辐射暴露产生的这些闪光误差在高海拔地区显着增加。nand闪存最容易受到seu的影响，导致需要大量的冗余和开销，并最终降低存储密度。
它们还需要可靠性降低，需要外部纠错和磨损均衡，从而扩大所需的占地面积。eeprom、nor和sonos等传统技术提供了公认的鲁棒性，但由于传统技术携带大型几何电荷泵，因此不允许紧凑的尺寸和密度缩放。同样，易失性dram和sram技术容易受到辐射暴露造成的单事件闩锁（sel）的影响，需要电源复位才能恢复，危及关键数据，并可能损害设备本身。在绕地球运行的卫星中，这种故障可能对系统功能和寿命造成毁灭性打击。
通用存储器架构可以处理这些处理平台的非易失性和易失性存储器需求，从而减少了对增加测试和辐射缓解资源的需求，这些资源增加了系统的尺寸、重量和功率（swap）。非易失性旋转扭矩传递磁性ram（stt-mram）的密度可以与nand和dram竞争，同时不需要外部纠错或磨损均衡，速度类似于sram，并且可靠性和鲁棒性最适合在空间中使用。stt-mram本质上不受辐射和磁场的影响，并且足够灵活，能够取代空间中的易失性和非易失性存储器实例。
直接解决更高性能平台设计中发现的这些挑战，真正统一的内存可用于fpga和处理器启动代码等，同时还能够在收集或分析期间存储数据。具体来说，它可以支持最新 fpga 平台之一的完整启动映像，例如 amd/xilinx versal 器件，每个副本需要 1 gb;大多数用户还需要维护一个“黄金副本”以及一些额外的副本。
与以前的设备版本（包括 sirf/virtex-5qv）相比，这是一个巨大的飞跃，其启动映像可以放入单个传统的 64 mb mcm 切换 mram。如今，单个 bga ［球栅阵列］ 封装中有超过 8 gb，预计到 2022 年底将包含 ddr3 接口的 16 gb，现在除了启动映像之外，还可以加载 linux 等 rtos，同时仍有空间提供持续的处理支持，取代 nor、dram 和 nand 设备。这种无处不在、密度和稳健性水平将使空间物联网和数据中心所需的这些灵活处理平台的优化、标准化和扩展成为现实。（图2。
［图2 |图为：一个名义上的星载处理系统。
这种平台优化和标准化使公司能够使用经过验证的硬件和可用的操作系统，以更低的风险和规模经济在新维度上创新系统功能，而不必开发、测试和缓解自己的人工智能硬件平台。太空数据中心的出现与地面数据中心有相似之处，在地面数据中心中，公司可以专注于利用先进的传感器和数据分析，这些传感器和数据分析来自已经针对swap-c扩展进行了优化的经过验证的处理和内存平台。随着这些数据中心管理的数据增长到数十tb，确定性连接以及由于电源中断而导致数据丢失风险低至关重要。avalanche technology提供来自数百颗低地球轨道（leo）空间物联网卫星的流链路的l4缓存，以及作为数据分析和ml / dl ［机器学习/深度学习］模型生成计算机的大容量存储的地面基站。通过使用这种具有sram性能的高密度非易失性stt-mram，来自传感器的流瞬态数据可以在提交到nand或始终在线的dram之前存储。（图 3。
［图3 |图示：具有统一内存架构的简化星载处理系统。
空间物联网微型卫星的巨型星座正在leo上线，希望将其数据与空间数据中心同步，而无需依赖与地球的连接，并将依赖于统一的内存架构。这是有朝一日将部署在月球和火星轨道上的系统的试运行。
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具有日益先进功能的新兴卫星星座有望提供洞察力和增强的空间通信，以反映地面物联网（iot）系统甚至数据中心的洞察力和增强的通信。从行星气候监测到银河系探索，科学研究现在正在最终前沿与商业用途模型相交，这得益于较低的进入成本和更快的时间表。
合成孔径雷达（sar）等新技术以更高的分辨率、范围和波长辨别能力增强了传统的光学传感器和射频（rf）图像，以促进与商业和国家安全利益相关的新发现和机会。（表1）。
［表1 |比较了常见的非易失性存储器技术。
这些增强功能导致数据流从十年前的兆比特每秒（mbits/sec），然后到几年前的千兆比特每秒（gbits/sec），再到今天看到的惊人的每秒太比特（tbits/sec）。先进处理能力、传感器融合数据和人工智能 （ai） 的这种升级推动了通信速度和内存密度要求的相应提高;然而，这些挑战在太空环境中被放大了。
为了最大限度地减少实时处理的延迟，收集的传感器数据需要在空间物联网资产上本地处理。地面带宽仍然非常有限，导致需要比传统内存技术商业上可行的内存资源大得多的内存资源。考虑到辐射弹性要求 - 以及轨道卫星的复杂电源动态 - 以及具有足够鲁棒性，尺寸和性能的可行存储器选项范围大大缩小。
随着时间的推移，太空界见证了从大型卫星到分布式小型卫星的过渡，导致小型卫星总线、通信系统和推进子系统的标准化。像darpa（国防高级研究计划局）的blackjack等项目都推动了创新，并为标准化平台打开了大门，以提高设计、测试和部署的效率。
通过使用灵活的fpga（现场可编程门阵列）等技术实现标准化，使设计人员和工程师能够重新调整功能用途，摆脱单点解决方案。灵活的sbc（单板计算机）和gpu（图形处理单元）也发生了类似的演变，从前几代sbc，如bae系统公司的rad750，用于nasa火星探测器平台，到他们最新的rad5545以及其他平台，包括ddc的scs3740，moog的gpu sbc和space micro的proton 600k。所有这些以前仅限于地面系统的额外处理能力需要更多的内存来存储系统的启动映像，然后执行计算。图 1 显示了这些不断发展的 sbc 的内存需求进展。
［图1 |图表显示了星载单板计算机内存需求的演变。
这些存储器，就像处理器本身一样，仍然需要显著的辐射效应缓解来克服固有的漏洞。此外，它们在功能上相当专业，因此效用有限。在检查常用的非易失性存储器技术（如闪存）时，暴露于辐射会物理上取代浮栅中的电子，从而改变电池的状态并导致位错误或seu ［单事件翻转］。随着辐射强度的增加，辐射暴露产生的这些闪光误差在高海拔地区显着增加。nand闪存最容易受到seu的影响，导致需要大量的冗余和开销，并最终降低存储密度。
它们还需要可靠性降低，需要外部纠错和磨损均衡，从而扩大所需的占地面积。eeprom、nor和sonos等传统技术提供了公认的鲁棒性，但由于传统技术携带大型几何电荷泵，因此不允许紧凑的尺寸和密度缩放。同样，易失性dram和sram技术容易受到辐射暴露造成的单事件闩锁（sel）的影响，需要电源复位才能恢复，危及关键数据，并可能损害设备本身。在绕地球运行的卫星中，这种故障可能对系统功能和寿命造成毁灭性打击。
通用存储器架构可以处理这些处理平台的非易失性和易失性存储器需求，从而减少了对增加测试和辐射缓解资源的需求，这些资源增加了系统的尺寸、重量和功率（swap）。非易失性旋转扭矩传递磁性ram（stt-mram）的密度可以与nand和dram竞争，同时不需要外部纠错或磨损均衡，速度类似于sram，并且可靠性和鲁棒性最适合在空间中使用。stt-mram本质上不受辐射和磁场的影响，并且足够灵活，能够取代空间中的易失性和非易失性存储器实例。
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［图2 |图为：一个名义上的星载处理系统。
这种平台优化和标准化使公司能够使用经过验证的硬件和可用的操作系统，以更低的风险和规模经济在新维度上创新系统功能，而不必开发、测试和缓解自己的人工智能硬件平台。太空数据中心的出现与地面数据中心有相似之处，在地面数据中心中，公司可以专注于利用先进的传感器和数据分析，这些传感器和数据分析来自已经针对swap-c扩展进行了优化的经过验证的处理和内存平台。随着这些数据中心管理的数据增长到数十tb，确定性连接以及由于电源中断而导致数据丢失风险低至关重要。avalanche technology提供来自数百颗低地球轨道（leo）空间物联网卫星的流链路的l4缓存，以及作为数据分析和ml / dl ［机器学习/深度学习］模型生成计算机的大容量存储的地面基站。通过使用这种具有sram性能的高密度非易失性stt-mram，来自传感器的流瞬态数据可以在提交到nand或始终在线的dram之前存储。（图 3。
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