Stromversorgungsarchitekturen begrenzen New-Space-KI-Missionen

Satellitenentwickler haben eine Schwelle überschritten. Es geht nicht mehr darum, etwas mehr digitale Signalverarbeitung (DSP) in den Orbit zu bringen – es kommen Bordrechner zum Einsatz, die mit terrestrischen Edge-Servern konkurrieren und KI-Inferenz, adaptives Beamforming, dynamisches Spektrummanagement und Echtzeitanalysen mit Hunderten von TOPS ausführen. An diesem Punkt ist die Grenze der Missionsfähigkeit nicht mehr das Datenblatt des Prozessors, sondern die Frage, ob die Stromversorgungsarchitektur in einem kleinen, thermisch begrenzten und strahlungsexponierten Gehäuse Subvolt-Spannungen mit Hunderten von Ampere und einem Einschwing-/Transientenverhalten im Mikrosekundenbereich bereitstellen kann.

Europäisches FPGA für den Weltraum: NG-Ultra nach ESCC 9030

NanoXplore und STMicroelectronics qualifizieren mit NG-Ultra erstmals ein SoC-FPGA nach ESCC 9030. Das Bauteil kombiniert hohe Rechenleistung, Strahlungshärtung und eine vollständig europäische Lieferkette für New-Space-Missionen.

Nicole Ahner

Herkömmliche Stromversorgungstopologien für die Raumfahrt wurden nicht für diesen Bereich konzipiert. Sie gingen von einer moderaten Stromdichte, langsamen Lastschritten und statischen Betriebsprofilen aus. KI-Workloads verstoßen gegen alle drei Annahmen gleichzeitig. Das Ergebnis ist eindeutig: Bei herkömmlichen Bus- und Point-of-Load-/PoL-Konfigurationen wird oft die Stromversorgung – und nicht die Rechenleistung – zum limitierenden Faktor für New-Space-Missionen, die auf KI-Verarbeitung abzielen.

Rechenleistung im Orbit verändert die Anforderungen

Von aktuelleren LEO-Nutzlasten wird erwartet, dass sie an Bord Inferenz, Komprimierung, Routing und autonome Steuerung durchführen, was früher ausschließlich am Boden ausgeführt wurde. Um dies effizient zu bewerkstelligen, setzen Entwickler auf Ultra-Deep-Submicron-FPGAs, adaptive Rechenbeschleunigungsplattformen und kundenspezifische ASICs, deren Core-Spannungen auch bei steigendem Strombedarf weiter sinken.

Der Spacechips AI1-Transponder bietet einen konkreten Stresstest für jede Stromversorgungsarchitektur. Die strahlungsresistente, KI-fähige Prozessorkarte stellt einen KI-Durchsatz von bis zu 133 TOPS im Orbit bereit. Signalverarbeitung und maschinelles Lernen (ML) finden direkt im Orbit statt und nicht am Boden. Die Haupt-KI-Schiene arbeitet bei etwa 0,8 V mit einem Strom im Zeitbereich von 130 bis 150 A – genau in dem Bereich, in dem herkömmliche Bus-plus-PoL-Infrastrukturen ineffizient und schwer zu kühlen sind.

Die Last ist nicht unproblematisch. KI-Beschleuniger wechseln zwischen Leerlauf-, Inferenz- und Burst-Modus und erzeugen dabei schnelle, diskontinuierliche Stromstöße. Spannungsabfall, Überschwingen oder Rauschen in dieser Umgebung führen direkt zu gedrosselten Taktraten, reduzierten Sicherheitsmargen und ungenutzter Rechenleistung. Da die lokale Entkopplung durch Volumen, Masse und die Zuverlässigkeit von MLCCs begrenzt ist, muss das vorgelagerte Stromversorgungsnetz die Hauptlast bei der transienten Reaktion tragen.

Stromversorgung von New-Space-Anwendungen

Die Raumfahrt steht vor wachsenden Herausforderungen durch Wellen- und Teilchenstrahlung. Strahlungstolerante Leistungsmodule für Satelliten im niedrigen (LEO) und mittleren Erdorbit (MEO), versprechen hier eine hohe Betriebssicherheit.

System- und Umgebungsbedingungen im New Space

Im New Space sind die üblichen Designparameter fest miteinander verknüpft. Um die Startkosten zu kontrollieren, werden die Plattformen kleiner. Kleinere Satelliten verbrauchen weniger Energie, obwohl der Energiebedarf durch die Arbeitslasten steigt. Jedes in der Stromversorgungskette verschwendete Watt ist ein Watt, das der Nutzlastfunktion verloren geht, und die Betreiber sind zunehmend weniger bereit, diese Marge zu opfern.

Thermisch gesehen belastet eine hohe Stromdichte das Stromversorgungsnetz (PDN). I²R-Verluste in Leiterbahnen, Durchkontaktierungen und Kabelbäumen steigen mit dem Quadrat des Stroms. Kupfer, das bei einigen 10 A akzeptabel war, wird bei Hunderten Ampere zu einer erheblichen Wärmequelle. Eine Zwangslüftung kann hier nicht Abhilfe schaffen. Die gesamte Abwärme muss durch die Struktur geleitet und abgestrahlt werden, sodass sich PDN-Verluste in Form von mechanischen und massenbezogenen Nachteilen mit größeren Kühlkörpern, schwereren Leitungswegen und aufwendigeren Gehäusen bemerkbar machen.

Rechenleistung und Zuverlässigkeit für die Raumfahrt der Zukunft

Vor 20 Jahren wählte die NASA den Prozessor RAD750 für die Raumfahrt-Datenverarbeitung aus. Die heute viel größere öffentliche und private Raumfahrtindustrie hat einen breiteren und schnell wachsenden Rechenbedarf, den die PIC64-HPSC-MPU erfüllt.

Strahlung verschärft die Anforderungen. Durch die Gesamtdosis ionisierender Strahlung verursachten Parameterverschiebungen werden die ohnehin schon knappen Spannungsreserven bei Schienen unter 1 V weiter verringert. Fallen Einzelereigniseffekte mit Lasttransienten zusammen, entstehen Worst-Case-Bedingungen, sobald das System am stärksten beansprucht wird. Leistungselektronik muss daher der für LEO- und MEO-Missionen typischen Strahlenbelastung standhalten, ohne die mit vollständig strahlungsfesten Sonderlösungen verbundenen Mehrkosten, zusätzliches Gewicht und Verzögerungen im Zeitplan mit sich zu bringen.

Wie steigen Verluste und thermische Belastungen im PDN?

Die meisten herkömmlichen Designs folgen einem bekannten Muster: Ein isolierter DC/DC-Wandler regelt die Spannung auf den internen Bus im Raumfahrzeug herunter; eine Low-Voltage-/LV-Verteilerebene verzweigt die Spannung; lokale PWM-PoL-Regler erzeugen die endgültigen Core-Spannungen in der Nähe der Last. Bei moderaten Strom- und Spannungswerten ist dies praktikabel. Bei 0,8 V und >100 A wird es kontraproduktiv.

•  Verteilungsverluste skalieren mit dem Quadrat des Stroms. Das Durchleiten von Hunderten von Ampere selbst durch sorgfältig optimierte Ebenen erzeugt eine nicht unerhebliche I²R-Erwärmung und einen Spannungsabfall von mehreren 10 mV, den sich Entwickler nicht leisten können.

•  Hartgeschaltete PoLs erzeugen einen hohen Anteil an Oberwellen, der eine aggressive Filterung erfordert – mehr Induktivitäten, mehr Kapazitäten und mehr Kupfer – was wiederum die Impedanz erhöht und die Stromschleifen verlängert.•  Klassische Regelkreise stoßen bei tiefen, schnellen Lastsprüngen an ihre Grenzen. Entwickler sind gezwungen, das Problem mit großen Kondensatorbänken mit niedrigem ESL-Wert abzumildern. Dabei müssen sie Kompromisse bei Größe, Gewicht und Leistung eingehen, ohne dennoch ein ideales Transientenverhalten zu erzielen.

Ab einem bestimmten Punkt ist der Versuch, diese Architektur zu reparieren, wirkungslos. Die Struktur selbst ist für die Last schlecht geeignet.

Stromvervielfachung und faktorisierte Leistungsarchitektur

Spacechips entschied sich, die alte Topologie zu ersetzen, anstatt zu versuchen, sie zu optimieren. Das Unternehmen ging eine Partnerschaft mit Vicor ein, um einen Ansatz zur Stromvervielfachung mithilfe der Factorized Power Architecture (FPA) von Vicor und strahlungsresistenter Module zu implementieren, die speziell auf LEO- und MEO-Missionen ausgerichtet sind.

Die Vicor FPA unterteilt die Leistungswandlung bewusst in zwei unterschiedliche Funktionen:

• Ein PRM-Regler erzeugt aus einem isolierten BCM-Buswandler eine präzise geregelte Zwischenspannung. Im AI1 wandelt ein strahlungstoleranter BCM 100 V um ein Drittel auf 33 V ab und liefert mehrere 100 W bei hohem Wirkungsgrad. Ein weiterer PRM regelt diese Schiene dann auf einen für die Last optimalen Zwischenbus.
• Ein VTM-Stromvervielfacher befindet sich in unmittelbarer Nähe des Prozessors und wandelt die Zwischenspannung direkt auf den 0,8-V-AI-Core um, während er den Strom um das 32-Fache vervielfacht.

Bei gleicher Leistung verringert eine erhöhte Verteilungsspannung den Strom und damit die I²R-Verluste um das Quadrat des Spannungsverhältnisses. Ein Beispiel: Die Bereitstellung derselben Leistung über einen 100-V-Bus anstelle eines 12-V-Busses reduziert den Strom um etwa das 8,3-Fache und die idealisierten Kupferverluste um etwa das 69-Fache (bei gleichem Leiterwiderstand).

In der Praxis verwenden Stromversorgungssysteme in Raumfahrzeugen einen 28-V-Bus. New-Space-Designs mit höherer Leistung setzen zunehmend erhöhte Busspannungen wie 100 V ein, um die Verteilungsverluste weiter zu reduzieren. Schon der Wechsel von 12 V auf 28 V senkt den Verteilungsstrom um etwas mehr als die Hälfte und den I²R-Verlust um etwa das 4- bis 5-Fache, während der Schritt von 28 V auf 100 V bei gleicher Leistung eine weitere Reduzierung des Stroms um etwa das 3,6-Fache und des ohmschen Verlusts um etwa das 13-Fache bewirkt. Dies ist der Unterschied zwischen einer überhitzten Backplane und einem effizienten thermischen Design.

Beispielrechnung für den Strompfad im Orbit : 100 V auf 33 V auf 0,8 V

Um die Auswirkungen auf die Architektur greifbar zu machen, betrachten wir einen repräsentativen Fall, der mit dem AI1-Strompfad übereinstimmt: einen 100-V-Bus in einem Raumfahrzeug, der zwei AI-Schienen speist: eine mit 0,8 V, die andere mit 3,3 V, jeweils geliefert von einem 150-W-VTM für insgesamt 300 W AI-Rechenleistung im Orbit.

Der 150-W-VTM stellt bei 0,8 V etwa 187 A bereit. Zwei solcher Schienen ergeben zusammen 300 W Leistung für KI-Berechnungen nahe dem Chip, noch bevor Spielraum und Wandlungsverluste berücksichtigt werden. Dieser Strom wird nicht über eine Backplane geleitet. Der Sinn der Architektur besteht darin, diese Hunderte von Ampere auf einen sehr kurzen, speziell dafür ausgelegten Bereich in der Nähe der Prozessoren zu beschränken.

Bei einem konventionelleren Bus-plus-PoL-Ansatz mit einer 12-V-Zwischenspannung, die zwei lokale Mehrphasenregler speist, bedeuten dieselben 300 W KI-Leistung etwa 25 A auf der 12-V-Ebene. Bei realistischen Kupfer- und Via-Widerständen auf einer dicht bestückten HF- und Digitalkarte ist ein effektiver Verteilungswiderstand von 10 mΩ nicht zielführend. Bei 25 A verschwendet dieser Pfad etwa 6,25 W durch I²R-Verluste und fällt um 0,25 V ab – mehr als 2 Prozent der 12-V-Schiene – noch bevor der Strom überhaupt die PoL-Wandler erreicht. Eine Skalierung auf 400 W oder mehr für zukünftige Varianten lässt die Verluste und den Spannungsabfall quadratisch ansteigen.

Die AI1-Kette sieht anders aus. Ein strahlungstoleranter BCM nutzt den 100-V-Bus und liefert bis zu 400 W bei einer Zwischenspannung, die ein Drittel der Eingangsspannung (33 V) beträgt. Dies bietet genügend Spielraum, um zwei PRM: VTM-Schienen mit jeweils 150 W zu versorgen. Jeder PRM regelt seinen eigenen 33-V-Zwischenknoten. Jeder VTM wandelt dann die Spannung auf die entsprechende Lastspannung um.

Vicors FPA-Technologie versorgt KI-Transponder von Spacechips

Die Kombination aus Vicors Stromversorgungstechnologie und Spacechips' KI-Transponder AI1 ermöglicht autonome Datenverarbeitung im Orbit. Die Lösung bietet hohe Leistungsdichte, strahlungsresistente Architektur und Einsatzmöglichkeiten für ISR, SIGINT und Erdbeobachtung.

Nicole Ahner

Bei insgesamt 300 W führt der 33-V-Verteilerbus nur etwa 9 A statt 25 A. Bei demselben effektiven Leitungswiderstand von 10 mΩ sinkt der I²R-Verlust auf etwa 0,8 W und der Gleichspannungsabfall auf etwa 0,09 V – weniger als 0,3 Prozent der Zwischenspannung. Dies reduziert die Verteilungsverluste um das 5- bis 8-Fache und verbessert die Spannungsreserve deutlich, was allein dadurch erzielt wird, dass die Hauptlast in einen Bereich mit höherer Spannung und niedrigerem Strom verlagert wird.

Nachgeschaltet wandelt jeder VTM diese 33 V wieder auf 0,8 V herunter und vervielfacht den Strom mit dem Faktor 32 oder 8, sodass die Hochstromschleifen (ca. 187 A in der 32-fach-Schiene) auf wenige Zentimeter Kupfer reduziert werden. Die Leiterbahnen, Vias und Entkopplungen sind dabei speziell für diese Dichte ausgelegt.

Das Nettoergebnis ist, dass dieselbe 300-W-KI-Arbeitslast entweder eine erhitzte, schlecht geregelte 12-V-Ebene in einer Legacy-Architektur belastet oder auf einem relativ kühlen 33-V-Zwischenbus läuft, der zwei lokalisierte Stromvervielfacher in der FPA-Implementierung speist.

Der AI1-Transponder nimmt den letzteren Weg und gewinnt dadurch thermischen als auch spannungstechnischen Spielraum zurück, der andernfalls die Rechenleistung im Orbit einschränken würde.

Elektrische Vorteile für dynamische KI-Lasten

Durch die Platzierung des Stromvervielfachers nur wenige Zentimeter vom FPGA oder ACAP (Adaptive Compute Acceleration Platform) entfernt wird der Hochstrompfad verkürzt. Die dazwischenliegende Kupferleitung ist kurz und breit, und die effektive Ausgangsimpedanz am Chip ist deutlich niedriger als bei jedem vergleichbaren 12-V-Verteilungs- und PoL-Schema.

Die resonante, sanft schaltende Wandlung in den FPA-Modulen reduziert leitungsgebundene und abgestrahlte EMI im Vergleich zu hart schaltenden Alternativen. Ein geringerer Oberwellengehalt ermöglicht leichtere Filter, kürzere Regelkreise und bessere Auslegungsspielräume hinsichtlich der Anforderungen an leitungsgebundene Emissionen nach DO-160, sofern diese für New-Space-Plattformen gelten.

Entscheidend ist, dass der Wandler nicht auf eine langsame Rückkopplungsschleife angewiesen ist, um das Transientenverhalten zu steuern. Sein Betrieb mit festem Übersetzungsverhältnis und seine sehr niedrige Eigenimpedanz ermöglichen abrupte Stromsprünge innerhalb von Mikrosekunden statt im 10- oder 100-ms-Bereich. Eine 0,8-V-Schiene wird dadurch selbst bei KI-Spitzen im Worst-Case-Szenario innerhalb eines engen Toleranzfensters gehalten.

Ein weiterer Vorteil ist die Kapazitätsvervielfachung. Ein stromvervielfachender Wandler skaliert die von der Quelle gesehene scheinbare lastseitige Kapazität um das Quadrat des Windungsverhältnisses. In der Praxis bedeutet dies, dass eine kleine Anzahl sorgfältig platzierter MLCCs an der KI-Schiene sich aus Sicht des vorgelagerten PRM wie ein viel größeres Reservoir verhält. Entwickler können so die Transientenanforderungen erfüllen, ohne die Platine mit empfindlichen, mechanisch risikobehafteten Keramikbauteilen zu versehen.

Wie beeinflusst Strahlung die Energiearchitektur?

Stromvervielfachung: Optimal für anspruchsvolle Anwendungen

Mit steigenden Anforderungen an Stromdichte und Effizienz stoßen herkömmliche Stromversorgungsarchitekturen an ihre Grenzen. Die Factorized Power Architecture stellt eine leistungsfähige Alternative für aktuelle Hochstromanwendungen dar.

Tom Curatolo

Die Stromvervielfachung verändert auch die Herangehensweise der Entwickler an Strahlung im PDN. Strahlungstolerante Vicor-FPA-Module für New Space sind für die bei LEO- und MEO-Missionen typischen Werte (Gesamtionisationsdosis von mehreren 10 krad) qualifiziert. Sie basieren auf redundanten Stromversorgungsketten sowie SEE-toleranter Steuerung, um den Betrieb unter Single-Event-Belastung aufrechtzuerhalten. Der interessantere Aspekt ist jedoch architektonischer Natur.

Durch die präzise Spannungsregelung bei einer höheren, toleranteren Zwischenspannung und Lastabtragung hoher Ströme über einen Wandler mit festem Übersetzungsverhältnis in der Nähe der Last reduziert das Design die Anzahl der Knotenpunkte, an denen eine strahlungsbedingte Parameterverschiebung die 0,8-V-Reserve unmittelbar gefährden kann. Die Regelstufe arbeitet bei mehreren 10 V mit reichlich Spielraum. Ihre Drift und ihr SEE-Verhalten lassen sich durch herkömmliche Leistungsreduzierung und Maßnahmen auf Systemebene bewältigen. Die Wandlungsstufe, die keine komplexe schnelle Rückkopplungsschleife aufweist, ist von Natur aus weniger anfällig für Störungen des Regelkreises.

Die AI1-Implementierung fügt eine weitere Ebene hinzu: Strahlungstolerante Vicor-Module verfügen über zwei Stromversorgungsstränge, sodass die Last von beiden Seiten mit voller Leistung versorgt werden kann, inklusive autonomer Fehlererkennung und Umschaltung. Anstatt jede einzelne Komponente in einem weitläufigen PDN strahlungsfest zu machen, kann Spacechips die Strahlung als ein Problem auf Systemebene mit gut charakterisierten, modularen Bausteinen behandeln.

Für viele LEO- und MEO-Missionen vermeidet dieser strahlungsresistente, modulare Ansatz die Kosten, das Gewicht und die Beschaffungskomplexität von vollständig strahlungsfesten Bauteilen, während die Zuverlässigkeitsanforderungen der Mission dennoch erfüllt werden. Er stellt einen pragmatischen Mittelweg zwischen handelsüblichen Standard-/COTS-Bauteilen und kundenspezifischen strahlungsresistenten ASICs dar.

Grenzen und Perspektiven für KI-Missionen im All

Da Satelliten ein immer höheres Maß an Autonomie an Bord erreichen, wird die praktische Grenze für nutzbare KI zunehmend durch die Stromversorgungsarchitektur bestimmt, saubere, streng geregelte Hochstromschienen unter Worst-Case-Transienten in einer Strahlungsumgebung und innerhalb enger Größen-, Gewichts- und Leistungsbudgets bereitzustellen.

Durch den Übergang von der herkömmlichen Low-Voltage-Verteilung zur Stromvervielfachung mit der Factorized Power Architecture haben Spacechips und Vicor diese Obergrenze angehoben. Der AI1-Transponder ist nicht nur eine weitere HF-Platine. Er beweist, dass sich der Engpass im New-Space-Bereich von der Rechenleistung hin zur optimierten Stromversorgung verlagert hat.

Wird das Stromversorgungsnetz so konzipiert, als sei der Prozessor die knappe Ressource, bleibt Rechenleistung ungenutzt. Wird die Prozessorplatine so konzipiert, als seien Leistungsdichte, Stromverteilung und Strahlungsverhalten die knappen Ressourcen, lässt sich KI der Serverklasse in kleine LEO-Satelliten integrieren – und die Anforderungen an Wärmeableitung und Zuverlässigkeit werden erfüllt.

Das ist der architektonische Wandel, den diese Generation von Missionen erzwingt. Die Stromvervielfachung ist ein Weg, dieses Ziel zu erreichen. (bs)