Was ein Prozessor bei der Erdbeobachtung leisten muss

Von den über 6500 in Betrieb befindlichen Satelliten, die den Planeten umkreisen, werden mindestens 1000 von ihnen im Bereich der Erdbeobachtung eingesetzt. Die Bilder, die dabei gewonnen werden, dienen vielen verschiedenen Zwecken, die entweder ökologische oder sozialpolitische Vorteile haben. Durch die Fortschritte in Bildgebungstechnologie erhöht sich die Detailgenauigkeit ständig. Folglich nimmt der Umfang der möglichen Anwendungen zu und die Qualität der Ergebnisse steigt. Leider führt das andernorts zu Problemen. Aufgrund der hohen Auflösung und des wachsenden Datenvolumens treten immer mehr Engpässe auf. In manchen Fällen müssen Daten von Konstellationen mit hunderten Satelliten verarbeitet werden. Auch das ist problematisch, da es zu viel Material gibt. Dieses muss untersucht werden, es sei denn, es wird vorher kategorisiert und der Überschuss herausgefiltert.

In der Vergangenheit war es möglich, relativ kleine Datenmengen direkt zur Erde zu übertragen und dann in speziellen Datenzentren zu verarbeiten. Die Umstellung von einer solchen Rechenzentrumsinfrastruktur auf Cloud-basierte Plattformen sowie die Weiterentwicklung der eingesetzten Sensortechnologie (es werden immer ausgefeiltere Geräte mit höherer Auflösung spezifiziert) haben dazu geführt, dass die Downlinks einfach nicht mehr ausreichen, da sie nicht mit den wachsenden Datenanforderungen Schritt halten können. Folglich ist ein ganz neuer Ansatz erforderlich.

Wenn die Verarbeitung näher an die Quelle verlegt wird, ähnlich wie bei den Edge-Computing-Systemen, die allmählich in terrestrischen Kommunikationsnetzen eingesetzt werden, ergeben sich mehrere entscheidende Vorteile. Erstens ist es nicht mehr notwendig, alle Bilder vor Ort zu sichten, denn es werden nur die wertvollen Bilder übertragen. Zweitens überwindet dies die akuten Einschränkungen bei der Bandbreite. Drittens lässt sich schneller auf neue Situationen reagieren. Dies könnte bei natürlichen oder vom Menschen verursachten Katastrophen wichtig sein, denn sie werden schneller erkannt und Notfalldienste und Hilfsorganisationen können innerhalb eines kürzeren Zeitraums informiert werden (und mehr Leben retten).

Aus den oben genannten Gründe besteht ein großes Interesse daran, die EO-Arbeit von einer zentralisierten Architektur zu einer Edge-basierten Architektur zu verlagern. Anstatt alles zurückzusenden, besteht durch mehr Analysemöglichkeiten auf dem Satelliten selbst die Möglichkeit, dass die erfassten Daten vor Ort interpretiert und dann Entscheidungen über ihre Relevanz getroffen werden können. Dadurch würde der Downlink eines Satelliten viel weniger belastet und es würde auch bedeuten, dass kein Strom für die Übertragung überflüssiger Daten verbraucht wird.

Wenn festgestellt wird, dass die gewonnenen Bilder Objekte zeigen, die von Interesse sind und eine umfassende Analyse verdienen, oder Anzeichen dafür enthalten, dass mit großer Dringlichkeit zu reagieren ist, ist ihre Übertragung eindeutig gerechtfertigt. Umgekehrt gilt, wenn das Material sich als unwichtig erweist, besteht keine Notwendigkeit, es zu übermitteln und die Bandbreite wird nicht verschwendet.

Wichtigste Eigenschaften des Prozessors

Jede Halbleiter-Technologie, die für die Nutzung im Weltraum bestimmt ist, muss über Eigenschaften verfügen, die weit über das hinausgehen, was im Rahmen konventioneller Anwendungsszenarien erwartet wird. Sobald die Hardware im Weltraum ist, kann sie nicht mehr repariert werden, und jeder Schaden oder Problem mit den Funktionen würde die Mission also gefährden. Die Komponenten müssen den starken Erschütterungen und Vibrationen standhalten, denen sie beim Start ausgesetzt sind, sowie den Temperaturextremen, die während der Umlaufbahn von der Sonnenseite zur dunklen Seite wechseln.

Sie müssen auch robust genug sein, um Strahlenexpositonen standzuhalten. Ionen, die auf einen Prozessor treffen, können Single Event Latch-ups (SELs) und Single Event Upsets (SEUs) verursachen. Zusätzlich muss die gesamte ionisierende Dosis (Total Ionising Dosage, TID) berücksichtigt werden, da sich die Lebensdauer eines Geräts dadurch verkürzen kann. Damit sichergestellt wird, dass ein bestimmter Prozessor bei seinem Einsatz im Weltraum dauerhaft funktioniert und das Risiko von Funktionsfehlern ausgeschlossen werden kann, sind umfassende Strahlungstests vorgeschrieben.

Es gibt jedoch noch einige andere Punkte, die nicht übersehen werden sollten. Satelliten verfügen nur über sehr wenig Raum, um die gesamte notwendige Elektronik unterzubringen. Außerdem haben sie ein begrenztes Energiebudget (basierend auf dem, was ihre Photovoltaik-Zellen erzeugen können). Außerdem verfügt die New Space Community im Allgemeinen nicht über große finanzielle Ressourcen. Der Projektaufwand muss sich im Rahmen halten, weshalb die ausgewählten Komponenten preislich attraktiv sein müssen.

Der Raumfahrtsystemintegrator Beyond Gravity, mit Hauptsitz in der Schweiz, entwickelt derzeit eine Hochleistungsprozessorplattform, die eine Echtzeit-Datenverarbeitung auf Satelliten mit Beobachtungsaufgaben in einer niedrigen Erdumlaufbahn (Low Earth Orbit, LEO) ermöglichen wird. Die Lynx-Plattform muss über hohe Rechenkapazitäten verfügen, und darf gleichzeitig das verfügbare Energiebudget nicht zu stark belasteten. Sie muss auch robust genug sein, um einen langfristigen Betrieb im Weltraum zu ermöglichen.

Ausgehend von den bereits erwähnten Aspekten benötigte das Unternehmen eine strahlungstolerante Verarbeitungslösung, auf der anspruchsvolle KI-Algorithmen ausgeführt werden können. Das musste mit minimalem Stromverbrauch geschehen, ohne übermäßigen Platz an Bord zu beanspruchen oder einen zu hohen Preis zu haben.

Beratungen mit den Mitarbeitern bei Teledyne e2v führten dazu, dass eine der Prozessorlösungen des Unternehmens ausgewählt wurde. Dank der Verwendung von handelsüblicher Verarbeitungstechnologie (Commercial-off-the-shelf, COTS) und zahlreicher umfangreicher Screenings zur Auswahl der Einheiten mit der besten Leistung, ist Teledyne e2v in der Lage, Prozessoren anzubieten, die kosteneffektiver sind als kundenspezifische Lösungen.

Der LS1046-Space von Teledyne e2v wurde für die anspruchsvollen Anwendungsbedingungen im Weltraum entwickelt, kann aber dennoch mit Geschwindigkeiten von bis zu 1,8 GHz betrieben werden. Er hat sich zur Standardlösung für die Verarbeitung an Bord von Satelliten entwickelt.    

Dank seiner Mehrkernprozessor-Architektur mit vier 64-BitArm-Cortex-A72-Kernen hat er eine Verarbeitungsleistung von 30k DMIPs. Zu den weiteren Funktionen dieses Prozessors gehören ein effizienter DDR4-Memory Controller mit integriertem 8-Bit Error Corrected Code (ECC), der die Gefahr von Datenverfälschungen reduziert sowie ein 2 MB großer L2-Cache, der alle Prozessorkerne versorgt.

Dieser Prozessor im 780-Ball-BGA-Gehäuse hat einen 23 × 23 mm²-Fußabdruck, d. h. es wird nur minimaler Platz an Bord in Anspruch genommen. Um die Integration vielfältiger Systemdesigns zu ermöglichen, verfügt dieser Prozessor auch über eine Vielzahl an Schnittstellen. Diese umfassen 10 Gbit-Ethernet, PCIe-Gen 3.0, SPI und I2C. 72-Bit-Bus-Breite (wobei 64 Bits den Daten und weitere 8 Bits dem ECC zugewiesen sind). Über die Verarbeitungskapazitäten hinaus weist der LS1046-Space eine hohe Robustheit auf, mit NASA Level 1 und ESA ECSS-Klasse 1 Qualifikationen und einem Betriebstemperaturbereich von -55 bis 125 °C.

Der Prozessor wird begleitet vom DDR4T04G72M von Teledyne e2v, bei dem es sich um einen strahlungstoleranten DDR4-Speicher mit 4 GB handelt, der ein Multi-Chip-Package (MCP) verwendet, um die Speicherdichte deutlich zu erhöhen. Sowohl der Speicher als auch die der Prozessor haben 100 TID-Tests bestanden, d. h. dass sie über eine verlängerte Lebens- und Betriebsdauer verfügen. Sie haben darüber hinaus eine Strahlungstoleranz von 60 MeV.cm²/mg in Bezug auf Single Event Latch-ups und Single Event Upsets, sodass für die funktionelle Sicherheit gesorgt ist.  

Diese Rolle spielt der Software-Aspekt bei weltraumtauglicher und strahlungstoleranter Hardware

Um diese weltraumtaugliche und strahlungstolerante Hardware zu vervollständigen, hat der Teledyne-Partner Klepsydra eine integrierte Software für das Beyond-Gravity-Lynx-Produkt entwickelt. Diese Software wurde für Anwendungen mit begrenzten Ressourcen optimiert. Dank einer proprietären Parallelisierungstechnologie kann sie komplexe KI-Workflows handhaben, während nur geringe Mengen an Energie verbraucht werden und Datenverlust vermieden wird, der ansonsten zu einem Scheitern der Mission führen könnte. Durch den Betrieb des Software-Stack von Klepsydra auf dem LS1046-Space-Prozessor wird eine 50-prozentige Reduzierung der CPU-Last erzielt. Das führt in Kombination mit der Verdreifachung der Gesamtverarbeitungskapazität zu einer deutlichen Reduzierung der Latenz. Die Leistung der Software wurde mit Hilfe von KI zur Identifizierung von Points of Interest in aufgenommenen Bildern und zur Erkennung von Wolken gemessen. Der dazu genutzte Algorithmus ist ein sehr wichtiger Forschungsbereich, weil er feststellen kann, ob die Wolkenbedeckung zu hoch ist, um die aufgenommenen Bilder zurückzusenden.

Zu den zahlreichen Anwendungen für die Erdbeobachtung, bei denen diese Technologie genutzt werden kann, gehören die Überwachung der Entwaldung oder der Urbanisierung, die intelligente Landwirtschaft, die Erkennung von Wolken, die Erfassung von Gletscherbewegungen, die Untersuchung von Überschwemmungen und Waldbränden, die Verfolgung militärischer Aktivitäten usw. Sie kann auch potenziell Verwendung finden, um ein Frühwarnsystem für lebensgefährliche Ereignisse entwickeln, wie z. B. Tsunamis.

Schlussfolgerung

Die Anwendung von Edge-based Computing-Prinzipien bei Bausteinen, die im Weltraum eingesetzt werden, kann Probleme im Zusammenhang mit der begrenzten Downlink-Bandbreite entschärfen. Denn es werden nur Daten übertragen, die wirklich wertvoll sind.  Die Nutzung der KI für die Verarbeitung an der Quelle sorgt für einen wesentlich effektiveren Arbeitsablauf und ermöglicht eine sachkundige Entscheidungsfindung.

Obwohl bei weltraumgestützten Prozessoren die Zuverlässigkeit immer Vorrang vor der Leistung hatte, werden heute beide gleichermaßen benötigt. Durch die Zusammenarbeit zwischen Teledyne e2v, Klepsydra und Beyond Gravity wird die Entwicklung einer neuen Generation von Satelliten und Weltraumfahrzeugen möglich. Diese Generation wird über die notwendige Rechenleistung verfügen, um komplexe KI-Algorithmen auszuführen, und dies wird zu einem höheren Maß an Autonomie führen, das dringend benötigt wird, um anhand der erfassten Bildgebungsdaten Entscheidungen zu treffen und die Operationen effizienter und ohne eine übermäßige Beanspruchung der Bandbreitenkapazität oder der Stromreserven durchzuführen.