Das 20 nm Radiation Tolerant (RT) Kintex Ultrascale FPGA XQRKU060 kann im Orbit unbegrenzt rekonfiguriert werden. Flugfähige Einheiten des XQRKU060-1CNA1509 FPGA werden, von Xilinx Class-B und Class-Y nach MIL-PRF-38535 getestet, ab September dieses Jahres verfügbar sein. Samples und Prototypen sind bereits lieferbar.

FPGA von Xilinx

Die Strahlungstoleranz über alle Orbits beträgt TID > 100 Krad/si und SEL >80 MeV x cm2/mg. Xilinx

Nach Auskunft von Minal Sawant, Systemarchitekt und Space Products Manager bei Xilinx, ist der Baustein nicht durch den unter dem Namen Starbleed bekannt gewordenen Hack angreifbar. Dasselbe gilt auch für alle anderen in 20 nm und kleiner gefertigten Xilinx-FPGAs.

Das FPGA ermöglicht außerdem erstmals Machine Learning im Weltraum. Ein Portfolio an ML-Entwicklungstools mit Unterstützung der Industrie-Standard Frameworks, einschließlich Tensor Flow and Py Torch, ermöglicht die Beschleunigung der Inferenz mit neuronalen Netzen für Echtzeit Onboard-Verarbeitung. Möglich sind bis zu 5,7 Tera Operationen pro Sekunde mit Peak-INT8-Performance. Xilinx verfügt bereits über 65 nm Space-grade Bausteine und hat jetzt mit den 20-nm-Bausteinen drei Prozesstechnikgenerationen übersprungen.

„Mit unserer langjährigen Entwicklungsgeschichte führender strahlungs-toleranter Technologien und deren Einsatz in zuverlässigen Space-grade Lösungen baut Xilinx mit der Einführung der weltweit fortschrittlichsten Prozessorgeneration für Raumfahrtanwendungen seinen Vorsprung weiter aus“, sagt Minal Sawant, Systemarchitekt und Space Products Manager bei Xilinx. „Das 20-nm RT Kintex UltraScale FPGA übertrifft die geltenden Industrie-Standards und setzt einen neuen Benchmark für die hohen Compute-Anforderungen breitbandiger Payloads bei der Erkundung des Weltraums mit komplexen Missionen.“

FPGA

Minal Sawant, Systemarchitekt und Space Products Manager bei Xilinx. Xilinx

Rekonfigurierbare Verarbeitung

Die Fähigkeit zur In-Orbit-Rekonfigurierung ermöglicht in Verbindung mit der Echtzeit-Onboard-Verarbeitung und ML-Beschleunigung das Echtzeit-Updating von Satelliten, die Anlieferung von Video-on-Demand und die on-the-fly Verarbeitung komplexer Algorithmen. Die ML-Fähigkeiten lösen eine Vielzahl von Problemen, von wissenschaftlichen Analysen, Objekterkennung, bis zur Bildklassifizierung (zum Beispiel Wolkendetektion). Bei der ständigen Änderung von Protokollen und Applikationen ermöglicht die adaptive Compute-Architektur des FPGAs die unbegrenzte Rekonfiguration im Orbit. Damit können die Anwender kurzfristige Updates ihrer Produkte noch vor dem Start und auch nach deren Platzierung im Orbit vornehmen.

Performance und Resilienz für die Raumfahrt

Das FPGA ist mit 2760 Ultrascale DSP-Slices ausgestattet und ermöglicht bis zu 1,6 TeraMACs an Signalverarbeitung. Die verbesserte Rechenleistung im Weltraum passt zu der massiven I/O-Bandbreite durch 32 Transceiver (SerDes), die bis herauf zu 12,5 Gbit/s verarbeiten und eine Gesamt-Bandbreite von 400 Gbit/s realisieren.

Der Baustein ist in einem 40 mm x 40 mm Keramikgehäuse untergebracht, das hinreichend vibrationsfest ist, um die Vibrationen während des Launch und die Strahlungsbelastung in den rauen Orbit-Umgebungen zu überstehen. Die Architektur ist gegen Störungen durch Single-Event-Effekte (SEE) ausgelegt und erfüllt damit die Anforderungen der Industrie für alle Orbits, einschließlich dem Low-Earth Orbit (LEO), Medium-Earth Orbit (MEO), dem geosynchronen Orbit (GEO), sowie von Deep-Space Missionen. Die Strahlungstoleranz über alle Orbits beträgt TID > 100 Krad/si und SEL >80 MeV x cm2/mg.

Das XQRKU060 FPGA kommt mit der Entwicklungsumgebung Vivado. Zusätzlich bietet die Unified Software Platform Vitis Unterstützung für die Embedded-Software-Entwicklung auf dem Triple Modular Redundant (TMR-fähigen) Microblaze Prozessor. Künftige Erweiterungen werden die Unterstützung von Vitis AI, der Unified Software Platform für AI-Inferenz auf Xilinx-Bausteinen, und Production Cards einschließen.