工业级FPGA正在推进太空AI的基础办法建立

5月14日，随着太空盘算卫星星座当天在酒泉卫星发射中心取得成功，由杭州之江实行室协同全球互助伙伴共同打造的“三体盘算星座”，千星规模的太空盘算基础办法，正式进入组网阶段。
该办法将通过在轨实时处置惩罚数据，解决传统卫星数据处置惩罚效率瓶颈问题，推动人工智能在太空的应用与发展。
无责引用朋友圈的说法，工业级FPGA已置身此中。虽然已非希奇事，但与网络上远观的感受不同，就在身边发生，仍旧颇受震撼。

作为空间飞行器的关键使能技术，加之对数据、图像、算法以原地原位方式，进行近数据源加速处置惩罚，正是其强项，完美契合“天数天算”的端侧应用场景。
之以是没有接纳宇航级FPGA，缘故原由估计也很简单，芯片代价及综合本钱！
既要高性能，也要低本钱，贸易航天大量涌现的这些“既要又要”的新需求，可能也是其与不计本钱保可靠性的传统航天，两者最大不同之处。
按照复旦微《高可靠集成电路产品及应用解决方案（2024【第一版】）》的说法，其对标国外竞品的90nm芯片JFM4VSX55RH，是千万门SRAM型抗辐照FPGA产品，功能上兼容Xilinx XQR4VSX55产品，辐照性能大大加强。
“是国内最强，业界领先的一款抗辐照FPGA产品，可广泛满足航天应用需求。”
但对于“NTN卫星通信网络”等低轨卫星通信市场，很难成为多快好省的“主流”选择。
再者包括车规级、工业级、消费级在内的COTS器件，今非昔比，已经成为新型航天Newspace的主流选择，FPGA芯片自然也不会破例。

从聚焦筛选(Screening)进展到拿来即用(Use an it)

毕竟贸易航天寻求的但是低批快三要素，低本钱、批量化和快速生产部署。
能用便宜的就绝不会用贵的，可谓是
“Their Price go High， Our Price go Low”
政治素人、工程巨子的马斯克，无疑是这方面的集大成者，旗下从运输工具，到Starlink星链、Starshield星盾中使用的FPGA。
虽然动辄几十亿的SpaceX火箭说炸就炸，经常放烟花，但对芯片是真“抠门”，能省则省。
从前就有“龙飞船主控系统的芯片组，听说仅花费2.6万人民币”的壮举。假如使用传统的抗辐射盘算机，单个控制器可能就需要500万，整套系统是1.4亿，本钱仅是后者的不到万分之二。
而在传统航天范畴，也有NASA研发的第一代空间高性能盘算机(SpaceCube)，提供关键交汇对接信号，完成哈勃望远镜的维修任务。相比之下虽然是“小打小闹”，但使用的是赛灵思90nm普通芯片 Virtex-4 FX60，属于工业级 FPGA在太空应用的先驱了。
假如使用传统方式完成同样的工作，需要的抗辐射盘算机将多达25台。
宇航级CPU芯片性能虽然拉跨，但代价感人。从性能表现仅为3 MIPS的MIL-STD-1750A，到性能是其100倍，BAE System公司的“通用型”RAD 750，则是高达20万美元。
地面商用COTS芯片在空间环境使用，仅是器件筛选(Screening)工序，本钱足以上升1个数量级。以英伟达Tegra Xavier GPU为例，代价将“上涨”近20倍。

“普通”FPGA在天上飞的最大阻碍，假如借用@方丈 在《土地财务、居民收入与收入》一文中回复雪友@笔削春秋 的说法，可能同样是“摩擦性服务业代价昂贵”。
假如按照尺度规范实行一套完整流程下来，直接导致本钱像火箭发射一样飙升，干脆能省尽省。
这就像是与上医院看医生差不多，感冒发烧之类的“小毛病”，一言不合首先就是血常规又是尿检之类进行“全流程”筛查，有须要但非必需。
在NASA是创新先驱而非先烈的标杆示范效应下，越来越多的公司更为大胆。贸易航天正成为创新实践的最大助推力，“试错”的应用沃土。在某种程度上，也正成为勇敢者的游戏。
因循“守”旧，墨守“成”规，而创新往往要“冲破”规矩。

软件界说弹性盘算的Resilent Computing公司，逾越三模冗余设计，而更像有9个头的不死鸟一样，在太空恶劣运行环境下做到“生生不息”：在28nm的7A 200T芯片，构建多个软核RSIC-V处置惩罚器，有些雷同“多核芯片”自然互为冗余的先进设计理念。
硬件可重构本领和大量的资源冗余这两本领，正是FPGA在包括航天在内的关键且告急行业应用时，就像是倚天剑和屠龙刀，行走江湖所依仗的法器。
由此产生的更深条理创新更是层出不穷。
航天产业正处于“一个巨大的拐点”，正从以前由政策与国防驱动的周期性行业，转为具备规模效应与网络效应的数字经济产业。
在硬件加速统统的盘算普惠期间，软件正在界说统统。
软件界说卫星的Colossus Computing公司，直接使用商用FPGA和GPU，提供软件界说的通用盘算平台。“在工业级芯片上构建可靠的系统”，提供边缘AI所需的高性能，并能够在太空恶劣环境下稳定运行。
公司以"Colossus"定名，致敬Colossus Computer——改变了战役历程的电子盘算机，二战中被英国用于破译德国暗码。并引用格雷斯·霍普，盘算机编译器女王、美国海军少将的名言，作为公司致力于技术创新的注解：
"It's not that we need new ideas, but we need to stop having old ideas." — Grace Hopper
问题不在于我们需要新想法，而在于我们需要摒弃旧想法。

成立于2017年的初创公司Loft Orbital，看到了“由于高昂的本钱和复杂的工程要求，大多数组织仍旧很难将卫星发射到太空”的贸易化机会，以“软件界说卫星载荷、共享基础办法资源”理念，使任何组织都可以购买到共享卫星的门票。
客户只需部署在轨软件，获得星上载荷服务，从而避免制造、管理和运营自有航天基础办法的高昂本钱和复杂性。
年初完成1.7亿美元C轮融资后，已成为贸易航天范畴新晋独角兽。

从最早的空间高性能盘算平台，小到太空嵌入式盘算机，大到太空AI基础办法，普通FPGA或隐或现，不停深度参加此中。
随着全球化进入到以不信托为主基调的下半场，大国之间的芯片算力之争也开启了“打麻将”模式：麻将的内涵在于通过随机抓牌在杂乱中创造秩序(茱莉亚·罗伯茨)。
全球地缘政治环境发生变化，即便是美国和德国、日本、英国等盟友之间，也会"偕行竞争"或者"近偕行竞争"。
既要盯住对家，还要防住上下家。
在科技创新前沿之一的深圳，保安机场树有这样的广告语：“但凡人能想象之事，必有人能将实在现。”

作为应用创新大国，更何况已经有大量初创公司的成功实践，国内以低轨卫星为代表的贸易航天步伐，同样是越来越快。
距1箭12星成功发射三天之后，5月17日，蓝箭航天的新一代甲烷燃料火箭紧随厥后，这次是1箭6星，覆盖天仪研究院20KG至300KG卫星平台产品，全部进入预定轨道。
Starlink星链中的小卫星制造本钱，据说每公斤约2000美元，而且另有优化空间，非宇航级的FPGA芯片，自然成为其首选。

FPGA虽然可作为代价亲民的“ASIC”使用，按照在Xilinx、Altera两大头部厂商，以及通信大厂HW都有从业历练，仍战斗在一线的资深人士说法，做ASIC，厂家和客户是深度绑定，风险共担；
但是做FPGA，除了芯片质量问题，厂商和客户的责任是解耦的，以是对FPGA厂商来说，还是“老老实实做好自己的平台产品”，更稳妥！
话说一半，所谓责任解耦，可能也只是对“小”用户适用。
这可能多少也解释了，定位为全球第三家高端FPGA厂商的Anchronix公司，在天生式AI广泛已经做到“即开即用”的当下，近来在介绍旗下最新的7nm Speedster 7t FPGA怎样部署llama3时，仍是“手把手”教用户的模特鱼方式。
假如借用雪友@三心五意 对Vivado开辟软件的评价，仅是从处置惩罚大模型的流程图入手、剖析存储访问的次数、带宽，再做切分并行化等流程，就足以让人崩溃。
AMD目前市场份额最大，在航天市场也排名第二，是国产替代的重点对象。

目前有两种替代方式，一是像安路科技、紫光同创、中科芯磁等厂商，软件和硬件都是100%全自主的双一百模式，比如在硬件容量上留有适度的冗余资源，增大布线跑通的几率；
二是复旦微、紫光国微、成都华微等公司，采取直接做同款竞品模式，但需要在位流下载阶段“打补丁”。
在设计流程上，FPGA在位流文件载入芯片，就变成了用户定制设计的“ASIC”芯片，在小卫星等航天范畴应用，还需要考虑“抗辐”因素，那么怎样快速评估应用设计是否已经足够“健壮”了呢？

红杉资本近期在硅谷的《AI的万亿美金机会》分享会中，认为AI应用已经到“鼓吹”卖成果的时候；而一份权威的《低轨贸易卫星抗辐射设计指南》，至少对售卖在地面设计阶段快速搭建SEU仿真环境(SEU Emulation)等软件工具，无疑大有裨益。
包括故障注入测试在内的仿真在内，某种程度上，就相称于实际应用场景下简化版“数字孪生”。
以是，也相称期待韩建伟老师主持编撰的这份指南早些面市，让FPGA用户也能从中受益，少走弯路、节流本钱，真正做到多快好省！
COTS器件通常既包含不得当高可靠应用的器件，也包括得当高可靠应用的器件，将其泛泛视为“低可靠”或者“低等级”，可能也就忽略了存在完全得当高可靠应用的告急COTS子集的事实。
这是NASA近两年对COTS实际应用的切身领会得来的履历升级。
比如车规级芯片(ACE-Q)，由于厂商已经投入更多的质量控制和可靠性保障，因此可以不需要额外测试就可用于航天任务，满足任务环境(M)、应用场景(I)和使用寿命(L)要求。
怎样保障航天任务安全与低落本钱之间取得平衡，提升任务开辟效率，同时减少本钱和风险。
元器件级别的辐射测试(Part-Level Radiation Testing)花费昂贵，对小型空间任务是严重负担，单粒子效应（SEE）划分为五个等级，除了载人任务等S1类强制要求辐照测试外，其它的可以通过功能板级测试来满足要求。
这对国产FPGA厂商是庞大利好。
包括重新界说的“业界领先厂商(Industry Leading Parts Manufacturer, ILPM)”，包括出货量大于1M，对生产环节接纳稳定统计过程控制、高良率保障，能够提供每百万件缺陷数(DPPM)、器件失效率(FIT)，以及AEC-Q车规质量认证等。
目前四家上市公司的FPGA，都符合“业界领先厂商”的成熟COTS器件界说。
紫光国微、复旦微电，以及成都华微，原先就有宇航级/军用级的厂商，则是“扩展了”应用范围。
而对于安路科技，以及启动IPO历程的紫光同创，连同已完成股改的高云半导体、京微齐力等公司在内，要么出货量够大，或者直接有工业级/车规级芯片，相称于不用专门设计抗辐芯片，就“顺势”拿到贸易航天，特殊是低轨卫星的入场券。
本年3月份，欧空局(ESA)的年度FPGA讨论会，开篇就是“尽管几大厂商的应用设计流程雷同，但各人各有各的挑衅”。虽然宇航级FPGA仍旧不可替代，但包括SRAM FPGA在内，特殊是COTS芯片，在新型航天应用场合快速增长。

全文完，感谢您的耐心阅读。