Space 2.0的主要趋势

作者：INDERJIT SINGH，MINAL SAWANT

Space 2.0代表了国防和航空航天应用发展的重大转变：随着人工智能（AI）应用的到来，系统必须支持更高的处理和吞吐量能力。在轨处理需要自适应架构，以便系统可以处理、分析和重新配置自身，以优化性能和响应能力。这反过来又推动了有机包装和可靠性的创新。最后，为了构建这些复杂的系统，工程师需要更高的设计敏捷性来加速开发、降低成本并缩短发布时间。

对于空间设计来说，从来没有比这更激动人心的时刻了。开发和发射系统到太空不再只是政府所能及的。私营企业的创新、敏捷性和愿景正在迎来一个全新的时代：Space 2.0。太空的形态正在远远超出传统的国防和航空航天领域，扩展到广泛的实际和有利可图的应用。

考虑SpaceX的低地球轨道卫星星座，以提供宽带连接。由于这些卫星进入轨道所需的燃料更少，发射成本也更低，因此它们可以提供价值，同时预期寿命仅为四到五年。在这段时间里，技术将取得进步，下一代卫星将准备好取代它们。

新兴趋势

对低地球轨道星座的巨大兴趣远远超出了简单地连接世界上70多亿人的范围。这项技术有无数的应用。使用传统卫星可能需要长达一个月的时间来处理图像。相比之下，一组较小的飞行器可以提供实时成像，可以立即用于帮助地面上的消防员，使用高光谱相机和合成孔径雷达探测和跟踪飞机等物体，或改变用户导航的方式地球，仅举几例。

低地球轨道卫星也可能意味着更短的任务，从而降低风险和成本。以这种方式使用卫星意味着可能会加快太空创新的整体步伐，更早地转向更新的工艺节点和封装技术。当有效载荷可以每五年更新一次而不是每10到20年更新一次时，这使得任务专家能够用更少的资源做更多的事情。

主要趋势之一是在轨处理的兴起，这需要更多的计算和输入/输出（I / O）插槽;这反过来又推动了向有机BGA（球栅阵列）封装的转变，并远离陶瓷柱栅连接解决方案等传统技术。还可以看到：开发敏捷性的急剧提高，从而加快了评估、原型设计和新技术的推出。

空间设计的挑战

在太空中操作存在一些最具挑战性的设计障碍：首先，环境是极端和无情的，系统必须加固，并且设计为无单点故障。在太空中，维护停机时间不是一种选择。此外，设计人员必须应对以下挑战：

下行带宽有限：卫星可以捕获大量数据;然而，通往地球的管道不够宽，无法将其全部送回。

更快的上市时间：随着开发扩展到传统国防和航空航天应用之外，推出新产品的窗口正在缩小。

为重用而设计：天基系统不再是一劳永逸的;它们现在必须是其IP可以在多个特派团中重复使用的平台。

低延迟和高带宽：为了使宽带通信可行，系统必须具有最小的延迟和无缝可靠的连接。

太空中的机器学习

解决这些设计挑战的基础是从地面站卸载处理并将其引入机载。卫星不会将数据和图像发送到地球进行处理 - 并引入与此相关的所有延迟 - 卫星将自己处理数据并发送有关数据含义的信息。这需要卫星开始支持在轨人工智能功能，包括物体检测和图像分类。

使在轨处理可行的一个关键部分是了解人工智能是一个不断变化的研究领域，机器学习 （ML） 模型需要不断优化。首先，ML 模型可以随着时间的推移进行调整，变得更快、更准确。其次，算法本身会随着新突破的实现而变化。因此，天基系统需要一个灵活和自适应的架构，可以“动态”改变模型和算法。

由于涉及ML，可编程软件是不够的。ML 是计算密集型的，需要硬件加速才能提供实时响应能力。当算法发生变化时，加速算法所需的硬件也会发生变化。因此，自适应平台需要可配置的软件和硬件的组合，这些软件和硬件可以相互协调地更新。简而言之，为了支持在轨处理，系统需要能够处理、分析和重新配置从架构到应用代码。

迈向有机包装

能够提供可靠的系统组件，这些组件将在所需的长任务寿命和太空中的极端环境中运行，需要完全不同的设计、制造和测试水平。质量控制必须从一开始就与设计团队合作，以达到政府要求的可靠性水平。

例如，Six Sigma是国防和航空航天工业30多年来公认的可靠领导者，是陶瓷网格阵列封装焊柱附件的唯一供应商，主要用于空间应用。虽然政府一直在积极寻找第二个来源，但提供六西格玛提供的世界级可靠性所需的流程和专业知识非常严格，迄今为止，还没有其他供应商能够获得认证。

随着行业转向 7 nm 技术等新工艺节点，芯片对于传统的空间级封装和焊柱连接等技术来说太大了。简而言之，在轨AI的处理要求将不再适用。还需要考虑 I/O 的显著增加。

因此，该行业开始从传统封装转向用于太空级产品的有机封装和倒装芯片封装。除了能够支持所需的更大芯片尺寸和I/O外，有机封装的可靠性已在商业市场上得到证明，并具有更广泛的支持生态系统。

当然，仍有挑战需要克服：太空发展不会在一夜之间发生变化。鉴定太空级产品需要数年时间，许多遗留的生态系统将继续需要支持。然而，国防部门有兴趣获得最新技术，参与者明白创新意味着变化。

天基设计和系统的持续创新

国防和航空航天工业以及任何考虑天基应用的公司都需要能够为Space 2.0应用提供必要的性能、适应性和可靠性的技术。然而，仅有新技术是不够的。随着系统变得越来越复杂，集成组件的难度也变得越来越具有挑战性。即使评估一个简单的 ML 平台也可能需要数周时间，因为开发人员必须自己集成来自多个供应商的组件。

了解开发人员在构建可靠的空间系统时面临的苛刻要求至关重要。

真正的创新和在轨可重构性将通过以下方式实现：

2.5/3D芯片集成与封装技术

小芯片和芯片到芯片 （C2C） 互连技术

AI 引擎和特定于领域的架构

下一代路由可消除拥塞

类似 ASIC 的时钟，具有灵活的时钟放置和偏斜平衡

智能 3D 分析放置工具，可优化时序、拥塞和导线长度

以 ML 为中心的应用程序工具支持的软核处理器

Space 2.0承诺了一个令人兴奋的未来。私营部门推出自己的系统的能力为该行业带来了新的视野。在轨处理将把天基系统的能力扩展到可行的商业应用中，提高全世界的生活质量。真正的无限在轨可重构性为这些系统提供了实施和加速实时人工智能功能所需的软件和硬件灵活性。向有机封装的转变将使该行业能够加入下一代系统所需的处理和I / O。OEM 将享受设计敏捷性的诸多好处，因为评估、设计、调整和重用基于空间的 IP 变得更加容易。

审核编辑：郭婷