NASA招募Microchip，SiFive基于RISC-V开发用于自主太空任务的12核处理器SoC

美国宇航局的喷气推进实验室（JPL）选择Microchip设计和制造基于SiFive的八个RISC-V X280内核的多核高性能航天计算机（HPSC）微处理器SoC，矢量处理指令扩展分为两个集群，并增加了四个额外的RISC-V内核用于通用计算。该项目的运营目标是开发“飞行计算技术，与目前的航天计算机相比，该技术将提供至少100倍的计算能力”。在最近的RISC-V峰会上，HPSC领导团队成员兼JPL顾问Pete Fiacco解释了HPSC计划的总体目标。

尽管有这个名字，但HPSC并不是严格意义上的空间处理器SoC。它被设计成一台可靠的计算机，适用于地球上的各种应用——如国防、商业航空、工业机器人和医疗设备——以及用于政府和商业航天器的良好候选者。除了计算能力之外，HPSC还需要的三个特性是容错、辐射容限和整体平台安全性。该项目将导致开发HPSC芯片、电路板、软件堆栈和参考设计，并于2024年首次上市，并于2025年提供空间合格硬件。菲亚科表示，NASA JPL未来所做的一切都将基于HPSC。

NASA JPL根据其任务要求为HPSC设定了目标，将自主性纳入未来的航天器。简而言之，与自主相关的任务是感知、感知、决定和驱动。传感涉及使用多光谱传感器和图像处理的远程成像。感知使用额外的图像处理向感测数据灌输意义。决策包括结合车辆当前和未来方向的任务规划。驱动涉及轨道和表面机动以及实验激活和管理。

菲亚科将这些任务与美国宇航局的任务总体目标联系起来，解释说，HPSC旨在允许太空设备进入，着陆，生活和探索外星环境。航天器还需要向地球报告，这就是为什么Fiacco还将通信纳入所有四项主要任务的原因。所有这些都需要计算能力的巨大飞跃。模拟表明，与目前在太空中飞行的处理器相比，HPSC的计算性能提高了1000倍，Fiacco预计随着HPSC软件堆栈的进一步优化，这一数字将得到改善。

很难描述HPSC对NASA JPL计算平台的升级程度，而不将新机器与目前在地球上运行的计算机进行对比。例如，目前以半自主方式在火星周围蹒跚而行的本质上相似的核动力好奇号和毅力号火星车是基于BAE系统公司的RAD750微处理器。（请参阅”宝贝，你可以开我的漫游车。RAD750采用32位PowerPC 750架构，采用耐辐射半导体工艺制造。该芯片的最大时钟速率为200 MHz，代表了2001年左右最好的计算机体系结构。据报道，已有150多个RAD750处理器被发射到太空。请记住，NASA喜欢飞行以前飞行过的硬件。将RAD750带入太空的最新太空文物之一是詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST），它现在正在红外光谱中对宇宙进行成像，并在距离地球一百万英里的拉格朗日轨道上收集大量新的天文数据。（这比月球的轨道大四倍。JWST的RAD750处理器以118 MHz的速度运行。

我们另一个伟大的太空天文台，太阳能哈勃太空望远镜（HST），采用更旧的处理器。HST有效载荷计算机是18位NASA标准航天器计算机-1（NSSC-1）系统，建于1980年代，但设计更早。该有效载荷计算机控制和协调来自HST各种科学仪器的数据流，并监测其状况。（请参阅”失去哈勃——拯救哈勃。

最初的NSSC-1计算机是由NASA戈达德太空飞行中心和西屋电气在1970年代初开发的。该设计太旧了，以至于它不是基于微处理器。该计算机的初始版本采用了仙童半导体的1700个DTL扁平封装IC，并使用磁芯存储器。早在 1990 年 HST 推出之前，NSSC-1 处理器设计就已经“升级”以适应一些非常早期的 MSI TTL 门阵列，每个门都包含大约 130 个逻辑门。

我不是天基计算方面的专家，所以我向一位专家征求了他的意见。我认识的对微处理器和FPGA天基计算最精通的人是我的朋友Adam Taylor，他是英国Adiuvo Engineering的创始人兼总裁。我问泰勒他对HPSC的看法，他写道：

“HPSC对我来说实际上非常令人兴奋。我们在太空中做了很多工作，计算是一个挑战。当前的许多计算平台都基于较旧的架构，如SPARC（LEON系列）或Power PC（RAD750 / RAD5545）。这些[处理器]不仅计算能力较低，而且生态系统也有限。有限的生态系统意味着更长的开发时间（更少的重用，更多的“战斗”工具，因为它们通常不那么完善），并且它们还限制了对新人才的吸引力，即想要使用现代框架、处理器和工具的人。这也限制了经验丰富的人才库（这是一个日益严重的问题，就像许多行业一样）。

“基于RISC-V的高性能多核处理器的创建将打开一个广泛的工具和框架生态系统，同时也吸引新人才并扩大经验丰富的人才库。处理器本身看起来非常有趣，因为它们的设计考虑了高性能，因此它们具有 SIMD / 矢量处理和 AI（呃，这是一个夸张的流行词）。他们似乎也很好地考虑了电源管理，这对于不同的应用至关重要，尤其是在太空中。

“有趣的是，作为一家FPGA设计公司（主要是），我们最近设计了几款MicroChip SAM71 RT和RH（耐辐射和抗辐射）微控制器，它们确实在处理需求低的情况下提供了一些强大的功能。我认为HPSC是这一系列器件的补充，将超高性能/非常困难的实时应用留在FPGA中实现。最终，HPSC为工程师提供了另一种可供选择的工具，它旨在防止工程师喜欢的过于常见的从头开始的方法。可悲的是，这种方法总是会增加这些项目的成本和技术风险，而我们已经受够了。

最后一点：在我为本文进行研究期间，我发现NASA的HPSC并不总是基于RISC-V架构。美国宇航局戈达德太空飞行中心电气工程部技术助理主任Wesley Powell在2018年抗辐射电子技术（RHET）会议上的演讲包括HPSC的框图，其中显示了基于八个带有NEON SIMD矢量引擎和浮点单元的Arm Cortex-A53微处理器内核的早期概念设计。鲍威尔继续担任HPSC计划的首席技术专家。在过去四年中，在HPSC发展的某个时刻，至少到2020年底，当NASA发布针对HPSC的小企业创新研究（SBIR）项目第一阶段征集时，ARM处理器内核已被RISC-V处理器内核的要求所取代。去年，随着Microchip和SiFive宣布项目奖项，这一变化正式化为一成不变。也许是时代的标志？

审核编辑黄宇