השימוש ב-Xilinx Virtex 4 בתכנית החלל הבריטית CubeSat מציג מספר פתרונות עיצוב מעניינים
מאת: אדם טיילור, EADS Astrium
פרויקט UKube1 הוא פיילוט של סוכנות החלל הבריטית במסגרת תוכנית CubeSat, תוכנית להטסה של מיני לוויינים (nanosatellites) שגודלו של הבסיסי שבהם מוגדר כ- (10X10X10 ס”מ) ועד לגדול בהיקף של (30x10x10 ס”מ), ואשר טסים בגובה נמוך ביחס לכדור הארץ. עלות פיתוח טיפוסית של מטען ייעודי (מטע”ד) ללוויין במסגרת תכנית CubeSat היא פחות מ-100 אלף דולר וזמן הפיתוח הוא קצר גם כן. צירוף זה של עלות וזמן עושה את לווייני CubeSat אידיאליים לבדיקה ואימות של טכנולוגיות מרתקות במהלך טיסה בחלל ללא חשש רב מדי או סיכון שמלווה בטיסות חלל מורכבות יותר או יקרות יותר. ובנוסף, סוג זה של לוויינים מציב בפני המהנדסים סוג נוסף של אתגרי עיצוב ופיתוח ייחודיים לגודלם הקטן של הלוויינים.
המטע”ד של חברת החלל EADS Astrium עבור פרויקט UKube1 כולל שני ניסויים ושניהם מבוססים על FPGA. הניסוי הראשון הוא אימות הפטנט של Astrium על חילול מספרים אקראיים. חילול מספרים אקראיים אמיתי הוא מרכיב חיוני במערכות תקשורת מאובטחות. הניסוי השני הוא הטסתו של Xilinx® Virtex®-4 FPGA גדול ועתיר ביצועים במטרה לצבור ניסיון נוסף בטיסות עם הטכנולוגיה ובמקביל להגיע להבנה מעמיקה יותר לגבי ביצועי הקרינה של ההתקן והיכולות שלו ב-LEO (לוויינים נמוכי מסלול).
דרישות ואתגרים
התכנון עבור פרויקט CubeSat מציב בפני המהנדסים שפע של אתגרים, שאחד מהם הוא זמינות של רמה סבירה של הספק (power). כמות ההספק בחלל מוגבלת עם 400 מיליוואט בממוצע במסלול אור השמש עבור ה-UKube1. גם מגבלת משקל המטע”ד נכנסת לתמונה, כאשר משקל המטע”ד עולה על 300 גר’ עבור לוויין 3U במשקל כולל של 4.5 ק”ג. בשילוב עם מעטפת החלל הזמינה עבור מטע”ד, המגבלות הללו מעמידות את צוות התכנון מול מערך מעניין ביותר של אתגרים שעליהם ייאלצו להתגבר אם ברצונם לפתח מטע”ד מוצלח. בנוסף נאלצים המהנדסים להתמודד עם SEUs (שיבושים של אירוע יחיד) ועם השפעות קרינה אחרות, מה שעלול להשפיע גם על הביצועים של התקנים במסלול, בלי קשר לסוג הלוויין.
ארכיטקטורת ההספק ב-UKube1 מספקת לכל אחד מהמטע”דים ספקים מיוצבים של 3.3, 5 ו-12V. אפשר לנצל עד 600mA מכל אחד מהפסים הללו. עם זאת, הממוצע של המסלול מואר השמש חייב להיות פחות מ-400 מיליוואט. לרוע המזל, המתחים המסופקים אינם ברמות המתאימות כדי לספק את ה-FPGAS עתירי הביצועים הקיימים היום עבור יישומי חלל, המצריכים בדרך כלל 1.5V או פחות כדי לספק את מתח הליבה. לדוגמה, התקן ה-Virtex-4 המותאם ליישומי חלל שאותו בחרנו עבור משימה זו, ה- XQR4VSX55 FPGA, מצריך מתח ליבה של 1.2V בשילוב עם מתחים תומכים של התצורה הנחוצים כדי לתמוך ב-FPGA מצריכים 1.8V.
בחרנו את ה- XQR4VSX55 כיוון שהוא היה ה-FPGA עתיר הביצועים הגדול ביותר שניתן היה להכניס למטע”ד ה-UKube1 ועדיין להמשיך לעמוד הן בדרישות טביעת הרגל והן בדרישות ההספק. מהנדס ההספק ומהנדס ה-FPGA חייבים לתת את הדעת על ארכיטקטורת ההספק כדי להבטיח עמידה בכל מגבלות ההספק. כלים כדוגמת התוכנות PlanAhead™ ו-XPower Analyzer הינם חיוניים עבור מהנדס ה-FPGA המעונין לספק למהנדס ההספק תקציבי הספק ל-FPGA. בחרנו במייצבי מיתוג בעלי נצילות גבוהה עבור משימה זו במטרה להבטיח שנוכל להשיג את הזרמים הנחוצים עבור ה-SX55 FPGA.
החלל הזמין ליישום ה-FPGA והפונקציות התומכות בו מוגבלות ביותר, כאשר המטע”ד מוגבל ללוח מעגל מודפס בגודל PC104. עם זאת, מותר להשתמש בכרטיסי mezzanine בתנאי שלא יעברו את מגבלות הגובה של 35 מ”מ. על כן פיתחנו את מטע”ד ה-UKube1 כך שיכלול כרטיס mezzanine שהכיל את ה-FPGAs, ה-SRAM וזיכרון ההבזק, בשעה שהלוח התחתון הכיל את כל פונקציות הניהול וההמרה.
השפעות קרינה
אחד ההיבטים החשובים ביותר של הפרויקט הוא הניסיון להבין לעומק את הביצועים של התקן ה-Virtex-4 בסביבת LEO. זיילינקס אמנם הקשיחה את ה-FPGA שלה לשימוש בחלל, אך SEUs עדיין מתרחשים ומשפיעים הן על נתוני התצורה והן על אוגרי ה-FPGA (רגיסטרים), ה-RAM וה-DCMs (מנהלי שעון דיגיטלי). על כן פרויקט זה הגדיר את ה-FPGA כך שישתמש ברוב הלוגיקה הפנימית, ה-RAM וה-DCMs. לאחר מכן עקבנו אחר ביצועיו של התקן זה באמצעות התקן OTP מוקשח נוסף אשר מעביר את הנתונים הסטטיסטיים של הביצועים בחזרה אל הקרקע לצורך ניתוח. מעניין לציין שבמשימה זו פחות העסיקו אותנו טכניקות תכנון להתמודדות עם SEU ועם קרינה, ויותר התמקדנו בניסיון להבטיח שכאשר מתרחשים אירועים כאלה ניתן לאתר וללכוד אותם באמצעות ניטור ה-FPGA, מה שיבטיח לנו חילול של נתונים סטטיסטיים על הביצועים בזמן אמת תוך כדי טיסה.
היבט זה של התכנון הוליד כמה אתגרי תכנון מעניינים. לדוגמה, SEU יכול להשפיע על אותות כמו אות נעול של DCM ולהעיד, באופן שגוי, שה-DCM הושפע מה-SEU, כאשר במציאות האירוע כלל לא השפיע עליו. כדי לפתור את הבעיה האפשרית הזו פיתחו מהנדסי תכנון ה-FPGA שיטה המשתמשת במונים לניטור ה-DCMs כדי להבטיח שהם נעולים לתדר הנכון. במקרה שהמונה “קופא” או עולה בתדר שונה, אפשר יהיה לראות זאת מתוך השוואה בינו לבין המונים האחרים, מה שיאפשר הגדרת ה-FPGA מחדש במקרה הצורך.
עם הפנים לעתיד
סוכנות החלל הבריטית תשגר את הלוויין UKubel בינואר 2012. תכנית CubeSat תספק מידע בשני הניסויים שנבצע לתקופה של לפחות אורך חיי המשימה בחלל של שנה אחת. משימה זו תדגים את ההתאמה של FPGAs בעלי רמת ביצועים גבוהה לשימוש במשימות מסוג LEO וארכיטקטורה של מיקרו לוויינים כמו גם כך ניתן לקוות בשימוש של FPGAs למשימות לטווח יותר ארוך.
UKubel צפוי להיות רק הראשון מתוך תכנית CubeSat הבריטית. הארכיטקטורה שמפותחת לטובת הלוויין תאפשר לבחון, להתנסות ולהבין את אופן השימוש ב-FPGAs בעלי רמת ביצועים גבוהה במהלך טיסת חלל. בטיסות החלל הבאות יכללו הדגמה של רה-קונפיגורציה חלקית ושל תהליכי readback ואימות של קונפיגורציית המתקן, ואשר עקב מגבלות הזמן לא ניתן היה לשלבם כבר בטיסה הקרובה.
אריטקטורת הלוויין UKubel שעושה שימוש במשפחת מכשירי Xilinx Virtex 4 גם כן תעבור התפתחות למערכת בקר מבוססת צ’יפ שתשמש לווייני מיקרו או ננו כבקרי טיסה למשימות.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת XILINX
