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近日，CAES（Cobham Advanced Electronic Solutions）表示，它已獲得歐洲航天局 (ESA) 的一份合同，以開發(fā)基于開放式 RISC-V 指令集架構(gòu) (ISA) 的 16 核、空間強(qiáng)化微處理器。該項(xiàng)目由瑞典國家航天局資助，將涉及設(shè)計(jì)一種容錯和抗輻射的片上系統(tǒng)，以提高衛(wèi)星和航天器應(yīng)用的性能和功率效率。

GR7xV處理器將被設(shè)計(jì)成星載控制和有效載荷數(shù)據(jù)管理和處理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)新型觀測、通信、導(dǎo)航和科學(xué)任務(wù)和服務(wù)。其中包括先進(jìn)、靈活的電信衛(wèi)星有效載荷、科學(xué)和地球觀測有效載荷以及行星探測車等機(jī)器人系統(tǒng)。

新的容錯和抗輻射處理器將擴(kuò)展CAES Gaisler 的 LEON 處理器產(chǎn)品系列，該系列已在太空應(yīng)用中使用了數(shù)十年，并基于傳統(tǒng)的 32 位 SPARC V8 ISA。LEON 處理器的多個版本包括主要針對高端 FPGA 和深亞微米 ASIC 技術(shù)的 LEON5，以及針對傳統(tǒng)和較低性能技術(shù)的 LEON3。LEON3 內(nèi)核是 SPARC V8 架構(gòu)的重新實(shí)現(xiàn)，具有更深的 7 級流水線和多處理器支持，它作為 GRLIB IP 庫的一部分進(jìn)行分發(fā)，適用于 ASIC 技術(shù)和輻射——來自 Actel 和 Xilinx 的容錯 FPGA。LEON5 內(nèi)核通過雙發(fā)布流水線、改進(jìn)的分支預(yù)測和后期 ALU 進(jìn)一步提高了前幾代的性能。

同時，CAES 發(fā)布的第一個實(shí)現(xiàn) RISC-V 架構(gòu)的處理器的可綜合 VHDL 模型是NOEL-V，它可以實(shí)現(xiàn)為雙發(fā)處理器，每個周期最多允許并行執(zhí)行兩條指令。為了支持流水線的指令發(fā)布率，NOEL-V 具有先進(jìn)的分支預(yù)測能力。NOEL-V 的緩存控制器支持一個存儲緩沖區(qū) FIFO，每個存儲一個周期的持續(xù)吞吐量，以及廣泛的 AHB 從支持，以實(shí)現(xiàn)快速存儲和快速緩存重新填充。

它使用 AMBA 2.0 AHB 總線進(jìn)行接口，并支持 CAES 的 IP 庫 (GRLIB) 中提供的 IP 核即插即用方法。該處理器可以在 FPGA 和 ASIC 技術(shù)上高效實(shí)現(xiàn)，并使用標(biāo)準(zhǔn)同步存儲單元作為緩存和寄存器文件。NOEL-V 可以使用 Xilinx Vivado、Synplify 和 Synopsys DC 等常用綜合工具進(jìn)行綜合，處理器模型在不同實(shí)現(xiàn)技術(shù)之間具有高度可移植性。

CAES Gaisler 產(chǎn)品總經(jīng)理 Sandi Habinc 表示：“ESA 合同進(jìn)一步推動了我們開發(fā)具有同類產(chǎn)品前所未有的性能的容錯和抗輻射的航天級微處理器。開放式 RISC-V ISA 已在其他市場得到廣泛采用，該項(xiàng)目是第一個為空間應(yīng)用開發(fā)基于 RISC-V 的 ASIC。”。

ESA 電信和集成應(yīng)用主管 Elodie Viau 評論說：“ESA 很榮幸與 CAES 合作開發(fā)這項(xiàng)新技術(shù)，因?yàn)樗鼘⒅С治磥淼娜蝿?wù)并提高空間處理器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。”

ESA 合同遵循瑞典創(chuàng)新機(jī)構(gòu) Vinnova 今年早些時候授予的合同，將 RISC-V 處理器平臺擴(kuò)展到空間硬化應(yīng)用程序，以實(shí)現(xiàn)時間隔離和網(wǎng)絡(luò)安全。該研究的結(jié)果將用于推進(jìn)空間硬化 GR7xV 微處理器的開發(fā)，并將與整個行業(yè)共享。完成后，多核 NOEL-V 處理器開發(fā)平臺將通過與查爾姆斯理工大學(xué) 和專注于信息安全的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室atsec的合作進(jìn)行測試，以確保對更高軟件層的最大安全性。

RISC-V成為宇航級芯片的最優(yōu)選？

每一個成功的太空任務(wù)的核心都是一個復(fù)雜而強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

在 1960 年代，相對基本的計(jì)算系統(tǒng)將人類帶上了月球。最近，帕克探測器到達(dá)了我們太陽灼熱的郊區(qū)，而航海者探測器則完全離開了我們的太陽系。當(dāng)然，隨著每一代太空探測器的問世，計(jì)算機(jī)都遵循摩爾定律的長征，向更小、更快、更便宜的系統(tǒng)發(fā)展。

但是，問題仍然存在：這樣的計(jì)算所系統(tǒng)能否更好地服務(wù)于人類的未來，更加雄心勃勃的太空探索？

即使對于地球上的應(yīng)用，開發(fā)尺寸、重量、功耗和成本都合適的計(jì)算機(jī)也可能具有挑戰(zhàn)性。通常，這些理想特征中的一個是以犧牲另一個為代價來實(shí)現(xiàn)的。例如，更強(qiáng)大的計(jì)算系統(tǒng)往往能源效率較低。

“在空間處理應(yīng)用中，這些權(quán)衡更為關(guān)鍵，因?yàn)樾枰趪?yán)格的執(zhí)行時間和功耗限制內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，”美國國家科學(xué)基金會太空中心的博士前研究員 Michael Cannizzaro 解釋說。

Cannizzaro 一直在研究和比較空間應(yīng)用的不同計(jì)算架構(gòu)，并縮小了選擇范圍。現(xiàn)在，他建議將RISC-V作為未來太空任務(wù)的新選擇。雖然他的工作尚未發(fā)表，但在2021 年 IEEE 空間計(jì)算大會上獲得了最佳論文獎。

根據(jù) Cannizzaro 的說法，評委們對他獨(dú)特的分析方法印象深刻，該方法包括在芯片上實(shí)現(xiàn)的商用處理器中評估 RISC-V 架構(gòu)。“由于商用 RISC-V 芯片是如此新，據(jù)我所知，這是第一次采用商用 RISC-V 芯片并將其用于以空間處理為重點(diǎn)的評估的分析，”Cannizzaro解釋說。

他將 RISC-V 與其他四種架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較，其中三種已經(jīng)在空間處理應(yīng)用中流行，那就是ARM Cortex-A9、ARM Cortex-A53和POWER e5500。在分析了不同的選項(xiàng)后，Cannizzaro 推薦了 RISC-V，因?yàn)樗哂懈吣苄Вㄟ@對于太空任務(wù)尤其重要）并且它是開源的。

有趣的是，Cannizzaro 的分析表明，RISC-V 實(shí)際上并沒有提供最佳的性能特征。ARM Cortex-A53 憑借其向量功能實(shí)現(xiàn)了這一區(qū)別，這是 RISC-V 目前所缺乏的。但 Cannizzaro 指出，RISC-V 可能會在不久的將來獲得矢量擴(kuò)展。“這當(dāng)然會為未來的研究打開大門，以評估擴(kuò)展對性能和功耗的影響，”他說。

Cannizzaro 表示，他“非常榮幸獲得該獎項(xiàng)”，并計(jì)劃通過將額外的架構(gòu)、處理平臺和基準(zhǔn)測試納入他的分析來進(jìn)一步發(fā)展這項(xiàng)工作。他還著眼于評估 RISC-V 的可靠性。

“如果該設(shè)備不能承受地球大氣層以外的惡劣環(huán)境，那么利用高性能系統(tǒng)就很難證明其在太空中是合理的，因此可靠性是另一個需要考慮的關(guān)鍵因素，”他說。“評估 RISC-V 芯片的可靠性是我希望納入未來工作的內(nèi)容。”

又一款針對航空應(yīng)用的RISC-V處理器曝光

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