RISC-V в космосе: перспективы технологии и почему 32-битное ядро на орбите — это только начало

Изображение создано
с помощью нейросети

Изображение создано с помощью нейросети

2073

02/03/2023

Ещё десяток лет назад в космосе не было места ни частному капиталу, ни open-source проектам — он был полигоном для научных исследований всего нескольких государств. Однако сейчас сотни компактных спутников, запущенных научными институтами и коммерческими компаниями, решают на орбите самые разные задачи: предсказывают землетрясения, пишут телеметрию, изучают атмосферу Земли, обеспечивают связь. А совсем недавно в космосе применили открытую процессорную архитектуру RISC-V. Благодаря её динамично развивающейся экосистеме и лицензионной политике задача по разработке бортового вычислителя для космического сателлита сильно упростилась. Наша редакция пообщалась с Николаем Терновым — RTL-инженером и амбассадором RISC-V International — и попросила прокомментировать эту новость и дать оценку, что привнесёт RISC-V в изучение космоса и решение задач аэрокосмической отрасли.

— Николай, спасибо, что согласились пообщаться с нами. Не так давно SiFive, первая компания, выпустившая коммерческий чип по спецификации RISC-V, сообщила, что для своего HPSC (High-Performance Spaceflight Computer) NASA выбрала чип на базе архитектуры RISC-V. Можно ли считать это знаком, что ядрам на базе этой открытой архитектуры открыта дорога в космос?

Безусловно, использование свободно распространяемой технологии даёт ряд преимуществ. Не нужно платить роялти с каждого выпущенного чипа или беспокоиться о возможном изменении лицензионной политики, как в случае с ARM, которая планирует запретить использовать сторонние IP-блоки, если ARM предлагает свои аналоги в качестве лицензируемого IP.

Приведу пример. Компания Gaisler хорошо знакома сообществу по семейству процессоров LEON. Ещё в далеком 2005 году они выкладывали некоторые свои ядра в open-source. И почти 20 лет работали с ядрами на базе архитектуры SPARC, успешно реализуя свои продукты в проектах с повышенными требованиями по отказоустойчивости. Теперь же постепенно отказываются от неё в пользу RISC-V — и уже сделали ядро для космического проекта.

— Почему Gaisler — мировой лидер в области встраиваемых компьютерных систем для суровых условий — переориентировались?

Компания объясняет свой переход на RISC-V так:

под SPARC не разрабатывается новое программное обеспечение,
для SPARC фактически остановилась разработка и поддержка компилятора,
несколько лет назад такие крупные заказчики, как Fujitsu и Oracle прекратили поддержку SPARC.

RISC-V — это современный открытый стандарт на архитектуру процессора, который быстро набирает популярность во всем мире и используется для создания микропроцессоров для всех классов устройств. Открытость архитектуры позволяет производителям проектировать специализированные процессоры для различных областей: от устройств интернета вещей до систем искусственного интеллекта и высоконагруженных серверов общего назначения. RISC-V впервые делает возможной оптимизацию не только программной части решения, но и программно-аппаратной, когда специфика применения может быть учтена в дизайне процессоров и систем на кристалле на их основе.
Источник: сайт российского Альянса RISC-V.

— Какую задачу на орбите выполняет спутник с RISC-V на борту?

Процессорное ядро на базе архитектуры RISC-V стало основой бортового вычислителя космического сателлита TRISAT-R, разработанного в рамках совместного проекта Европейского космического агентства, компании CAES, Skylabs и Мариборского университета. У сателлита научно-образовательная миссия по составлению карты ионизирующего излучения на средней околоземной орбите. Отследить текущее положение сателлита в космосе и ознакомиться с состоянием батареи можно на этом сайте.

— Какими характеристиками обладает этот бортовой вычислитель?

Одноплатный бортовой компьютер NANOhpm-obc построен на базе процессорного ядра отказоустойчивого 32-bit NOEL-V CPU IP.

Вычислительный модуль имеет 2 ГБ DD3 памяти с ECC, энергонезависимую NVM flash EDAC-protected для хранения телеметрических данных, логов и.т.д. Процессорное ядро имплементировано на FPGA PolarFire. Применение специализированного процессорного IP от GAISER, а так же выбор радиационно-устойчивой FPGA (ПЛИС) от Microchip значительно повышают отказоустойчивость системы на околоземной орбите.

Санди Хабинк, генеральный директор Gaisler, считает, что RISC-V предлагает более простую архитектуру c гораздо большей вычислительной мощностью за цикл. Оптимизация архитектуры RISC-V означает, что такие процессоры, как программное ядро NOEL-V, могут работать на более высоких частотах. Это имеет решающее значение в суровых условиях космоса. «Даже если вы будете использовать 7 нм технологический процесс, потребуется так много радиационной защиты вокруг ядра процессора, что в конечном итоге он будет в десять раз медленнее, чем что-либо в коммерческом мире. Для нас важен каждый мегагерц», — отметил он.
Источник: embeddedcomputing.com.

— Что RISC-V может предложить для решения задач аэрокосмической отрасли?

Я думаю, что вполне можно утверждать, что RISC-V отлично подходит для aero-space задач.

Во-первых, сохранение постоянства нахождения старшего бита для инструкций форматов R, I, S, B, U, J, что уменьшает необходимое количество аппаратных ресурсов для извлечения знакового бита. Это значит, что на этапе разработки набора команд авторы задумались об особенностях аппаратной реализации. В частности, это минимизирует количество проводов и мультиплексоров, необходимых для извлечения знакового бита и знакового расширения операндов.

Второй аргумент я уже частично озвучил выше. Это гибкость работы с экосистемой RISC-V. Если вы принимаете решение разработать процессорное IP самостоятельно, в соответствии со спецификацией RISC-V, или купить IP у дизайн-центра, будь то Syntacore, SiFive, Gaisler или десятки других кремниевых стартапов — вы покупаете не только процессорное IP, но вдобавок получаете большую гибкость при разработке программного обеспечения под вашу задачу. Если вы инвестируете в собственную разработку процессорных IP на базе RISC-V, помимо уже упомянутых в нашем разговоре плюсов, вы также инвестируете в компетенции и навыки в вашей компании, создаёте в том или ином виде научно-технический задел в области разработки микропроцессорных систем.

Ну и наконец, постоянное развитие программной экосистемы, которое упрощает выход на рынок программно-аппаратного комплекса на базе RISC-V.