一款用于高性能太空應(yīng)用的RISC-V處理器
2023-05-30 12:46:12 EETOP太空應(yīng)用對電子系統(tǒng)提出了重大挑戰(zhàn)，因為它們一旦發(fā)射就必須應(yīng)對無數(shù)的環(huán)境因素。這些因素包括極端溫度、輻射、沖擊和振動——電子系統(tǒng)必須承受所有這些因素才能滿足嚴(yán)格的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，專為空間應(yīng)用設(shè)計的先進(jìn)處理器變得至關(guān)重要。在這篇文章中，我們將探索一款專為太空任務(wù)量身定制的尖端 RISC-V 內(nèi)核。
太空是一個嚴(yán)酷的環(huán)境，給工程師帶來了巨大的挑戰(zhàn)。火箭發(fā)射時本身就是極端的，使航天器受到強(qiáng)烈的振動和沖擊。一旦進(jìn)入軌道，溫度可能會從極冷到酷熱不等。此外，太空中輻射的存在對電子設(shè)備構(gòu)成了另一種威脅，可能導(dǎo)致性能下降或完全失效，這可能對任務(wù)造成災(zāi)難性影響。
空間環(huán)境中的一個具體問題是單粒子干擾(SEU) 的發(fā)生。SEU 是由高能粒子（例如宇宙射線或太陽風(fēng)）與敏感電子元件接觸的影響引起的錯誤。當(dāng)這些粒子與半導(dǎo)體器件的硅基板碰撞時，它們會沉積電荷并破壞電路的正常運行。這種中斷可以表現(xiàn)為內(nèi)存元素狀態(tài)的變化，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)改變或錯誤行為。
在過去幾年中，航天級處理器主要依賴于SPARC 和 PowerPC 指令集架構(gòu)的實現(xiàn)。但是，出現(xiàn)了一個顯著的競爭者：RISC-V。RISC-V 開放式指令集架構(gòu)(ISA) 類似于 SPARC，具有明顯的優(yōu)勢，使其成為太空應(yīng)用中替代SPARC 的首選。
快速擴(kuò)大的開發(fā)者社區(qū)和RISC-V 的可擴(kuò)展性為其日益增長的吸引力做出了貢獻(xiàn)。考慮到廣泛的應(yīng)用空間以及 RISC-V 固有的靈活性和可配置性，該ISA 非常符合航天工業(yè)不斷發(fā)展的需求。
NOEL-V代表了航天級處理器技術(shù)的突破。它是一種先進(jìn)的 RISC-V 內(nèi)核，經(jīng)過精心設(shè)計，可在苛刻的太空環(huán)境中提供高性能和可靠性。
這標(biāo)志著與許多太空計算機(jī)中常用的半虛擬化解決方案的重大背離。通過將此功能與管理程序軟件結(jié)合使用，F(xiàn)rontgrade 的 NOEL-V 處理器使具有不同關(guān)鍵級別的不同應(yīng)用程序能夠在同一硬件平臺上共存。
NOEL-V處理器的緩存存儲器旨在通過自定義糾錯方案承受輻射引起的 SEU。這種創(chuàng)新的方案能夠糾正單比特錯誤，檢測雙比特錯誤，甚至可以識別 3 比特和 4 比特的相鄰比特錯誤。糾錯過程在高速緩存控制器內(nèi)無縫進(jìn)行，無需軟件干預(yù)或額外的內(nèi)存訪問。
緩存還配備了硬件“洗滌器”（scrubber），可以激活該scrubber以防止錯誤隨時間累積。這些功能，連同處理不可糾正的錯誤以快速做出反應(yīng)并防止損壞狀態(tài)傳播到集成電路之外，對于數(shù)據(jù)完整性和電子系統(tǒng)的連續(xù)運行至關(guān)重要的空間應(yīng)用至關(guān)重要。
Frontgrade的NOEL-V處理器既可以作為獨立 IP 核使用，也可以作為GRLIB IP 庫的一部分使用，GRLIB IP 庫包含 100 多個外設(shè)單元。Frontgrade 使用處理器和 IP 庫以空間級處理器的形式開發(fā)專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。Frontgrade 客戶也可以使用相同的構(gòu)建塊來設(shè)計他們自己的適應(yīng)性解決方案，既可以作為 ASIC 也可以作為 FPGA 實現(xiàn)。
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