|
Разработка чипов для космических телескопов
|
|
|
|
Согласно исследованию инженерного факультета Мичиганского университета, которое будет представлено на конференции IEEE Space Computing Conference в августе, две предложенные конструкции компьютерных микросхем могут эффективно обрабатывать данные на будущих космических телескопах во время поиска экзопланет, подобных Земле.
|
|
|
|
Исследовательская группа оценила свои разработки в контексте проекта Habitable Worlds Observatory (Обсерватория обитаемых миров), предлагаемого космического телескопа НАСА, предназначенного для поиска признаков жизни на планетах за пределами нашей Солнечной системы. Этот усовершенствованный телескоп будет вращаться вокруг точки Лагранжа L2 системы Солнце-Земля, в том же регионе, где вращается космический телескоп Джеймса Уэбба, примерно в 1,5 миллионах километров (930 000 миль) от Земли. Эта точка обеспечивает выравнивание Солнца, Земли и Луны за космическим аппаратом, позволяя одному солнечному экрану блокировать свет и тепло от всех трех планет.
|
|
|
|
Для получения изображений экзопланет, подобных Земле, будущие космические телескопы должны обрабатывать данные в режиме реального времени, постоянно корректируя крошечные оптические искажения, чтобы блокировать свет звезд и обнаруживать слабые близлежащие планеты. Современные радиационно-стойкие космические процессоры слишком медленны для этой задачи, а мощные системы на базе графических процессоров требуют слишком много энергии, чтобы быть экономически эффективными в космосе.
|
|
|
|
|
|
|
«Ключевой вывод нашего исследования заключается в том, что будущим космическим миссиям требуется не просто больше вычислительной мощности; им нужна правильная вычислительная мощность. Для таких рабочих нагрузок узким местом является перемещение данных, а не выполнение вычислений», — сказал Натаниэль Блейер, доцент кафедры компьютерных наук и инженерии Мичиганского университета и соавтор исследования.
|
|
|
|
Исследовательская группа показала, как специализированные чипы, ориентированные на память, могут значительно снизить энергопотребление, при этом самая мощная конструкция — архитектура статической оперативной памяти (SRAM) — снижает энергопотребление до 59 раз по сравнению с альтернативами на базе графических процессоров.
|
|
|
|
Специализированные чипы для космических телескопов
|
|
|
|
Для получения изображений экзопланет потребуются операции с плотными матрицами и низкая интенсивность арифметических операций. Проблема с пропускной способностью данных сродни необходимости проехать 16 километров до склада, чтобы забрать одну коробку, вернуться в офис, открыть её, поставить галочку на листке бумаги внутри, а затем снова ехать за следующей коробкой.
|
|
|
|
Для решения этой проблемы исследовательская группа разработала две специализированные аппаратные архитектуры. Подход с использованием высокоскоростной памяти (HBM) предполагает горизонтальное размещение 27 микросхем HBM — каждая из которых состоит из стопки из 16 микросхем динамической оперативной памяти (DRAM) — и их подключение к специально разработанному процессору. Это создает своего рода «супермагистраль» от гипотетического склада до офиса вместо однополосной дороги, позволяя забирать больше коробок одновременно.
|
|
|
|
Вторая архитектура распределяет данные и обработку между 56 специализированными «чиплетами», каждый из которых имеет около 2 ГБ распределенной SRAM. Это решение переносит офис на склад, разделяя коробки на отдельные комнаты, в каждой из которых находится калькулятор, передающий результаты центральному менеджеру.
|
|
|
|
Моделирование производительности микросхем
|
|
|
|
Программное обеспечение для проектирования микросхем Synopsys Design Compiler помогло исследователям смоделировать энергопотребление, скорость и размер каждой микросхемы. Чтобы оценить, как микросхемы будут работать в космосе, команда провела 10 000 симуляций, внося ошибки, которые вызовет космическое излучение — например, заменяя двоичный 0 на 1 во время вычислений. Их математическая защита, называемая алгоритмической отказоустойчивостью (ABFT), обнаружила все опасные ошибки, которые могли бы привести к размытию изображений, без ложных срабатываний.
|
|
|
|
Подстановка данных микросхем в существующие аэрокосмические формулы помогла исследователям определить, как микросхемы повлияют на реальный космический аппарат. Стандартная конфигурация графического процессора (GPU) потребляет 3000 Вт, в то время как 27-чиповая архитектура HBM снижает энергопотребление до 928 Вт. 56-чиповая архитектура SRAM дополнительно снижает энергопотребление до 90 Вт.
|
|
|
|
Добавление математического алгоритма округления данных до семи знаков после запятой позволило архитектуре SRAM потреблять всего 51 Вт — 59-кратное снижение по сравнению с GPU.
|
|
|
|
Для космических аппаратов каждый дополнительный ватт мощности требует более крупных солнечных панелей, более тяжелых батарей и радиаторов охлаждения, чтобы предотвратить расплавление спутника. Исследователи подсчитали, что уменьшение вычислительной мощности с 3000 Вт до 51 Вт позволит уменьшить вес спутника с 1100 кг (2400 фунтов, вес небольшого автомобиля) до всего 193 кг (425 фунтов, вес мотоцикла). За 25-летнюю космическую миссию такое снижение веса позволит сэкономить 430 миллионов долларов.
|
|
|
|
«Мы хотим, чтобы вычислительные технологии расширяли возможности космической науки, а не устанавливали ограничения. Разрабатывая оборудование с учетом рабочих нагрузок, мы можем сделать практичной обработку данных в реальном времени, необходимую для будущих миссий», — сказал Барри Лю, аспирант кафедры электротехники и вычислительной техники Мичиганского университета и один из авторов исследования.
|
|
|
|
В качестве следующего шага исследователи планируют изготовить микросхемы SRAM и протестировать их в лабораторных условиях.
|
|
|
|
Источник
|
