Боффинс из Делфтского технологического университета (TU Delft) и Европейского космического агентства (ESA) написали документ, в котором подробно описывается конструкция процессора, который, как они надеются, сможет запускать глубокие нейронные сети в космосе, основываясь на бесплатной архитектуре RISC-V с открытым исходным кодом. и его векторные расширения.
«Одна из основных проблем, связанных с аппаратным обеспечением, с которым сталкивается космическая отрасль, заключается в том, что невозможно напрямую повторно использовать аппаратные платформы, используемые в наземных приложениях, – пояснили исследователи, – учитывая специфические ограничения спутниковых систем данных, особенно с точки зрения устойчивости к ионизирующему излучению ».
В качестве примера команда привела статью 2019 года. [PDF] в котором стандартный графический процессор AMD того типа, который обычно используется для ускорения рабочих нагрузок машинного обучения, был помещен на пути пучка протонов для имитации радиационного воздействия в космосе – и отказывался каждые 43 секунды, плюс-минус.
Добавьте к этому высокопроизводительные процессоры, которые, как правило, тоже потребляют много энергии, и мечта о запуске глубоких нейронных сетей в космосе кажется всего лишь мечтой.
Это позор, потому что преимуществ будет изобилие: «Иногда бортовая обработка данных дает преимущество перед обработкой данных на земле с точки зрения характеристик спутников», – заявили исследователи.
«Например, сжатие данных уже используется во многих миссиях, поскольку оно снижает узкое место нисходящего канала. Эффективность нисходящего канала можно повысить еще больше, удалив бесполезные данные вместо их отправки на землю. Например, в наборах данных Landsat средняя облачность в архивной сцене составляет 34 процента, при этом в 38 процентах сцен облачность составляет менее 10 процентов.
“Таким образом, выбор только изображений с менее чем 10% облачного покрова приводит к уменьшению данных в среднем в 2,63 раза. При объединении удаления данных со сжатием 2: 1 объем отправляемых полезных данных увеличивается в 5,26 раза по сравнению с системой без бортовая обработка данных “.
Для этого потребуются новые процессоры, которые обеспечивают требуемую производительность при малой мощности, потребляемой типичным графическим процессором, и при этом устойчивы к тяготам пространства. Команда утверждала, что именно здесь может пригодиться RISC-V.
«Производительность космических процессоров можно существенно улучшить с помощью параллелизма на уровне данных (DLP), чтобы достичь производительности того же порядка величины, что и у высокопроизводительных наземных процессоров для DNN. [Deep Neural Networks]”, – говорится в статье.
«Для этого мы разрабатываем более детальное исследование процессоров RISC-V, необходимых для принятия решений на борту (OBDM), уделяя особое внимание предварительному проекту векторного процессора RISC-V специально для космических приложений.
«Этот предварительный проект предназначен для использования в качестве основы для будущих работ во время реализации на языке описания аппаратного обеспечения высокоскоростных интегральных схем (VHDL) векторного процессора RISC-V для космических приложений на базе платформы NOEL-V (разработанной Кобхэмом). Гайслер) “.
Эта статья – не первая попытка Кобэма Гейслера разместить в космосе бесплатную архитектуру с открытым исходным кодом. В 1997 году ЕКА начало использовать 32-битное ядро SPARC-V8, получившее название LEON, разработанное в Европейском центре космических исследований и технологий (ESTEC), при этом основной код VHDL был выпущен под обратной лицензией Иржи Гайслера – «Gaisler» в «Кобэм Гайслер» – в 1999 году.
Сегодня Cobham Gaisler предлагает ряд радиационно-стойких, готовых к использованию в космосе деталей, основанных на последующих поколениях ядра LEON на основе SPARC, и разветвленных в RISC-V с выпуском столь же открытого ядра NOEL-V в декабре 2019 года.
Однако один только RISC-V не обеспечивает производительности, необходимой для работы DDN в космосе. Для этого требуются векторные расширения. К счастью, RISC-V имеет именно это в виде векторного расширения RISC-V (RVVE).
«Хотя RVVE все еще находится в процессе стандартизации, – отметили исследователи, – он играет настолько важную роль в современных приложениях, что уже несколько разработок, реализующих RVVE, описаны в литературе».
На самом деле создание готовой к космосу реализации означало бы скачкообразное изменение технологии, которая выходит на орбиту. «Относительно большой размер и ориентация на высокую производительность векторных процессоров требует идентификации радиационно-стойких ASIC. [Application Specific Integrated Circuit] технология с технологическим узлом около 28 нм, – сказала команда, – в то время как современные процессоры в космических системах, как правило, все еще основаны на RHBD [Radiation Hardened By Design] 65 нм технологии ».
«Открытый и инновационный характер RISC-V делает его отличным кандидатом для научных приложений», – сказал директор Фонда FOSSi и RISC-V Стефан Валлентовиц. °. «Применение в космосе обусловлено различными ограничениями по сравнению с другими приложениями, и доступность общих реализаций RISC-V с открытым исходным кодом пойдет на пользу такой работе».
Исследователи и Кобхэм Гейслер не сказали, когда мы сможем увидеть первые части RISC-V на орбите. Статья доступна на условиях открытого доступа в Журнал аэрокосмических информационных систем. ®
