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又一款针对航空应用的RISC-V处理器曝光
近日，CAES（Cobham Advanced Electronic Solutions）表示，它已获得欧洲航天局 (ESA) 的一份合同，以开发基于开放式 RISC-V 指令集架构 (ISA) 的 16 核、空间强化微处理器。该项目由瑞典国家航天局资助，将涉及设计一种容错和抗辐射的片上系统，以提高卫星和航天器应用的性能和功率效率。GR7xV处理器将被设计成星载控制和有效载荷数据管理和处理系统，以实现新型观测、通信、导航和科学任务和服务。其中包括先进、灵活的电信卫星有效载荷、科学和地球观测有效载荷以及行星探测车等机器人系统。新的容错和抗辐射处理器将扩展CAES Gaisler 的 LEON 处理器产品系列，该系列已在太空应用中使用了数十年，并基于传统的 32 位 SPARC V8 ISA。LEON 处理器的多个版本包括主要针对高端 FPGA 和深亚微米 ASIC 技术的 LEON5，以及针对传统和较低性能技术的 LEON3。LEON3 内核是 SPARC V8 架构的重新实现，具有更深的 7 级流水线和多处理器支持，它作为 GRLIB IP 库的一部分进行分发，适用于 ASIC 技术和辐射——来自 Actel 和 Xilinx 的容错 FPGA。LEON5 内核通过双发布流水线、改进的分支预测和后期 ALU 进一步提高了前几代的性能。同时，CAES 发布的第一个实现 RISC-V 架构的处理器的可综合 VHDL 模型是NOEL-V，它可以实现为双发处理器，每个周期最多允许并行执行两条指令。为了支持流水线的指令发布率，NOEL-V 具有先进的分支预测能力。NOEL-V 的缓存控制器支持一个存储缓冲区 FIFO，每个存储一个周期的持续吞吐量，以及广泛的 AHB 从支持，以实现快速存储和快速缓存重新填充。它使用 AMBA 2.0 AHB 总线进行接口，并支持 CAES 的 IP 库 (GRLIB) 中提供的 IP 核即插即用方法。该处理器可以在 FPGA 和 ASIC 技术上高效实现，并使用标准同步存储单元作为缓存和寄存器文件。NOEL-V 可以使用 Xilinx Vivado、Synplify 和 Synopsys DC 等常用综合工具进行综合，处理器模型在不同实现技术之间具有高度可移植性。CAES Gaisler 产品总经理 Sandi Habinc 表示：“ESA 合同进一步推动了我们开发具有同类产品前所未有的性能的容错和抗辐射的航天级微处理器。开放式 RISC-V ISA 已在其他市场得到广泛采用，该项目是第一个为空间应用开发基于 RISC-V 的 ASIC。”。ESA 电信和集成应用主管 Elodie Viau 评论说：“ESA 很荣幸与 CAES 合作开发这项新技术，因为它将支持未来的任务并提高空间处理器的技术标准。”ESA 合同遵循瑞典创新机构 Vinnova 今年早些时候授予的合同，将 RISC-V 处理器平台扩展到空间硬化应用程序，以实现时间隔离和网络安全。该研究的结果将用于推进空间硬化 GR7xV 微处理器的开发，并将与整个行业共享。完成后，多核 NOEL-V 处理器开发平台将通过与查尔姆斯理工大学 和 专注于信息安全的独立实验室atsec的合作进行测试 ，以确保对更高软件层的最大安全性。
每一个成功的太空任务的核心都是一个复杂而强大的计算机系统。在 1960 年代，相对基本的计算系统将人类带上了月球。最近，帕克探测器到达了我们太阳灼热的郊区，而航海者探测器则完全离开了我们的太阳系。当然，随着每一代太空探测器的问世，计算机都遵循摩尔定律的长征，向更小、更快、更便宜的系统发展。但是，问题仍然存在：这样的计算所系统能否更好地服务于人类的未来，更加雄心勃勃的太空探索？即使对于地球上的应用，开发尺寸、重量、功耗和成本都合适的计算机也可能具有挑战性。通常，这些理想特征中的一个是以牺牲另一个为代价来实现的。例如，更强大的计算系统往往能源效率较低。“在空间处理应用中，这些权衡更为关键，因为需要在严格的执行时间和功耗限制内处理大量数据，”美国国家科学基金会太空中心的博士前研究员 Michael Cannizzaro 解释说。Cannizzaro 一直在研究和比较空间应用的不同计算架构，并缩小了选择范围。现在，他建议将RISC-V作为未来太空任务的新选择。虽然他的工作尚未发表，但在2021 年 IEEE 空间计算大会上获得了最佳论文奖。根据 Cannizzaro 的说法，评委们对他独特的分析方法印象深刻，该方法包括在芯片上实现的商用处理器中评估 RISC-V 架构。“由于商用 RISC-V 芯片是如此新，据我所知，这是第一次采用商用 RISC-V 芯片并将其用于以空间处理为重点的评估的分析，”Cannizzaro解释说。他将 RISC-V 与其他四种架构设计进行了比较，其中三种已经在空间处理应用中流行，那就是ARM Cortex-A9、ARM Cortex-A53和POWER e5500。在分析了不同的选项后，Cannizzaro 推荐了 RISC-V，因为它具有高能效（这对于太空任务尤其重要）并且它是开源的。有趣的是，Cannizzaro 的分析表明，RISC-V 实际上并没有提供最佳的性能特征。ARM Cortex-A53 凭借其向量功能实现了这一区别，这是 RISC-V 目前所缺乏的。但 Cannizzaro 指出，RISC-V 可能会在不久的将来获得矢量扩展。“这当然会为未来的研究打开大门，以评估扩展对性能和功耗的影响，”他说。Cannizzaro 表示，他“非常荣幸获得该奖项”，并计划通过将额外的架构、处理平台和基准测试纳入他的分析来进一步发展这项工作。他还着眼于评估 RISC-V 的可靠性。“如果该设备不能承受地球大气层以外的恶劣环境，那么利用高性能系统就很难证明其在太空中是合理的，因此可靠性是另一个需要考虑的关键因素，”他说。“评估 RISC-V 芯片的可靠性是我希望纳入未来工作的内容。”
