【導(dǎo)讀】為了發(fā)掘宇航市場(chǎng)的潛力，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商正通過(guò)提供增值服務(wù)，如超高分辨率成像、流媒體視頻直播和星上人工智能，提升星上處理的能力以減少下行鏈路的需求。從2019年到2024年，高吞吐量載荷的市場(chǎng)需求預(yù)計(jì)增長(zhǎng)12倍，帶寬增加至26500 Gbps。
上述的所有應(yīng)用都和存儲(chǔ)器的容量和速度密切相關(guān)。實(shí)時(shí)存儲(chǔ)前向高吞吐量載荷基于支持GHz I/O速率的FPGA、存儲(chǔ)器、寬帶ADC和DAC。例如，一個(gè)12位1.5Gsps采樣率的ADC每秒產(chǎn)生18Gb的原始數(shù)據(jù)。一分鐘的壓縮SAR信息需要大約70Gb的存儲(chǔ)容量。這對(duì)現(xiàn)有的宇航級(jí)存儲(chǔ)器解決方案的I/O帶寬、訪問(wèn)時(shí)間、功耗、物理尺寸和存儲(chǔ)容量提出了很大的挑戰(zhàn)。
一個(gè)數(shù)字高吞吐量載荷的典型架構(gòu)如下圖所示。它需要使用一個(gè)宇航級(jí)FPGA或一個(gè)快速微處理器進(jìn)行星上處理。最新的超深亞微米工藝的經(jīng)過(guò)認(rèn)證的FPGA一般包含大約30Mb的片上存儲(chǔ)器，而CPU會(huì)更少。基于這一架構(gòu)的電信、地球觀測(cè)和科學(xué)載荷多使用Xilinx的XQRKU060、Microchip的RTPolarFire或NanoXplore的宇航級(jí)FPGA，需要額外的快速片外存儲(chǔ)器存儲(chǔ)這些應(yīng)用產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。
圖 1 : 數(shù)字高吞吐量載荷的架構(gòu)
實(shí)時(shí)處理，結(jié)合大帶寬數(shù)據(jù)的快速壓縮和存儲(chǔ)，是下一代高吞吐量衛(wèi)星服務(wù)所必需的。問(wèn)題是如何找到一款合適的有足夠容量、速度和可靠性的宇航級(jí)大容量存儲(chǔ)器。
SDRAM是一種快速大容量的半導(dǎo)體技術(shù)，它由單元的邏輯陣列和基本的存儲(chǔ)元件組成，每個(gè)存儲(chǔ)元件都包括一個(gè)電容和一個(gè)FET組成的控制門電路。每個(gè)單元存儲(chǔ)一個(gè)比特，下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的4比特存儲(chǔ)器。每一行的電壓控制晶體管的通斷，并對(duì)相關(guān)的電容充電或放電。在每個(gè)所需的“字線”充電之后，列選擇器選擇對(duì)應(yīng)的電容，準(zhǔn)備接下來(lái)的讀/寫操作。由于自放電效應(yīng)，這些單元必須周期性刷新，包括讀和數(shù)據(jù)寫回的操作。
圖 2 : SDRAM位單元和SDRAM芯片的組織結(jié)構(gòu)
SDRAM架構(gòu)包含許多存儲(chǔ)單元，這些存儲(chǔ)單元組成行和列的二維陣列。要選擇某一個(gè)比特，需首先確定對(duì)應(yīng)的行，然后確定對(duì)應(yīng)的列。當(dāng)對(duì)應(yīng)的行開(kāi)啟時(shí)，可以訪問(wèn)多個(gè)列，從而提高連續(xù)讀/寫的速度并降低延遲。
為了增加字容量，存儲(chǔ)器使用多個(gè)陣列，這樣當(dāng)需要進(jìn)行一次讀/寫操作時(shí)，存儲(chǔ)器只需要尋址一次訪問(wèn)每個(gè)陣列中的1個(gè)比特。
為了增加存儲(chǔ)器的整體容量，SDRAM的內(nèi)部結(jié)果還包含多個(gè)bank，如上圖所示。這些bank互相交織，進(jìn)一步提高了性能，并可以獨(dú)立尋址。
當(dāng)需要執(zhí)行讀或?qū)懖僮鲿r(shí)，首先存儲(chǔ)器控制器發(fā)出ACTIVE命令，激活對(duì)應(yīng)的行和bank。操作執(zhí)行完畢后，PRECHARGE命令關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)bank中的一個(gè)對(duì)應(yīng)的行。除非之前的行被關(guān)閉，否則無(wú)法打開(kāi)新的行。
SDRAM的操作通過(guò)如下的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)：片選(CS)、數(shù)據(jù)屏蔽(DQM)、寫使能(WE)、行地址選通(RAS)和列地址選通(CAS)。后面的三個(gè)信號(hào)決定發(fā)出哪個(gè)命令，如下表所示：
表 1 : SDRAM控制真值表
從1992年至今，SDRAM已發(fā)展了數(shù)代：最早的版本是單倍數(shù)據(jù)速率(SDR)型SDRAM，其內(nèi)部時(shí)鐘頻率和I/O速率相同。SDR型SDRAM一個(gè)時(shí)鐘周期只能讀或?qū)懸淮危陂_(kāi)始下個(gè)操作之前必須等待當(dāng)前操作完成。
雙倍數(shù)據(jù)率(DDR)型SDRAM通過(guò)在兩個(gè)時(shí)鐘邊沿傳送數(shù)據(jù)，在不提高時(shí)鐘頻率的情況下使I/O傳送的速度加倍，從而實(shí)現(xiàn)了更大的帶寬。這是采用一種2n預(yù)讀取的架構(gòu)，其內(nèi)部數(shù)據(jù)路徑是外部總線寬度的兩倍，允許內(nèi)部頻率是外部傳送速度的一半。對(duì)于每個(gè)讀操作，可獲取2個(gè)外部字；而對(duì)于每個(gè)寫操作，兩個(gè)外部數(shù)據(jù)字在內(nèi)部合并，并在一個(gè)周期內(nèi)寫入。DDR1是一種真正的源同步設(shè)計(jì)，通過(guò)使用雙向數(shù)據(jù)選通在一個(gè)時(shí)鐘周期捕捉兩次數(shù)據(jù)。
DDR2型SDRAM的外部總線速度是DDR1的雙倍I/O傳送速度的兩倍。它使用4n預(yù)讀取的緩沖，內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑是外部數(shù)據(jù)總線寬度的四倍。DDR2的時(shí)鐘頻率可設(shè)置成DDR1的一半，實(shí)現(xiàn)相同的傳送速度；或相同的速率，實(shí)現(xiàn)雙倍的信息帶寬。
DDR3型SDRAM的外部總線速度是DDR2雙倍I/O傳送速率的兩倍，使用8n預(yù)讀取架構(gòu)。它的內(nèi)部數(shù)據(jù)路徑的寬度是8比特，而DDR2是4比特。DDR3的時(shí)鐘頻率可設(shè)置成DDR2的一半，實(shí)現(xiàn)相同的傳輸速度；或相同的速率，實(shí)現(xiàn)雙倍的信息帶寬。
表2列出了當(dāng)前衛(wèi)星和航天器制造商可用的宇航級(jí)SDRAM的選項(xiàng)。
表 2 : 當(dāng)前的宇航SDRAM選項(xiàng)
為了實(shí)現(xiàn)下一代高吞吐量衛(wèi)星的服務(wù)，未來(lái)的載荷需要更快、更大容量、更小尺寸和更低功耗的星載存儲(chǔ)器。小衛(wèi)星星座對(duì)尺寸和功耗有更嚴(yán)格的限制，而OEM廠商也需要更大的存儲(chǔ)帶寬實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)應(yīng)用。
Teledyne-e2v最近發(fā)布了第一款面向宇航應(yīng)用的耐輻射DDR4 SDRAM。DDR4T04G72是一款72比特4GB(32Gb)的存儲(chǔ)器，目標(biāo)I/O速度2400MT/s，有效帶寬153.6 Gbps（帶ECC）或172.8 Gbps(不帶ECC)。器件的封裝是緊湊的15x20x1.92mm的PBGA，包含391個(gè)焊球，間距0.8mm，如下圖所示。這款器件可提供-55℃到+125℃和-40℃到+105℃兩種溫度范圍，其有鉛的版本經(jīng)過(guò)NASA Level 1和ESCC class 1的質(zhì)量認(rèn)證。將來(lái)也有計(jì)劃發(fā)布8GB(64Gb)的版本。
圖 3 : 耐輻射DDR4T04G72, 4 GB DDR4存儲(chǔ)器
對(duì)于防輻射性能，DDR4T04G72的SEL閾值超過(guò)60.8 MeV.cm2/mg，SEU和SEFI的閾值分別是8.19和2.6 MeV.cm2/mg，目標(biāo)100 krad(Si)TID免疫。
4GB DDR4T04G72是一款包含5個(gè)裸片的MCM，其中4個(gè)是1 GB(8 Gb)的存儲(chǔ)容量，512 Mb x 16 bits結(jié)構(gòu)，分為兩個(gè)組，每個(gè)組有4個(gè)bank。為了提高可靠性，器件采用了72比特的數(shù)據(jù)總線，包含64比特的數(shù)據(jù)和8比特的錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正。這個(gè)ECC功能是通過(guò)第五個(gè)裸片實(shí)現(xiàn)的。器件使用內(nèi)部的8n預(yù)讀取緩沖，實(shí)現(xiàn)高速操作，提供可編程的讀寫操作和額外的延遲。
DDR4的供電電壓的典型值是1.2V。下表是DDR4T04G72的物理尺寸和功耗與市面上的宇航級(jí)SDRAM的對(duì)比。功耗在很大程度上與下面幾個(gè)因素相關(guān)：器件的架構(gòu)、時(shí)鐘頻率、供電電壓、執(zhí)行的操作、器件的狀態(tài)（如使能、預(yù)充電或讀/寫）、每個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間、是否使用bank交織和I/O電路的實(shí)現(xiàn)（如終端電路）。SDRAM在系統(tǒng)中的使用方式的不同，也會(huì)對(duì)功耗有很大的影響。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，非常重要的一點(diǎn)是，您需要考慮存儲(chǔ)器如何被訪問(wèn)、如何被特定的PDN驅(qū)動(dòng)以及如何設(shè)計(jì)散熱方案。DDR4也支持2.5V的電壓Vpp，其為器件提供字線加速以提升效率。
表 3 : SDRAM的參數(shù)比較
您可以從Teledyne e2v獲取DDR4T04G72的IBIS、SPICE、熱模型和散熱估算表。若您想把這款器件配合Xilinx’s XQRKU060宇航級(jí)FPGA一起使用，Teledyne e2v可以提供使用Vivado® Design Suite生成DDR4控制器IP的配置文件供您參考。
您也可以選擇下圖這款小型單基板44x26mm的模塊，包含DDR4T04G72 DDR4 SDRAM和一款耐輻射四核64比特ARM® Cortex® A72 CPU，其工作頻率高達(dá)1.8 GHz。對(duì)于這款宇航級(jí)模塊，目前Teledyne e2v還未決定提供有鉛還是RoHS的封裝。
您更喜歡哪一款產(chǎn)品？請(qǐng)您把您的想法發(fā)郵件至thomas.porchez@teledyne.com。
圖 4 : 耐輻射QLS1046-4GB quad ARM core和DDR4T04G72 DDR4存儲(chǔ)器
DDR4將為宇航產(chǎn)業(yè)提供高吞吐量板上計(jì)算的方案，提高采集系統(tǒng)的性能，使諸如超高分辨率成像、流媒體視頻直播和星上人工智能等新一代地球觀測(cè)、宇航科學(xué)和電信應(yīng)用變?yōu)榭赡堋?/div>
DDR4T04G72使衛(wèi)星和航天器的制造商第一次可以使用大存儲(chǔ)帶寬技術(shù)，而類似的技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)使用了6年了。與市場(chǎng)上的經(jīng)過(guò)認(rèn)證的DDR3 SDRAM相比，DDR4T04G72可與最新的宇航級(jí)FPGA和微處理器配合使用，實(shí)現(xiàn)：
● 存儲(chǔ)器帶寬增加62%，傳輸速度加倍
● 存儲(chǔ)容量增加25%
● 物理尺寸縮小76%
本文的作者是Spaceships公司的CEO和創(chuàng)始人Rajan Bedi博士。
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