关于FPGA用于火星探测车细节

即将发射的美国火星漫游车“毅力号”（Perseverance）将配备多种观测设备，用于搜索生命迹象等，FPGA也被广泛应用于整个车辆。

最近Xilinx公司系统架构师Minal Sawant的透漏了更多关于FPGA用于火星探测车细节。

在此我们为大家做一个简单介绍。

FPGA用于太空示例

虽然人们满怀热情地报道了航天器和漫游车的成功，但很少有人对其内部使用的是什么部件感兴趣。但从2000年开始，FPGA在太空中的应用不断扩大，比如已被应用于铱星Next通信卫星和OSIRIS-REx小行星探测器。

使用xilin FPGA的卫星和航天器示例

在JAXA卫星中也有采用

而对于火星探测器，FPGA的首次使用是2003年的勇气号(Spirit)和机遇号(Opportunity)火星漫游车，采用了Virtex-1系列FPGA用于的电机控制。其中，"机遇号 "持续探索火星表面15年，大大超过了预期的3个月的寿命，证明了其可靠性。

美国火星探测车：越做越大，功能越来越多

起始于从勇气号/机遇号，火星漫游车开始使用FPGA

2011年的"好奇号 "则采用了Virtex-2系列。随着重量一下子增加到900公斤左右，仪器数量的增加，FPGA的使用范围也随之扩大，在MAHLI和ChemCam等仪器和总线设备中都有使用。

于2020年推出的毅力号（Perseverance）将在“ LVS”（Lander Vision System）中使用Virtex-5系列“ XQR5VFX130”。

毅力号将采用与好奇号相同的“天车”模式降落在火星上。首先，用降落伞减速，然后在大约1英里（1.6公里）的高度分开。从那里，下降模块的火箭射流减速以悬停，悬挂绳索，并轻轻地将先前悬挂在地面上的流动站掉落。这是“空中的起重机”。

相同的 "天吊 "方式登陆火星。用降落伞减速后，航天器将在1英里（1.6公里）的高度分离。从那里，漫游车将被下降舱的火箭火力减速、悬停，然后通过悬挂绳索缓缓下降到地面。是真正的 “空中的起重机”。

需要注意的是，火星表面也有危险的山脉和山谷。探测器需要下降到预先选定的平坦地点，以便安全着陆，而在下降过程中观察地表的LVS将被用来帮助导航。通过比较摄像头的图像和地图数据，漫游车可以确定其当前位置。

XQR5VFX130被用作图像处理的硬件加速器，在勇气号/机遇号中只使用20MHz的CPU（RAD6000），计算时间约为160秒，而毅力号使用200MHz的CPU（RAD750）和FPGA之间进行分工处理，使其速度提高了18倍，降至仅8.8秒。

毅力号的LVS，在中心“视觉计算元件”中使用了FPGA

毅力号还将其FPGA用于其他观测设备和总线仪器，如 "PIXL"、"Mastcam-Z "和 "SHERLOC"。

使用相同FPGA的毅力号设备

为什么使用FPGA

现场可编程门阵列（FPGA）是一种可以由用户自由重新配置（编程）的集成电路。另一方面，ASIC具有高性能、低功耗的特点，但其电路不能改变。FPGA是CPU和ASIC的良好结合，其自由度高，功耗低。

对于量产产品来说，开发一个专门的ASIC是有利可图的，但对于卫星和空间探测器来说，基本上最多也就几十台，这点用量ASIC明显不适合。而FPGA不需要大量的初始成本，而且可以马上设计出来，对于航天来说，FPGA可能是非常适合的。

据Xilinx公司介绍，从2000年左右开始，Xilinx就开始提供空间级FPGA。在太空中，FPGA具有与地面一样的优势，尤其是发射后可以重写。Sawant指出："由于能够灵活地适应任务变化，它还将延长卫星本身的寿命。

xilinx 的太空FPGA。使用了特殊的陶瓷封装

然而，太空中的空间辐射很强，会带来半导体电路中被称为 "单次事件效应"（SEE）的问题。单个事件包括存储器反转超限（SEU）和过流闩锁（SEL）。由于这些事件会导致故障和失效，因此在太空中使用它们需要很高的抗辐射能力。

该公司提供了两款空间级FPGA，分别是90纳米工艺的Virtex-4QV和65纳米工艺的Virtex-5QV。"4QV "采用了与消费类产品相同的硅片，而 "5QV "则在设计本身内置了抗辐射功能（RHBD:Radiation Hardened by Design），"我们已经能够将颠覆的发生限制在一年两次左右" ，Sawant表示。

作为下一代产品，该公司于2020年5月宣布了20 nm工艺“ RT Kintex Ultra Scale”，目前正在样品供货中。这是一款一次性跳过几代流程的高性能产品，预计将除了做图像处理外还可用于机器学习。

通常，随着制造过程变得越来越精细，芯片会变得更容易受到辐射的影响，但是RT Kintex UltraScale“通过设计架构和设计，使其很难发生单一事件。”那。

通常情况下，随着制造工艺的变小，相对来说更容易受到辐射的影响，但据xilinx的RT Kintex UltraScale 过在架构和设计上下功夫，使单一事件难以发生，提高了抗辐射能力。

目前毅力号定于7月30日（美国时间）发射。预计在2021年2月登陆火星。