作者：INDERJIT SINGH，MINAL SAWANT

Space 2.0代表了國防和航空航天應用發(fā)展的重大轉變：隨著人工智能（AI）應用的到來，系統(tǒng)必須支持更高的處理和吞吐量能力。在軌處理需要自適應架構，以便系統(tǒng)可以處理、分析和重新配置自身，以優(yōu)化性能和響應能力。這反過來又推動了有機包裝和可靠性的創(chuàng)新。最后，為了構建這些復雜的系統(tǒng)，工程師需要更高的設計敏捷性來加速開發(fā)、降低成本并縮短發(fā)布時間。

對于空間設計來說，從來沒有比這更激動人心的時刻了。開發(fā)和發(fā)射系統(tǒng)到太空不再只是政府所能及的。私營企業(yè)的創(chuàng)新、敏捷性和愿景正在迎來一個全新的時代：Space 2.0。太空的形態(tài)正在遠遠超出傳統(tǒng)的國防和航空航天領域，擴展到廣泛的實際和有利可圖的應用。

考慮SpaceX的低地球軌道衛(wèi)星星座，以提供寬帶連接。由于這些衛(wèi)星進入軌道所需的燃料更少，發(fā)射成本也更低，因此它們可以提供價值，同時預期壽命僅為四到五年。在這段時間里，技術將取得進步，下一代衛(wèi)星將準備好取代它們。

新興趨勢

對低地球軌道星座的巨大興趣遠遠超出了簡單地連接世界上70多億人的范圍。這項技術有無數(shù)的應用。使用傳統(tǒng)衛(wèi)星可能需要長達一個月的時間來處理圖像。相比之下，一組較小的飛行器可以提供實時成像，可以立即用于幫助地面上的消防員，使用高光譜相機和合成孔徑雷達探測和跟蹤飛機等物體，或改變用戶導航的方式地球，僅舉幾例。

低地球軌道衛(wèi)星也可能意味著更短的任務，從而降低風險和成本。以這種方式使用衛(wèi)星意味著可能會加快太空創(chuàng)新的整體步伐，更早地轉向更新的工藝節(jié)點和封裝技術。當有效載荷可以每五年更新一次而不是每10到20年更新一次時，這使得任務專家能夠用更少的資源做更多的事情。

主要趨勢之一是在軌處理的興起，這需要更多的計算和輸入/輸出（I / O）插槽;這反過來又推動了向有機BGA（球柵陣列）封裝的轉變，并遠離陶瓷柱柵連接解決方案等傳統(tǒng)技術。還可以看到：開發(fā)敏捷性的急劇提高，從而加快了評估、原型設計和新技術的推出。

空間設計的挑戰(zhàn)

在太空中操作存在一些最具挑戰(zhàn)性的設計障礙：首先，環(huán)境是極端和無情的，系統(tǒng)必須加固，并且設計為無單點故障。在太空中，維護停機時間不是一種選擇。此外，設計人員必須應對以下挑戰(zhàn)：

下行帶寬有限：衛(wèi)星可以捕獲大量數(shù)據(jù);然而，通往地球的管道不夠寬，無法將其全部送回。

更快的上市時間：隨著開發(fā)擴展到傳統(tǒng)國防和航空航天應用之外，推出新產品的窗口正在縮小。

為重用而設計：天基系統(tǒng)不再是一勞永逸的;它們現(xiàn)在必須是其IP可以在多個特派團中重復使用的平臺。

低延遲和高帶寬：為了使寬帶通信可行，系統(tǒng)必須具有最小的延遲和無縫可靠的連接。

太空中的機器學習

解決這些設計挑戰(zhàn)的基礎是從地面站卸載處理并將其引入機載。衛(wèi)星不會將數(shù)據(jù)和圖像發(fā)送到地球進行處理 - 并引入與此相關的所有延遲 - 衛(wèi)星將自己處理數(shù)據(jù)并發(fā)送有關數(shù)據(jù)含義的信息。這需要衛(wèi)星開始支持在軌人工智能功能，包括物體檢測和圖像分類。

使在軌處理可行的一個關鍵部分是了解人工智能是一個不斷變化的研究領域，機器學習 （ML） 模型需要不斷優(yōu)化。首先，ML 模型可以隨著時間的推移進行調整，變得更快、更準確。其次，算法本身會隨著新突破的實現(xiàn)而變化。因此，天基系統(tǒng)需要一個靈活和自適應的架構，可以“動態(tài)”改變模型和算法。

由于涉及ML，可編程軟件是不夠的。ML 是計算密集型的，需要硬件加速才能提供實時響應能力。當算法發(fā)生變化時，加速算法所需的硬件也會發(fā)生變化。因此，自適應平臺需要可配置的軟件和硬件的組合，這些軟件和硬件可以相互協(xié)調地更新。簡而言之，為了支持在軌處理，系統(tǒng)需要能夠處理、分析和重新配置從架構到應用代碼。

邁向有機包裝

能夠提供可靠的系統(tǒng)組件，這些組件將在所需的長任務壽命和太空中的極端環(huán)境中運行，需要完全不同的設計、制造和測試水平。質量控制必須從一開始就與設計團隊合作，以達到政府要求的可靠性水平。

例如，Six Sigma是國防和航空航天工業(yè)30多年來公認的可靠領導者，是陶瓷網(wǎng)格陣列封裝焊柱附件的唯一供應商，主要用于空間應用。雖然政府一直在積極尋找第二個來源，但提供六西格瑪提供的世界級可靠性所需的流程和專業(yè)知識非常嚴格，迄今為止，還沒有其他供應商能夠獲得認證。

隨著行業(yè)轉向 7 nm 技術等新工藝節(jié)點，芯片對于傳統(tǒng)的空間級封裝和焊柱連接等技術來說太大了。簡而言之，在軌AI的處理要求將不再適用。還需要考慮 I/O 的顯著增加。

因此，該行業(yè)開始從傳統(tǒng)封裝轉向用于太空級產品的有機封裝和倒裝芯片封裝。除了能夠支持所需的更大芯片尺寸和I/O外，有機封裝的可靠性已在商業(yè)市場上得到證明，并具有更廣泛的支持生態(tài)系統(tǒng)。

當然，仍有挑戰(zhàn)需要克服：太空發(fā)展不會在一夜之間發(fā)生變化。鑒定太空級產品需要數(shù)年時間，許多遺留的生態(tài)系統(tǒng)將繼續(xù)需要支持。然而，國防部門有興趣獲得最新技術，參與者明白創(chuàng)新意味著變化。

天基設計和系統(tǒng)的持續(xù)創(chuàng)新

國防和航空航天工業(yè)以及任何考慮天基應用的公司都需要能夠為Space 2.0應用提供必要的性能、適應性和可靠性的技術。然而，僅有新技術是不夠的。隨著系統(tǒng)變得越來越復雜，集成組件的難度也變得越來越具有挑戰(zhàn)性。即使評估一個簡單的 ML 平臺也可能需要數(shù)周時間，因為開發(fā)人員必須自己集成來自多個供應商的組件。

了解開發(fā)人員在構建可靠的空間系統(tǒng)時面臨的苛刻要求至關重要。

真正的創(chuàng)新和在軌可重構性將通過以下方式實現(xiàn)：

2.5/3D芯片集成與封裝技術

小芯片和芯片到芯片 （C2C） 互連技術

AI 引擎和特定于領域的架構

下一代路由可消除擁塞

類似 ASIC 的時鐘，具有靈活的時鐘放置和偏斜平衡

智能 3D 分析放置工具，可優(yōu)化時序、擁塞和導線長度

以 ML 為中心的應用程序工具支持的軟核處理器

Space 2.0承諾了一個令人興奮的未來。私營部門推出自己的系統(tǒng)的能力為該行業(yè)帶來了新的視野。在軌處理將把天基系統(tǒng)的能力擴展到可行的商業(yè)應用中，提高全世界的生活質量。真正的無限在軌可重構性為這些系統(tǒng)提供了實施和加速實時人工智能功能所需的軟件和硬件靈活性。向有機封裝的轉變將使該行業(yè)能夠加入下一代系統(tǒng)所需的處理和I / O。OEM 將享受設計敏捷性的諸多好處，因為評估、設計、調整和重用基于空間的 IP 變得更加容易。

審核編輯：郭婷