Σχεδίαση, υλοποίηση και ενσωμάτωση σε σύστημα-σε-μια-ψηφίδα τεχνολογίας FPGA επιταχυντών υλικού υψηλής απόδοσης για συμπίεση υπερφασματικών εικόνων εν πτήσει σε αεροδιαστημικά συστήματα
Authors: Τσίγκανος Αντώνιος 
Published: September 2021

Η αυξανόμενη ζήτηση για λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τις ανθρώπινες και γεωφυσικές διεργασίες στη Γη έχει οδηγήσει σε ταχείες εξελίξεις στους δορυφόρους παρατήρησης της Γης οι οποίοι είναι εξοπλισμένοι με υπερφασματικούς αισθητήρες απεικόνισης. Η υπερφασματική απεικόνιση έχει ήδη αναδειχθεί ως θεμελιώδης τεχνολογία που καθιστά δυνατές χρήσιμες πολιτικές εφαρμογές τηλεπισκόπησης, όπως η έξυπνη γεωργία, γεωλογικές και περιβαλλοντικές εφαρμογές, παρατήρηση και αντιμετώπιση καταστροφών μεταξύ άλλων. Ωστόσο, ο όγκος δεδομένων από υψηλής ανάλυσης υπερφασματικά συστήματα τηλεπισκόπησης ανταγωνίζεται τους περιορισμένους πόρους αποθήκευσης και το εύρος ζώνης για τη μετάδοση δεδομένων σε σταθμούς εδάφους, καθιστώντας την συμπίεση υπερφασματικών εικόνων σημαντική πρόκληση και κρίσιμη λειτουργία των εν πτήσει υπολογιστικών συστημάτων. Ταυτόχρονα, η εποχή του "NewSpace" έχει εμφανιστεί στις διαστημικές εξελίξεις, όπου τα κόστη εκτόξευσης μειώνονται και κατασκευάζονται μικροί δορυφόροι υψηλής ενσωμάτωσης που χρησιμοποιούν ημιαγώγιμες συσκευές χαμηλού κόστους, εμπορικής κατηγορίας. Η εργασία αυτή αρχικά περιγράφει τη σχεδίαση και υλοποίηση ενός νέου επιταχυντή σε υλικό, υψηλής ταχύτητας, εφαρμόζοντας τον αλγόριθμο CCSDS 123.0-B-1 συμπίεσης υπερφασματικών δεδομένων ως επιταχυντής που στοχεύει FPGA διαστημικής κατηγορίας. Αξιοποιώντας το διαθέσιμο παραλληλισμό σε επίπεδο διεργασιών του αλγορίθμου, ο επιταχυντής εφαρμόζει μια επαναδιαμορφώσιμη αρχιτεκτονική συνεχής διοχέτευσης στους κρίσιμους βρόχους για να επιτύχει υψηλή ταχύτητα συμπίεσης σε ένα σχέδιο RTL βελτιστοποιημένο για FPGA. Ο επιταχυντής λειτουργεί στην υψηλότερη ταχύτητα συγκρίσιμων υλοποιήσεων στη βιβλιογραφία, με μέγιστη ταχύτητα συμπίεσης 213 Msamples/s (3.3Gbps@16bpppb) στη συσκευή Virtex-5QV και 315 Msamples/s (5.04Gbps@16bpppb), σε συσκευή Xilinx Kintex UltraScale FPGA, που υπερέχει κατά 5x έως 1.5x σε σχέση με προηγούμενες υλοποιήσεις στη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια αναπτύχθηκαν για συσκευές εμπορικής κατηγορίας (COTS) SoC FPGA, ειδικά προσαρμοσμένες αρχιτεκτονικές SoC για την παράλληλη ενσωμάτωση επιταχυντών υπερφασματικής συμπίεσης. Η κύρια αρχιτεκτονική βασίζεται σε συν-σχεδιασμό λογισμικού και υλικού και εκμεταλλεύεται την τμηματοποίηση εικόνων για να παρέχει αυξημένη ευρωστία σε σφάλματα δεδομένων. Επιτρέπει κλιμακούμενη απόδοση αξιοποιώντας τον παραλληλισμό σε επίπεδο τμήματος με πολλαπλούς επιταχυντές συμπίεσης σε ένα μόνο τσιπ για εξοικονόμηση μάζας, ισχύος και κόστους. Η προτεινόμενη παράλληλη αρχιτεκτονική επιδεικνύεται εργαστηριακά σε Zynq-7045 FPGA με 5 πυρήνες συμπίεσης και επιτυγχάνει ταχύτητα 1387 Msamples/s (22.2Gbps@16bpppb) που ξεπερνά προηγούμενες υλοποιήσεις σε ισοδύναμη τεχνολογία FPGA. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω μιας λεπτομερούς μελέτης των εφικτών ορίων απόδοσης, τεχνολογίας και κλιμάκωσης. Τέλος, σχεδιάστηκε ένα ακόμα σύστημα-σε-μια-ψηφίδα (SoC), το οποίο ενσωματώνει επιταχυντές συμπίεσης εστιάζοντας στην αξιοπιστία σε επίπεδο συστήματος, χρησιμοποιώντας έναν ανθεκτικό σε σφάλματα επεξεργαστή LEON σε ένα ανεκτικό στην ακτινοβολία Virtex-5QV FPGA. Αυτή η μονάδα επεξεργασίας σε ένα chip, υποστηρίζει αυτοδιαχείριση του FPGA με την δυνατότητα αυτο-επαναπρογραμματισμού εν-λειτουργία, ενώ για την αντιμετώπιση λαθών από ακτινοβολία υλοποιεί μια στρατηγική ανίχνευσης και αντιμετώπισης σφαλμάτων σε επίπεδο συστήματος.