面向未来太空望远镜的存算一体芯片设计

研究背景与核心挑战

未来的太空望远镜在搜寻类地系外行星时，面临一个关键的计算难题。以美国宇航局（NASA）提议的宜居世界观测站（Habitable Worlds Observatory）为例，这台先进望远镜将运行在日地L2拉格朗日点附近，与詹姆斯·韦伯太空望远镜同处一个区域，距离地球约150万公里。这个位置能让太阳、地球和月球保持在航天器后方对齐，从而用单一遮阳罩阻挡来自三个天体的光和热。

为了直接拍摄类地系外行星的图像，望远镜必须实时处理数据，持续校正微小的光学畸变，以遮挡恒星光芒并显现附近暗淡的行星。然而，目前经过辐射加固的太空处理器速度太慢，无法胜任这一任务；而功能强大的GPU系统功耗过高，在太空中部署成本不划算。

存算一体的设计思路

密歇根大学计算机科学与工程助理教授纳撒尼尔·布莱尔（Nathaniel Bleier）指出，未来太空任务的关键洞察在于：它们不仅需要更强的计算能力，更需要正确类型的计算能力。对于这类工作负载，瓶颈在于数据传输而非计算本身。他打了个比方：这就像需要开车16公里去仓库取一个箱子，回到办公室打开，在里面的纸上打个勾，然后再开车去取下一个箱子——大量时间浪费在往返路上。

针对这一数据移动瓶颈，研究团队设计了两种定制硬件架构。第一种是高带宽内存（HBM）方案，将27个HBM芯片水平排列，每个芯片由16层动态随机存取存储器（DRAM）堆叠而成，并连接到定制设计的处理器。这相当于在仓库和办公室之间修建了一条超级高速公路，取代原来的单车道，允许同时进行更多次取箱操作。

第二种架构则将数据和计算分散到56个定制的"小芯片"（chiplet）上，每个小芯片配备约2GB的分布式静态随机存取存储器（SRAM）。这种方案相当于把办公室搬到仓库，将箱子分到各个房间，每个房间配一个计算器，并将结果报告给中央管理者。

模拟测试与性能评估

研究人员使用名为Synopsys Design Compiler的芯片设计软件，模拟了每种芯片的功耗、速度和尺寸。为了评估芯片在太空环境中的表现，团队运行了10,000次模拟，注入宇宙辐射可能导致的错误——例如在计算过程中将二进制0翻转为1。他们采用的数学防护机制称为基于算法的容错（Algorithm-Based Fault Tolerance，简称ABFT），成功捕获了所有可能导致图像模糊的危险故障，且没有产生任何误报。

将芯片数据代入既有的航空航天公式后，研究人员确定了这些芯片对实际航天器的影响。标准GPU配置需要3,000瓦功率，而27层HBM设计将功耗降至928瓦。56小芯片SRAM设计进一步将功耗降至90瓦。再加上一种数学捷径，将数据四舍五入到相当于七位小数的精度，SRAM设计仅需51瓦——相比GPU方案降低了59倍。

重量即成本

在太空中，每一瓦额外功率都意味着更大的太阳能电池板、更重的电池和冷却散热器，以防止卫星过热。研究人员计算，将计算功耗从3,000瓦降至51瓦，可使卫星重量从1,100公斤（约2,400磅，相当于一辆小型汽车）减至193公斤（约425磅，相当于一辆摩托车）。在25年的太空任务中，这一减重可节省4.3亿美元。

未来展望

该研究的共同通讯作者、密歇根大学电子与计算机工程博士生巴里·吕（Barry Lyu）表示，团队希望计算能扩展太空科学的能力，而不是成为限制因素。通过围绕工作负载设计硬件，可以使未来任务所需的实时处理变得切实可行。作为下一步，研究人员计划制造SRAM小芯片并在实验室环境中进行测试。

这项研究将在今年8月的IEEE太空计算会议上展示，为未来太空望远镜的芯片设计提供了重要的参考方向。值得注意的是，该研究目前仍处于模拟和设计阶段，实际芯片的制造与太空验证仍需时日。对于宜居世界观测站这类尚在概念设计阶段的重大项目，最终方案还需经过严格的模拟比较和工程评估才能确定。

原标题：Designing memory-centric chips for future space telescopes。 来源：phys.org。

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