Kunstig intelligens i rommet

Av de 6 500+ operative satellittene som for tiden går i bane rundt planeten, deltar minst 1 000 av dem i en eller annen form for jordobservasjonsarbeid (Earth Observation – EO) Bildene som innhentes fra slike aktiviteter kan benyttes til en mengde forskjellige formål, inkludert mange som enten har økologiske eller sosiopolitiske fordeler.

Stadige forbedringer

Sammen med fremskrittene som gjøres i forbindelse med den involverte bildeteknologien, kan det oppnås en kontinuerlig forbedring av detaljnivået. Dette sørger for å utvide bruksområdene som kan gjennomføres, samtidig som kvaliteten på resultatene heves. Dessverre skaper dette problemer andre steder.

Flaskehalser

Siden oppløsningen på bildene øker og datamengden vokser, har det begynt å dukke opp flaskehalser med kommunikasjon. I noen tilfeller kan det hende det må håndteres data som kommer fra konstellasjoner av hundrevis av satellitter. Dette er problematisk, siden det vil være for mye materiale å undersøke – med mindre det er kategorisert på forhånd og overskuddet blir filtrert ut.

Økende databehov

Tidligere var det mulig for relativt små mengder data å bli sendt direkte tilbake til jorden, for deretter å behandles gjennom dedikerte datasentre. Migreringen fra slik datasenterinfrastruktur til skybaserte plattformer, sammen med utviklingen av sensorteknologien som benyttes (med mer sofistikerte enheter som har høyere oppløsning), har ført til at de nedstrøms kommunikasjonsforbindelsene ikke lenger klarer å håndtere omfanget, siden de ikke kan skaleres med det økende databehovet. Derfor er det behov for en helt ny tilnærming.

«Kantprosessering»

Ved å bringe prosesseringsaspektet nærmere kilden, på en lignende måte som kantprosesseringsmetodene som begynner å bli implementert i jordbaserte kommunikasjonsnettverk, kan det oppnås flere viktige fordeler. For det første vil det ikke lenger være nødvendig å gjennomgå og sortere alle bildene på bakken, siden kun de med verdi blir overført. For det andre vil det løse de akutte båndbreddebegrensningene som har begynt å oppstå (som nettopp skissert). For det tredje vil responsen på en oppstått situasjon være raskere. Dette kan være viktig ved håndtering av ulike former for natur- eller menneskeskapte katastrofer, siden det vil være mulig å identifisere disse raskere. Dermed kan nødetater og hjelpeorganisasjoner informeres innen en kortere tidsramme (og flere liv spares).

Prosessering om bord

Som følge av årsakene vi nettopp har gjennomgått, er det stor interesse for å flytte EO-oppgaver fra en sentralisert arkitektektur over til et kantbasert oppsett. Fremfor å sende alt tilbake, vil flere analysemuligheter på selve satellitten åpne muligheten for at innhentede data kan tolkes der, før relevansen blir vurdert. Dette legger mye mindre belastning på satellittens nedstrøms forbindelse, og betyr også at det ikke brukes strøm på å overføre data som ikke er til nytte.

Rask reaksjon

Hvis det fastslås at bildene som er innhentet inneholder elementer som er av interesse og trenger en dypere analyse, eller dersom de viser tegn på noe som trenger en rask reaksjon, vil overføringen helt klart være berettiget. Dersom materialet derimot viser seg å være uvesentlig, blir behovet for å overføre det opphevet uten at det bruker båndbredde

Viktige prosessoregenskaper

Alle typer halvlederteknologier beregnet for bruk i verdensrommet, trenger attributter som går langt utover det som forventes for konvensjonell bruk. Når maskinvaren er i verdensrommet kan den ikke repareres, eventuelle skader eller funksjonsproblemer vil derfor sette oppdraget i fare. Komponentene må ha motstandskraft mot de intense støtene og vibrasjonskreftene de blir utsatt for ved oppskytning, og de ekstreme temperaturene som går fra sol til mørke gjennom banen.

Strålingsmotstand

De må også være robuste nok til å tåle eksponering for stråling. Ioner som treffer en prosessorenhet kan forårsake enkelthendelseslåsing (single event latch-up – SEL) og enkelthendelsesfeil (single event upset – SEU). I tillegg er må den totale ioniserende mengden (total ionizing dosage – TID) vurderes, siden dette kan forkorte levetiden til en enhet. For å sikre at en spesifisert prosessor gir langvarig drift når den er utplassert i verdensrommet, samtidig som at risikoen for funksjonsfeil er fraværende, er det obligatorisk med omfattende strålingstesting.

Plassbegrensninger

Det er også noen andre punkter som ikke kan bli oversett. Satellitter har svært lite plass til å romme all nødvendig elektronikk. De har også begrenset strømkapasitet (basert på hva deres fotovoltaiske celler kan generere). Dessuten har generelt sett ikke det «nye romsamfunnet» store økonomiske reserver tilgjengelig. Det må være kontroll på prosjektkostnadene, enhetene som velges må derfor ha attraktive priser.

Eksempel på brukstilfelle

Romsystemintegratoren Beyond Gravity med hovedkontor i Sveits, utvikler for tiden en høyytelses prosessorplattform som vil muliggjøre dataprosessering i sanntid på satellitter som utfører observasjonsoppgaver i lav jordbane (Low Earth Orbit – LEO). Lynx-plattformen må ha ledende beregningsevner, samtidig som den ikke stiller store krav til tilgjengelig strømlevering. Den må også være robust nok til å støtte langsiktig drift i rommet.

KI-algoritmer

Basert på de forskjellige aspektene som allerede er skissert, trengte selskapet en strålingstolerant prosesseringsløsning som kunne kjøre på sofistikerte KI-algoritmer. Dette måtte gjøres samtidig som den brukte minimalt med strøm, ikke opptok for mye plass og ikke hadde for høy pris.

Utnytte hyllevare

Konsultasjonene med medarbeiderne hos Teledyne e2v viste seg å være vellykket, noe som førte til at en av selskapets prosessorløsninger ble valgt. Ved å benytte hyllevare (commercial-off-the-shelf – COTS) prosesseringsteknologi, og deretter gjennomføre omfattende undersøkelser for å velge enhetene med best ytelse, kan Teledyne e2v tilby prosessorer som er mer kostnadseffektive enn spesialbygde løsninger.

Romkvalifisert

Teledyne e2v LS1046-Space er laget for å håndtere det utfordrende applikasjonsmiljøet som rommet representerer, men er likevel i stand til å kjøre med hastigheter på opptil 1,8 GHz, og er dermed i ferd med å bli den beste løsningen for prosessering om bord på satellitter. Den er for tiden den kraftigste romkvalifiserte prosessoren på marked, som leverer vesentlig bedre ytelse enn konkurrerende løsninger.

Flerkjerneprosessor

Takket være sin flerkjerneprosessor-arkitektur, som består av fire 64-bitArm Cortex A72-kjerner, kan den levere 30 000 DMIPs med prosesseringsytelse. Andre funksjoner som er integrert i denne enheten inkluderer en svært effektiv DDR4-minnekontroller med innebygd 8-bit feilkorrigert kode (Error Corrected Code – ECC) for å redusere risikoen for feil data, og et 2 MB L2-hurtigbuffer som ivaretar alle prosessorkjernene.

Høyt integrert

Denne prosessoren leveres i en 780-balls BGA-pakke og har en størrelse på 23 x 23 mm, som betyr at den bruker minimalt med kortplass. For å muliggjøre integrering med et bredt utvalg av forskjellige systemdesign, har prosessoren også et omfattende utvalg av grensesnitt. Disse inkluderer 10 Gbit Ethernet, PCIe Gen 3.0, SPI og I2C. Den har 72-bit bussbredde (med 64 bit dedikert til data og ytterligere 8 bit er tilordnet ECC). I tillegg til sine prosesseringsevner har LS1046-Space eksepsjonell robusthet, som både kvalifiserer til NASA-nivå 1 og ESA ECSS-klasse 1, med et driftstemperaturområde på 55 ⁰C til 125 ⁰C.

DDR4-minne

Sammen med prosessoren følger Teledyne e2v DDR4T04G72M, som er et 4 GB strålingstolerant DDR4-minne. Det bruker en flerbrikkepakke (Multi-chip Package – MCP)-løsning for å øke tetthetsnivåene betydelig. Både minnet og prosessorenhetene har bestått 100 krad TID-testing, som betyr at de har forlenget driftslevetid. De har også oppnådd 60 MeV. cm²/mg strålingstoleranse i forhold til både SEL og SEU, noe som sikrer funksjonell integritet.

Programvareaspektet

For å komplettere denne strålingstolerant maskinvaren for romkvalitet, har Teledynes partner Klepsydra utviklet innebygd programvare for Beyond Gravity Lynx-produktet. Programvaren er svært optimalisert for ressursbegrensede applikasjoner. Takket være proprietær parallelliseringsteknologi, kan den håndtere komplekse KI-arbeidsflyter samtidig som den bare bruker minimalt med strøm, og unngår tap av data som ellers kan føre til et mislykket oppdrag.

Reduserer CPU-belastning

Ved å kjøre Klepsydras programvare på LS1046-Space-prosessoren, kan det realiseres 50 % reduksjon i CPU-belastning. Dette kombineres med en tredobling av den totale prosesseringkapasiteten, pluss en drastisk reduksjon av latens. Programvarens ytelse ble målt ved hjelp av KI for å identifisere interessepunkter i bilder og for deteksjon av skyer. Sistnevnte algoritme er et svært viktig forskningsområde, siden den kan avgjøre om skydekket er for tett til å ta de bildene som er verdt å sende tilbake.

Mange anvendelser

Blant de mange jordobservasjonsapplikasjonene som kan løses med denne teknologien, vil være overvåking av avskoging eller urbanisering, smart jordbruk, skydeteksjon, registrering av isbrebevegelser, undersøkelse av flom og skogbranner, sporing av militær aktivitet osv. Den kan også potensielt benyttes til å gi et tidlig varslingssystem for livstruende hendelser, som for eksempel tsunamier.

Konklusjon

Ved å bruke kantbaserte databehandlingsprinsipper på utstyr som er blitt plassert i verdensrommet, kan problemer knyttet til begrensninger ved nedstrøms båndbredde reduseres, samtidig som bare data med reell verdi trenger å overføres. Ved å benytte kraften i kunstig intelligens for å utføre prosessering ved kilden, fører det til en mye mer effektiv arbeidsflyt og det muliggjøres for bedre informerte beslutninger.

Selv om påliteligheten til rombaserte prosessorer alltid har blitt prioritet fremfor ytelse, er det i dag nødvendig med begge deler. Tekniske innovasjoner, slik som de som er beskrevet ovenfor, tar med seg prosesseringsevnen til jordbaserte systemer til romapplikasjoner. Gjennom samarbeidet mellom Teledyne e2v, Klepsydra og Beyond Gravity muliggjøres utviklingen av en ny generasjon satellitter og romfartøy. Disse vil inneholde prosessorkraften som trengs for å kjøre komplekse KI-algoritmer. Det vil igjen ivareta de høyere autonominivåer som er nødvendig for å ta beslutninger om bildedataene, slik at operasjoner kan utføres mer effektivt og uten å legge for stor belastning på båndbreddekapasiteten eller strømreservene.