發布日期：2022-04-28 點擊率：75
【導讀】為了發掘宇航市場的潛力，衛星運營商正通過提供增值服務，如超高分辨率成像、流媒體視頻直播和星上人工智能，提升星上處理的能力以減少下行鏈路的需求。從2019年到2024年，高吞吐量載荷的市場需求預計增長12倍，帶寬增加至26500 Gbps。
上述的所有應用都和存儲器的容量和速度密切相關。實時存儲前向高吞吐量載荷基于支持GHz I/O速率的FPGA、存儲器、寬帶ADC和DAC。例如，一個12位1.5Gsps采樣率的ADC每秒產生18Gb的原始數據。一分鐘的壓縮SAR信息需要大約70Gb的存儲容量。這對現有的宇航級存儲器解決方案的I/O帶寬、訪問時間、功耗、物理尺寸和存儲容量提出了很大的挑戰。
一個數字高吞吐量載荷的典型架構如下圖所示。它需要使用一個宇航級FPGA或一個快速微處理器進行星上處理。最新的超深亞微米工藝的經過認證的FPGA一般包含大約30Mb的片上存儲器，而CPU會更少。基于這一架構的電信、地球觀測和科學載荷多使用Xilinx的XQRKU060、Microchip的RTPolarFire或NanoXplore的宇航級FPGA，需要額外的快速片外存儲器存儲這些應用產生的大量數據。
DRAM開創宇航新時代" height="133" width="651"/>
圖 1 : 數字高吞吐量載荷的架構
實時處理，結合大帶寬數據的快速壓縮和存儲，是下一代高吞吐量衛星服務所必需的。問題是如何找到一款合適的有足夠容量、速度和可靠性的宇航級大容量存儲器。
SDRAM是一種快速大容量的半導體技術，它由單元的邏輯陣列和基本的存儲元件組成，每個存儲元件都包括一個電容和一個FET組成的控制門電路。每個單元存儲一個比特，下圖是一個簡單的4比特存儲器。每一行的電壓控制晶體管的通斷，并對相關的電容充電或放電。在每個所需的“字線”充電之后，列選擇器選擇對應的電容，準備接下來的讀/寫操作。由于自放電效應，這些單元必須周期性刷新，包括讀和數據寫回的操作。
圖 2 : SDRAM位單元和SDRAM芯片的組織結構
SDRAM架構包含許多存儲單元，這些存儲單元組成行和列的二維陣列。要選擇某一個比特，需首先確定對應的行，然后確定對應的列。當對應的行開啟時，可以訪問多個列，從而提高連續讀/寫的速度并降低延遲。
為了增加字容量，存儲器使用多個陣列，這樣當需要進行一次讀/寫操作時，存儲器只需要尋址一次訪問每個陣列中的1個比特。
為了增加存儲器的整體容量，SDRAM的內部結果還包含多個bank，如上圖所示。這些bank互相交織，進一步提高了性能，并可以獨立尋址。
當需要執行讀或寫操作時，首先存儲器控制器發出ACTIVE命令，激活對應的行和bank。操作執行完畢后，PRECHARGE命令關閉一個或多個bank中的一個對應的行。除非之前的行被關閉，否則無法打開新的行。
SDRAM的操作通過如下的控制信號實現：片選(CS)、數據屏蔽(DQM)、寫使能(WE)、行地址選通(RAS)和列地址選通(CAS)。后面的三個信號決定發出哪個命令，如下表所示：
表 1 : SDRAM控制真值表
從1992年至今，SDRAM已發展了數代：最早的版本是單倍數據速率(SDR)型SDRAM，其內部時鐘頻率和I/O速率相同。SDR型SDRAM一個時鐘周期只能讀或寫一次，在開始下個操作之前必須等待當前操作完成。
雙倍數據率(DDR)型SDRAM通過在兩個時鐘邊沿傳送數據，在不提高時鐘頻率的情況下使I/O傳送的速度加倍，從而實現了更大的帶寬。這是采用一種2n預讀取的架構，其內部數據路徑是外部總線寬度的兩倍，允許內部頻率是外部傳送速度的一半。對于每個讀操作，可獲取2個外部字；而對于每個寫操作，兩個外部數據字在內部合并，并在一個周期內寫入。DDR1是一種真正的源同步設計，通過使用雙向數據選通在一個時鐘周期捕捉兩次數據。
DDR2型SDRAM的外部總線速度是DDR1的雙倍I/O傳送速度的兩倍。它使用4n預讀取的緩沖，內部的數據路徑是外部數據總線寬度的四倍。DDR2的時鐘頻率可設置成DDR1的一半，實現相同的傳送速度；或相同的速率，實現雙倍的信息帶寬。
DDR3型SDRAM的外部總線速度是DDR2雙倍I/O傳送速率的兩倍，使用8n預讀取架構。它的內部數據路徑的寬度是8比特，而DDR2是4比特。DDR3的時鐘頻率可設置成DDR2的一半，實現相同的傳輸速度；或相同的速率，實現雙倍的信息帶寬。
表2列出了當前衛星和航天器制造商可用的宇航級SDRAM的選項。
表 2 : 當前的宇航SDRAM選項
為了實現下一代高吞吐量衛星的服務，未來的載荷需要更快、更大容量、更小尺寸和更低功耗的星載存儲器。小衛星星座對尺寸和功耗有更嚴格的限制，而OEM廠商也需要更大的存儲帶寬實現實時應用。
Teledyne-e2v最近發布了第一款面向宇航應用的耐輻射DDR4 SDRAM。DDR4T04G72是一款72比特4GB(32Gb)的存儲器，目標I/O速度2400MT/s，有效帶寬153.6 Gbps（帶ECC）或172.8 Gbps(不帶ECC)。器件的封裝是緊湊的15x20x1.92mm的PBGA，包含391個焊球，間距0.8mm，如下圖所示。這款器件可提供-55℃到+125℃和-40℃到+105℃兩種溫度范圍，其有鉛的版本經過NASA Level 1和ESCC class 1的質量認證。將來也有計劃發布8GB(64Gb)的版本。
圖 3 : 耐輻射DDR4T04G72, 4 GB DDR4存儲器
對于防輻射性能，DDR4T04G72的SEL閾值超過60.8 MeV.cm2/mg，SEU和SEFI的閾值分別是8.19和2.6 MeV.cm2/mg，目標100 krad(Si)TID免疫。
4GB DDR4T04G72是一款包含5個裸片的MCM，其中4個是1 GB(8 Gb)的存儲容量，512 Mb x 16 bits結構，分為兩個組，每個組有4個bank。為了提高可靠性，器件采用了72比特的數據總線，包含64比特的數據和8比特的錯誤檢測與糾正。這個ECC功能是通過第五個裸片實現的。器件使用內部的8n預讀取緩沖，實現高速操作，提供可編程的讀寫操作和額外的延遲。
DDR4的供電電壓的典型值是1.2V。下表是DDR4T04G72的物理尺寸和功耗與市面上的宇航級SDRAM的對比。功耗在很大程度上與下面幾個因素相關：器件的架構、時鐘頻率、供電電壓、執行的操作、器件的狀態（如使能、預充電或讀/寫）、每個狀態的持續時間、是否使用bank交織和I/O電路的實現（如終端電路）。SDRAM在系統中的使用方式的不同，也會對功耗有很大的影響。對于系統設計，非常重要的一點是，您需要考慮存儲器如何被訪問、如何被特定的PDN驅動以及如何設計散熱方案。DDR4也支持2.5V的電壓Vpp，其為器件提供字線加速以提升效率。
表 3 : SDRAM的參數比較
您可以從Teledyne e2v獲取DDR4T04G72的IBIS、SPICE、熱模型和散熱估算表。若您想把這款器件配合Xilinx’s XQRKU060宇航級FPGA一起使用，Teledyne e2v可以提供使用Vivado? Design Suite生成DDR4控制器IP的配置文件供您參考。
您也可以選擇下圖這款小型單基板44x26mm的模塊，包含DDR4T04G72 DDR4 SDRAM和一款耐輻射四核64比特ARM? Cortex? A72 CPU，其工作頻率高達1.8 GHz。對于這款宇航級模塊，目前Teledyne e2v還未決定提供有鉛還是RoHS的封裝。
您更喜歡哪一款產品？請您把您的想法發郵件至thomas.porchez@teledyne.com。
圖 4 : 耐輻射QLS1046-4GB quad ARM core和DDR4T04G72 DDR4存儲器
DDR4將為宇航產業提供高吞吐量板上計算的方案，提高采集系統的性能，使諸如超高分辨率成像、流媒體視頻直播和星上人工智能等新一代地球觀測、宇航科學和電信應用變為可能。
DDR4T04G72使衛星和航天器的制造商第一次可以使用大存儲帶寬技術，而類似的技術在商業領域已經使用了6年了。與市場上的經過認證的DDR3 SDRAM相比，DDR4T04G72可與最新的宇航級FPGA和微處理器配合使用，實現：
● 存儲器帶寬增加62%，傳輸速度加倍
● 存儲容量增加25%
● 物理尺寸縮小76%
本文的作者是Spaceships公司的CEO和創始人Rajan Bedi博士。
推薦閱讀：
GaN晶體管熱管理指南
瑞薩攜手亞創采用低速率脈沖超寬帶芯片共同開發全新社交距離手環
實現硅光子的美好前景
貿澤與音頻芯片創新業者ESS Technology簽署全球分銷協議
共建5G發展，貿澤電子技術創新周收官站5G專題火熱開播
要采購晶體么，點這里了解一下價格!
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 工程師們利用行業中最
