Исследователи из Мичиганского университета разработали две архитектуры микросхем на основе статической оперативной памяти (SRAM) для будущих космических телескопов, которым требуется обработка больших объемов данных в реальном времени. Наиболее эффективная конструкция позволяет снизить энергопотребление с 3000 Вт (типичный показатель для GPU-систем) до 51 Вт, что в 59 раз меньше.
Снижение энергопотребления критически важно для космических аппаратов: это позволяет уменьшить размеры солнечных панелей, батарей и систем охлаждения, что в итоге сокращает общую массу спутника. По оценкам исследователей, масса аппарата может снизиться с примерно 1100 кг до 193 кг. Используя стандартные аэрокосмические расчеты, команда оценивает экономию на 25-летней миссии примерно в 430 миллионов долларов.
Разработка велась в контексте предлагаемой NASA обсерватории Habitable Worlds Observatory — космического телескопа, предназначенного для поиска признаков жизни на планетах за пределами Солнечной системы. Такой телескоп должен постоянно корректировать оптические искажения, чтобы блокировать свет звезд и видеть гораздо более тусклые планеты рядом с ними.
Проблема заключается не в недостатке вычислительной мощности как таковой. Перемещение данных между памятью и процессорами может потреблять больше энергии, чем сами вычисления. Как отметил доцент Мичиганского университета Натаниэль Блейер: «Ключевая идея нашего исследования в том, что будущим космическим миссиям нужна не просто большая вычислительная мощность, а правильный тип вычислительной мощности. Для этих задач узким местом является перемещение данных, а не выполнение расчетов».
Исследователи разработали две архитектуры. Одна использует 27 высокопроизводительных чипов памяти (каждый из 16 стеков DRAM), соединенных с пользовательским процессором. Вторая разделяет обработку и данные между 56 пользовательскими чиплетами, каждый из которых содержит около 2 ГБ распределенной SRAM. Вместо многократной пересылки данных к процессору архитектура размещает память и вычислительные ресурсы ближе друг к другу.
Используя математическую технику снижения точности некоторых данных, исследователи довели энергопотребление до 51 Вт без ущерба для способности системы обнаруживать опасные вычислительные ошибки. Они также провели 10 тысяч симуляций, чтобы проверить устойчивость конструкций к радиационным сбоям, вызываемым космическим излучением.
Команда планирует изготовить SRAM-чиплеты и протестировать их в лабораторных условиях, переходя от моделирования к физическому аппаратному обеспечению. Как отметил докторант Барри Лю: «Мы хотим, чтобы вычисления расширяли возможности космической науки, а не устанавливали ограничения. Проектируя аппаратное обеспечение под конкретные задачи, мы можем сделать реальную обработку данных, необходимую для будущих миссий, практичной».
Читать еще по теме: Новый чип Montage обеспечивает работу с памятью DDR5 на скорости 8 миллиардов транзакций в секунду