NASA造出太空最強芯片：性能提升500倍，有望為火星任務(wù)提供支持

當(dāng)大模型已經(jīng)能寫代碼、生成視頻，讓人意想不到的是，在條件極為苛刻的太空環(huán)境中，美國航空航天局（NASA）的深空探測器搭載的仍然是二三十年前的處理器。

隨著 NASA 深空任務(wù)復(fù)雜度不斷提升，航天器對機載計算能力、自主性與可靠性的要求也越來越高，航天計算系統(tǒng)的升級成為亟待解決的問題。

直到最近，NASA 新一代太空計算芯片的關(guān)鍵測試打破了這一局面，依托該芯片，研究人員成功發(fā)出第一封題為“Hello Universe”（你好，宇宙）的電子郵件。

這款抗輻射加固處理器兼具容錯性和靈活性的優(yōu)勢，特別值得關(guān)注的是，初期測試結(jié)果顯示，其部分性能指標相比現(xiàn)役航天抗輻射芯片提升約 500 倍，通過模擬太空環(huán)境測試，顯著提升了航天器自主運行能力。

它有望支持機載 AI 實時應(yīng)對突發(fā)情況，通過更快的數(shù)據(jù)分析與處理加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)。更長遠地來看，還可能為宇航員的登月和火星任務(wù)提供支持。

（來源：NASA）

與地球環(huán)境相比，芯片在太空環(huán)境面臨更嚴苛的挑戰(zhàn)，例如，電磁輻射和極端溫度波動會對電子元件造成長期損害，而來自太陽和星際空間的高能粒子是導(dǎo)致計算故障的原因之一。

由于與地球通信存在時間延遲，地球軌道以外的任務(wù)對星載計算資源提出了更高的要求，這種通信延遲使許多太空活動需要自主且實時地在星載設(shè)備上運行。

為了實現(xiàn)這些自主能力，航天器需要在太空環(huán)境下運行大量復(fù)雜計算任務(wù)，包括高級自主性、AI 和機器學(xué)習(xí)、圖像和信號處理、數(shù)據(jù)流管理以及目標檢測和分類。

是否具備自主性對計算能力來說尤為重要，例如決定火星車穿越地形的速度，或獨立分析圖像。例如，“毅力號”火星車結(jié)合軌道器繪制的火星地形圖與自身視覺系統(tǒng)具備了類似的能力，通過對周圍環(huán)境進行實時分析，來輔助自主導(dǎo)航和路徑規(guī)劃。

為大幅提升航天計算系統(tǒng)的能力，2021 年，NASA 啟動了“變革性發(fā)展計劃”（GCD，Game Changing Development program），并立項研發(fā)高性能航天計算（HPSC，High-Performance Spaceflight Computing）項目。該項目的合作伙伴還包括加州理工學(xué)院噴氣推進實驗室（JPL）與美國 Microchip 公司。

HPSC 項目的核心是一款現(xiàn)代多核 64 位片上系統(tǒng)（SoC）微處理器，兼具容錯性、原生抗輻射加固特性，并支持高速緩存。它還內(nèi)置了 240Gbps 的時間敏感以太網(wǎng)交換能力，可支持高速數(shù)據(jù)傳輸與實時任務(wù)調(diào)度。

據(jù)公開資料，它不僅融合了 SoC 設(shè)計技術(shù)、容錯與故障恢復(fù)機制，同時還采用功耗感知型原生抗輻射加固設(shè)計，初期的目標是“每瓦算力較 NASA 現(xiàn)役航天級計算機提升 100 倍以上”。

盡管 SoC 處理器體積小，但包含了計算機的所有關(guān)鍵組件，例如中央處理器、計算卸載單元、高級網(wǎng)絡(luò)單元、內(nèi)存和輸入/輸出接口。其可將計算和網(wǎng)絡(luò)功能集成于同一芯片中，從而降低成本和復(fù)雜性，并提高能效。更重要的是，它采用的是可擴展架構(gòu)，優(yōu)勢在于操作人員能夠在需要節(jié)約能源時關(guān)閉不必要的功能。

圖丨新一代太空計算芯片架構(gòu)（來源：NASA）

常規(guī)的 SoC 一般在智能手機以及平板電腦中應(yīng)用，如果出現(xiàn)故障可去維修店或者寄回廠家。但深空的環(huán)境不同，一旦這款 SoC 遇到問題，在距離地球數(shù)百萬（甚至數(shù)十億）英里的極端環(huán)境下，只能“靠自己”且需要連續(xù)穩(wěn)定運行數(shù)年時間。

這項技術(shù)的優(yōu)勢在于，航天器能夠利用 AI 自主實時應(yīng)對復(fù)雜情況和環(huán)境，而非依賴人類干預(yù)，這對于深空任務(wù)分析、存儲海量數(shù)據(jù)并將其傳輸回地球尤為重要。

據(jù) NASA 消息，這款芯片已于 2025 年中期完成流片，同年晚些時候，代工廠成功制造了首批處理器。

（來源：NASA）

今年 2 月以來，JPL 已啟動持續(xù)數(shù)月芯片測試，包括輻射測試、熱測試和沖擊測試，同時通過嚴格的功能測試實驗對它們的性能進行評估。在行星天體著陸場景下，往往需要高功耗硬件處理海量的著陸傳感器數(shù)據(jù)。為最大程度模擬真實任務(wù)環(huán)境下的運行狀態(tài)，研究人員使用基于 NASA 真實任務(wù)的高保真著陸場景。

結(jié)果顯示，這款處理器不僅能夠正常運行，各項指標的性能更是達到目前使用的抗輻射芯片的 500 倍。此外，該項目還取得了一項里程碑進程，標志著初步拿到了“太空認證”的通行證：這款處理器成功發(fā)出第一封題為“Hello Universe”的電子郵件，這也是對早期計算機開發(fā)中流行的測試郵件“Hello World”的致敬。

（來源：NASA）

據(jù) NASA 預(yù)計，這款處理器將推出兩個版本：一個版本是抗輻射加固型，適用于地球同步軌道、深空及長周期探測任務(wù)；另一個版本則是耐輻射型，面向近地軌道衛(wèi)星。

未來，當(dāng)這款芯片獲得航天飛行認證后，NASA 計劃將它集成到地球軌道飛行器、火星探測車、載人飛船和深空任務(wù)的計算硬件中。

這款高性能航天計算處理器由美國 Microchip 公司制造，目前，該公司已向美國國防和商業(yè)航天領(lǐng)域的早期合作伙伴提供了樣品。得益于這款芯片的多功能性，它不僅可用于支持 NASA 在太空領(lǐng)域的探索，同時也可能為成為地球上眾多領(lǐng)域的變革性工具。

根據(jù) Microchip 公司計劃，該技術(shù)將應(yīng)用于航空和汽車制造等領(lǐng)域。其潛在應(yīng)用還包括工業(yè)自動化、邊緣計算、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、人工智能，甚至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（用于連接各種通信技術(shù)）。

這款芯片帶給我們的并不是單點的技術(shù)進步，更是提供了一種更廣闊的可能性：未來的探測器可能不再是被動等待地球指令的機器，而成為可自主判斷、自主分析甚至自主決策的太空智能體。

參考資料：

https://www.jpl.nasa.gov/news/hello-universe-nasas-next-gen-space-processor-undergoes-testing/

https://www.nasa.gov/game-changing-development-projects/high-performance-spaceflight-computing-hpsc/

https://www.nasa.gov/news-release/nasa-awards-next-generation-spaceflight-computing-processor-contract/

排版：劉雅坤

注：封面/首圖由 AI 輔助生成