1. FPGAs para aplicaciones espaciales Centro de Desarrollo Aeroespacial IPN 10 Marzo 2014 Dr. Miguel Arias Estrada ariasmo@inaoep.mx Laboratorio de Cmputo Reconfigurable y de Alto Desempeo

2. Contenido 1. Satlites pequeos 2. Tecnologa FPGA y Cmputo Reconfigurable 3. Investigacin con FPGAs 4. FPGAs para aplicaciones espaciales 5. Plataforma FPGA propuesta 6. Ecosistema: SUA, globos, satlites 7. Red mexicana de FPGAs para el espacio 3. 1. Satlites Pequeos Micro-satlites 10-100 kgs Nano- satlites: 1-10 kgs Pico-satlites 100 grs 1 Kgs Femto-satlites 100 gramos o menos 4. Satellite Market is Growing Ac Nu sa inc 50 By 2010: 5. Europlan UK Ltd 3 es ers 010) nius, Nov. 16th-18th, 2011 6. Estndar CubeSat Propuesto por Dr. R. Twiggs (Stanford, 1999) 10 x 10 x 10 cm 7. Ventajas de Nanosatlites Tamao y peso reducido Costo bajo y uso de componentes comerciales Bajo costo de lanzamiento Tecnologa accesible sin grandes inversiones Educacin, experimentos, misiones reales 8. Satellite on a Chip 9. 2. Tecnologa FPGA FPGA Field Programable Gate Array Circuito integrado digital donde los recursos (funciones digitales bsicas) pueden ser configuradas e interconectadas mediante un archivo de configuracin Cmputo Reconfigurable = Posibilidad de modificar el hardware mediante programacin 10. FPGA = Field Programmable Gate Array Arreglo de bloques digitales bsicos con interconexiones programables Configuracin de alto nivel basado en lenguajes de descripcin de hardware (HDL) FPGA Slice IOB 11. FPGA vs DSP Los FPGAs son de 10 a 1000 veces mas rpidos que un DSP 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G Less Complex More ComplexAlgorithm Complexity D a t a R a t e S a m p l e s p e r s e c o n d MPU/MCU Single-Chip DSP FPGA-Based DSP ASIC Multiple DSP Cores or Chips 12. Diseo con FPGAs Los FPGAs se usan para diseo digital de sistemas complejos y sistemas empotrados (embedded systems) Siguiendo tcnicas tradicionales no es eficiente Diseador tradicional requiere 50 aos para ocupar toda la capacidad de un FPGA de 1 milln de compuertas Se usan metodologas similares al diseo software Uso de lenguajes de descripcin de hardware Encapsulacin y reuso de mdulos 13. HDL: VHDL, Verilog, Handel-C Similar a diseo software (pero pensando en limitaciones de hardware) Cmputo Reconfigurable: adaptar la arquitectura al algoritmo y no el algoritmo a la arquitectura 14. 3. Investigacin con FPGA Oportunidades interesantes - Combinar ventajas de FPGAs con algn rea que se beneficie - Integracin de un solo chip de sistemas complejos - Posibilidad de crear arquitecturas a la medida: aceleracin de algoritmos 15. Laboratorio de Cmputo Reconfigurable INAOE El laboratorio es parte del departamento de Ciencias Computacionales 4 investigadores 10 estudiantes de Maestria 5 estudiantes de Doctorado Desde 1998 Investigacin y desarrollo en: Visin por computadora en tiempo real Criptografa y codificacin Procesamiento Hardware de Seal 16. Investigacin con FPGA 1. Arquitecturas FPGA 2. Visin por computadora Acelerar algoritmos usando FPGAs Resolver cosas que otros no hacen Tener ventaja competitiva internacional 17. Metodologa INAOE Desarrollo usando tarjetas FPGA comerciales La arquitectura final se puede migrar a un sistema dedicado Meta: lograr procesamiento de video en tiempo real (30 fps, 640x480 pixeles) 18. Target processor FPGA implementation REGISDTRO (HEADER) VENTANA PATRN VENTANADE BSQUEDA PROCESADOR DE CORRELACIN Arquitectura de seguimiento de blancos 19. Cmara FPGA 20. Otros productos con FPGA Cmara USB 3.0 5 Megapixeles FPGA para control de sensor de imgen Procesamiento en FPGA 21. Demostracin RC200 22. Embedded computing with FPGA 23. Control de un robot movil con FPGA 24. Mexbox - Plataforma FPGA 25. ReConFig 2014 International Conference on Reconfigurable Logic 8-10 Diciembre 2014 Cancn, Mxico www.reconfig.org 26. 4. FPGAs para aplicaciones espaciales 1. Integracin en un solo chip de sistemas complejos 2. Aceleracin de algoritmos de 10 a 100 veces con respecto a una computadora PC 3. Reduccin de tamao, peso, consumo de potencia -> sistemas mviles 4. Proteccin de IP (FPGA es muy dificil de copiar) 27. Ventaja FPGAs SoC (System on a Chip) Reconfigurabilidad digital Programacin accesible RTOS / Linux Pequeo y ligero Costo accesible Caractersticas requeridas para espacio 28. FPGAs Sinergias para tener una plataforma muy compacta y completa Espacio y peso muy reducido Potencia de cmputo y flexibilidad para interfazarse a todo tipo de sensores y actuadores 29. 5. Plataforma FPGA para aplicaciones espaciales 1. Integracin en un solo chip de sistemas complejos 2. Aceleracin de algoritmos de 10 a 100 veces con respecto a una computadora PC 3. Reduccin de tamao, peso, consumo de potencia 4. Programabilidad y reconfigurabilidad: SOFTWARE DEFINED SATELLITE 30. Propuesta Uso de SoC (System on a Chip) FPGA + ARM processor Xilinx Zynq7000 + electrnica de soporte Reconfigurabilidad + I/O flexible 31. Software 32. Plataforma FPGA MicroZed Board USB 2.0 Gbit Ethernet 1 Gbyte SRAM DDR3 128 Mb Flash Micro SD card 100 I/O Embedded Linux 33. Plataforma FPGA :: MicroZed Xilinx XC7Z010 USB 2.0 Gbit Ethernet 1 Gbyte SRAM DDR3 128 Mb Flash Micro SD card 100 I/O Embedded Linux 34. Plataforma FPGA avanzada 5x4 cm Xilinx Zynq industrial ARM dual-core Cortex-A9 MPCore @ up to 866 MHz USB 2 / Gbit Ethernet 1 GByte DDR3 SRAM 150 I/O 3 Axis accelerometer / 3 axis magnetometer www.trenz-electronic.de 35. 6. Ecosistema Crear un ecosistema nacional de instituciones trabajando con FPGAs Lograr masa crtica para intercambio de ideas, personas y mdulos reutilizables Red de investigacin de FPGAs para aplicaciones espaciales 36. Aplicaciones Estabilizacin y apuntado (Control del satlite) Procesamiento de imagen y sensores (Observacin terrestre o estelar) Telemetra y telecomunicaciones (Comunicacin con tierra) Computadora de a bordo (OBC) 37. Validacin de plataforma FPGA Vehculos autopilotados UAV Globo aerosttico Satlite 38. 7. Red Mexicana de FPGAs para aplicaciones espaciales Red coordinada por: INAOE (Ciencias Computacionales) Dr. Miguel Arias CDA (C de Fomento al desarrollo de la Industria-Empresa Nacional) Dr. Mario Mendoza 39. 7. Red Mexicana de FPGAs para aplicaciones espaciales Lanzamiento: 7 Abril Reuniones webmeeting 1 vez / mes 1.30 horas Formato: presentacin, novedades, 1 a 2 charlas invitadas Invitacin directa fpgaespacial.wordpress.com 40. Algunas actividades Uso de FPGA Zynq7000 / Linux + FPGA Star-tracker Estabilizacin y apuntado Workshop de 1 a 2 das en verano 2014 Reunin anual presencial en ReConFig 41. Startracker (INAOE) Cmara + FPGA Seguimiento de estrella de inters Mejora estabilidad de apuntado de satelite Aplicaciones en Astrofsica 42. Plataforma de estabilizacin y apuntado (CDA) Control y estabilizado con FPGA Simulacin de apuntado a estrella / objetivo Medicin de estabilidad Simulacin fsica de posicionamiento de satlite 43. Telescopio espacial PHASES Dr. Carlos del Burgo Proyecto INAOE Espectrofotometra estelar Bsqueda de exo- planetas tipo tierra Minisatlite 50x50x50 cm 60 Kgs Auxiliary Star Sensor Star Sensor Spectrograph 44. Arquitectura telescopio PHASES Instrument On-board Computer FPGA Spectrograph Telescope / Main Star Sensor Auxiliary Star Sensor Sun Sensor Actuator Linear CCD Thermal Stablz CMOSThermal Stablz CMOS Thermal Stablz DC-DC Convertion 5V 12V Satellite Power Source Satellite Main Computer 45. Informes: Miguel Arias Ciencias Computacionales ariasmo@inaoep.mx Laboratorio de Cmputo Reconfigurable y de Alto Desempeo