RISC-V のオープン命令セットは、ここ数年、地球上だけでなく世界中で大きな注目を集めています。スイスの ETH チューリッヒのチームは、このアーキテクチャに基づいて、キューブサット用の低消費電力でフォールトトレラントなマイクロコントローラを開発したと発表しました。
「宇宙のような過酷な環境でマイクロコントローラーを操作する際の大きな課題の1つは、放射線によって引き起こされるシングルイベントアップセット（SEU）による計算エラーだ」と研究チームは今週発表した論文に記している。
従来、この問題は、古いプロセスノードで開発された耐放射線チップを使用することで解決されてきました。その好例が、老朽化したPowerPCベースのBAE RAD750です。2001年に導入されたこのチップは250nmプロセスノードで製造され、20年経った今でも使用され、数え切れないほどのミッションに搭載され、キュリオシティとパーサヴィアランス探査車、そしてジェームズ・ウェブ宇宙望遠鏡にも電力を供給しています。
このチップは、放射線耐性のレベルに応じて200キロラドから1ミリラドまでの総線量に耐えることができますが、電力効率は必ずしも最高ではありません。ETHチューリッヒの研究者によると、定格電力は5ワットです。
「多くの小型衛星やキューブサットが設計・打ち上げられている。しかし、これらは宇宙用として一般的な信頼性の高いSoCに必要な大規模な電力を賄うことができず、システム全体で利用できる電力はわずか数ワットしかない」と研究者らは記している。
チームのRISC-VベースのTrikarenosチップは、TSMCの28nmプロセス技術に基づくフォールトトレラント設計でこの問題に対処することを目指しており、チームによれば、この技術は「放射線の破壊的な影響に対する耐性を示し」、以前の設計と同様に効率的だという。
ETHチューリッヒのTrikarenosは、宇宙空間の高速粒子によって引き起こされるエラーを修正するために、トリプルコア設計を採用しています。 - クリックして拡大
チップ自体は並列型超低消費電力PULPissmo設計に基づいており、最大270MHzで動作するRISC-VベースのIbexコアを3つ搭載しています。これらのコアには、256KBのメモリを搭載した8つのSRAMバンクが供給されています。
シングルイベントアップセットのリスクを最小限に抑えるために、このチップには、統合冗長性、エラー訂正メモリ、スクラバーなどのいくつかのアーキテクチャルーチンも搭載されています。
トリプルコアプロセッサは少し奇妙に思えるかもしれませんが、フォールトトレランスという点では実用的です。デフォルトでは、チップはトリプルコア・ロックステップモードと呼ばれるモードで動作し、3つのコアすべてで同時に演算が実行されます。SEUによって1つのコアの出力が破損した場合、投票が行われ、出力が修正されます。まるで論理的な「マイノリティ・レポート」を想像してみてください。
「3つのIbexコアを互いに、そして残りのロジックから物理的に分離し、各コアの周囲にロジックとの20マイクロメートルの隙間を確保するよう特別な配慮が払われた」と研究者らは論文で述べている。
これは、設計者が単一の粒子の衝突が 2 つの別々のコアの同様の要素に影響を与えないようにする必要があったため、重要でした。
トリプルコア設計はフォールトトレランスとエラー処理の点で確かに優位性があるものの、パフォーマンスは犠牲になります。しかし、研究者らは、3つのコアすべてが同じ演算処理を実行した場合でも、Trikarenosはわずか15.7ミリワットの消費電力で、名機RAD750と同等のパフォーマンスを実現できると主張しています。
また、信頼性が最も重要でないシナリオでは、コアを並列に動作させることができ、各コアが互いに独立して数値を計算できるため、チップのパフォーマンスが実質的に 3 倍になります。
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RISC-Vを軌道上とその先へ
ETHチューリッヒは、宇宙飛行用のRISC-Vベースの部品を提案した最初の大学ではありません。昨年、SiFiveのRISC-V互換CPUコアがNASAの高性能宇宙飛行コンピュータ（HPSC）に搭載されることが発表されました。
このコンピュータシステムは、SiFive社およびMicrochip社との共同開発で、3年間5,000万ドルの契約に基づいて開発されています。完成すれば、この部品は宇宙機関による将来の有人・無人ミッションの基盤となることが期待されています。
しかし、Trikarenosと比較すると、HPSCはかなり強力になります。SiFiveによると、このチップは、置き換え先のRAD750と比較して100倍のパフォーマンス向上を実現します。RAD750は12コアを搭載し、そのうち8コアはSiFiveのX280ベクタープロセッサ設計に基づいており、残りの4コアは汎用コアです。®
