為了發(fā)掘宇航市場的潛力,，衛(wèi)星運營商正通過提供增值服務(wù),，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(yù)計增長12倍，帶寬增加至26500 Gbps,。

上述的所有應(yīng)用都和存儲器的容量和速度密切相關(guān),。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(chǎn)生18Gb的原始數(shù)據(jù),。一分鐘的壓縮SAR信息需要大約70Gb的存儲容量,。這對現(xiàn)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(zhàn)。

一個數(shù)字高吞吐量載荷的典型架構(gòu)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(jìn)行星上處理,。最新的超深亞微米工藝的經(jīng)過認(rèn)證的FPGA一般包含大約30Mb的片上存儲器，而CPU會更少,?；谶@一架構(gòu)的電信、地球觀測和科學(xué)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(yīng)用產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。

圖 1 : 數(shù)字高吞吐量載荷的架構(gòu)

實時處理,，結(jié)合大帶寬數(shù)據(jù)的快速壓縮和存儲,，是下一代高吞吐量衛(wèi)星服務(wù)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(dǎo)體技術(shù)，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(guān)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(yīng)的電容,，準(zhǔn)備接下來的讀/寫操作,。由于自放電效應(yīng)，這些單元必須周期性刷新,，包括讀和數(shù)據(jù)寫回的操作,。

圖 2 : SDRAM位單元和SDRAM芯片的組織結(jié)構(gòu)

SDRAM架構(gòu)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(yīng)的行，然后確定對應(yīng)的列,。當(dāng)對應(yīng)的行開啟時,，可以訪問多個列，從而提高連續(xù)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(dāng)需要進(jìn)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(nèi)部結(jié)果還包含多個bank,，如上圖所示,。這些bank互相交織，進(jìn)一步提高了性能,，并可以獨立尋址,。

當(dāng)需要執(zhí)行讀或?qū)懖僮鲿r，首先存儲器控制器發(fā)出ACTIVE命令,，激活對應(yīng)的行和bank。操作執(zhí)行完畢后,，PRECHARGE命令關(guān)閉一個或多個bank中的一個對應(yīng)的行,。除非之前的行被關(guān)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(xiàn)：片選(CS),、數(shù)據(jù)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(fā)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(fā)展了數(shù)代：最早的版本是單倍數(shù)據(jù)速率(SDR)型SDRAM,，其內(nèi)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?qū)懸淮危陂_始下個操作之前必須等待當(dāng)前操作完成,。

雙倍數(shù)據(jù)率(DDR)型SDRAM通過在兩個時鐘邊沿傳送數(shù)據(jù),，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(xiàn)了更大的帶寬,。這是采用一種2n預(yù)讀取的架構(gòu),，其內(nèi)部數(shù)據(jù)路徑是外部總線寬度的兩倍,，允許內(nèi)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(shù)據(jù)字在內(nèi)部合并,，并在一個周期內(nèi)寫入。DDR1是一種真正的源同步設(shè)計,，通過使用雙向數(shù)據(jù)選通在一個時鐘周期捕捉兩次數(shù)據(jù),。

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(yù)讀取的緩沖,，內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑是外部數(shù)據(jù)總線寬度的四倍,。DDR2的時鐘頻率可設(shè)置成DDR1的一半，實現(xiàn)相同的傳送速度,；或相同的速率,，實現(xiàn)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(yù)讀取架構(gòu),。它的內(nèi)部數(shù)據(jù)路徑的寬度是8比特，而DDR2是4比特,。DDR3的時鐘頻率可設(shè)置成DDR2的一半,，實現(xiàn)相同的傳輸速度；或相同的速率,，實現(xiàn)雙倍的信息帶寬,。

表2列出了當(dāng)前衛(wèi)星和航天器制造商可用的宇航級SDRAM的選項。

表 2 : 當(dāng)前的宇航SDRAM選項

為了實現(xiàn)下一代高吞吐量衛(wèi)星的服務(wù),，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(wèi)星星座對尺寸和功耗有更嚴(yán)格的限制,，而OEM廠商也需要更大的存儲帶寬實現(xiàn)實時應(yīng)用。

Teledyne-e2v最近發(fā)布了第一款面向宇航應(yīng)用的耐輻射DDR4 SDRAM,。DDR4T04G72是一款72比特4GB(32Gb)的存儲器,，目標(biāo)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(jīng)過NASA Level 1和ESCC class 1的質(zhì)量認(rèn)證。將來也有計劃發(fā)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(biāo)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(jié)構(gòu),，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(shù)據(jù)總線，包含64比特的數(shù)據(jù)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(xiàn)的,。器件使用內(nèi)部的8n預(yù)讀取緩沖，實現(xiàn)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(guān)：器件的架構(gòu),、時鐘頻率、供電電壓,、執(zhí)行的操作,、器件的狀態(tài)（如使能、預(yù)充電或讀/寫）,、每個狀態(tài)的持續(xù)時間、是否使用bank交織和I/O電路的實現(xiàn)（如終端電路）,。SDRAM在系統(tǒng)中的使用方式的不同,，也會對功耗有很大的影響。對于系統(tǒng)設(shè)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(qū)動以及如何設(shè)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(shù)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(dá)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。

圖 4 : 耐輻射QLS1046-4GB quad ARM core和DDR4T04G72 DDR4存儲器

DDR4將為宇航產(chǎn)業(yè)提供高吞吐量板上計算的方案,，提高采集系統(tǒng)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(xué)和電信應(yīng)用變?yōu)榭赡堋?/p>

DDR4T04G72使衛(wèi)星和航天器的制造商第一次可以使用大存儲帶寬技術(shù),，而類似的技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)使用了6年了。與市場上的經(jīng)過認(rèn)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(xiàn)：

· 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%