随着物体离开地球大气层，辐射水平对有机和无机材料的破坏性越来越大。后者包括易受伽马射线、X射线和其他高能粒子影响的电子设备，这些粒子可能导致内存中的单粒子翻转（SEUs，也称为bitflips位翻转）、模拟电路中的电压尖峰，以及其他可能导致程序或整个系统崩溃的故障。
在过去几十年里，人们对空间辐射及其影响进行了广泛的研究。这些努力引发了抗辐射（rad-hard）电子设备的设计和制造，这些电子设备使用特殊材料、奇异的屏蔽技术，并经过详尽的测试，可以在可部署的时间内承受地球大气层以外的电离力。今天，由欧洲航天局（ESA）、科巴姆先进电子解决方案公司（CAES）、天空实验室和斯洛文尼亚马里博尔大学合作的TRISAT-R纳米卫星延续了这一传统（图1），也体现了基于开源RISC-V处理器技术的优势。
图1. TRISAT-R是一颗研究用纳米卫星，用以测量地球轨道上电离辐射对商业电子设备的影响。（来源：SkyLabs）
RISC-V是世界上最好的
TRISAT-R CubeSat是由马里博尔大学领导的一项科学和教育任务，旨在绘制地球轨道（MEO）的电离辐射图，这是一个环绕地球的6000公里高的波段，其中有各种定位卫星、失效的无线电和未来的通信卫星。这颗3U，10x10x30厘米的卫星大约有一个鞋盒大小，是通过斯洛文尼亚空间技术公司SkyLabs的NANOhpm-obc机载计算机建造的。
NANOhpm-obc设计为95x91x11mm PC/104兼容外形，围绕Cobham Gaisler的容错32位NOEL-V RISC-V处理器IP内核构建，与Microchip公司的PolarFire FPGA的单精度浮点单元一起实施。板载计算机在EDAC保护的1GB冗余配置中集成了2gb ECC保护的DDR3内存和2gb NVM闪存，用于遥测数据、日志等。
在硬件顶部，SkyLabs对NANOsky CMM固件框架进行了分层，为特定任务应用和软件功能提供基础保障。当NANOhpm-obc上的NOEL-V处理器在今年夏天由欧空局的Vega-C火箭发射进入轨道时，这标志着容错RISC-V处理器技术首次在太空中部署。
TRISAT-R还配备了来自SkyLabs、CERN、欧洲核研究委员会和欧洲航天局（ESA）的辐射探测仪器，用于测量高能粒子的总电离剂量以及单次电离事件对电子设备的影响。使用AI模型在纳米卫星上对这些粒子进行局部分析，然后应用辐射缓解技术，该技术有望延长空间约束COTS电子设备的寿命。该纳米卫星各子系统之间的通信通过冗余差分CAN总线进行，用于遥测和遥控（TMTC）数据，以及通过LVDS的高速传输。
NANOhpm-obc卫星的100 MIPS用于对来自开放式GNSS接收机的信号进行闪烁分析，并管理软件定义无线电（SDR）和1.5W VHF/UHF发射机，这些发射机再将辐射效应数据中继到地面控制站。
辐射加固就是RISC-V业务
“我们正在撞击相当多的高能粒子，这里的解决方案是设计能够在这种辐射下工作的太阳能电池板，”TRISAT项目负责人、马里博尔大学电气工程和计算机科学（FERI）系成员Iztok Kramberger博士说。“我们通过在覆盖玻璃中添加浆液来增加太阳能电池板覆盖玻璃的厚度，并添加特定的导电透明材料来防止静电放电。”
具有讽刺意味的是，TRISAT-R在测量辐射的同时，也受到了辐射的破坏。在MEO，地球磁场比仅仅几千公里以下的低地球轨道（LEO）弱6倍。这也就是寒冷的-19至-26摄氏度。由于没有服务电话来更换太空中有缺陷的立方体卫星组件，TRISAT-R的机载电子设备必须自己存活足够长的时间，直到该计划完成。
航空航天工业历史上一直满足这种要求，rad-hard电子产品被证明多年来每次都能正常工作。这导致了大量的技术重复使用——这是可以理解的，因为像BAE Systems公司基于PowerPC的RAD750这样的单芯片控制着Perseverance Rover，每台成本高达数十万美元。
但随着用例的发展，平台要求也在不断提高，对更高保真传感器、更灵敏仪器和日益复杂算法的需求已经超过了RAD750等32位、200MHz处理器的能力。但同样重要的是，如果不对以可靠性为中心的航空航天工业更重要的话，对像PowerPC和SPARC这样具有长期航天遗产的RISC体系结构的软件支持将从此迅速消失。
“20多年来，我们一直非常成功地利用SPARC。欧洲航天局的VLSI和ASIC工程师Roland Weigand说:“LEON 1和2处理器的开发始于欧洲航天局。“现在SPARC当然是一个非常老的，几乎过时的标准。我们仍在使用基于SPARC的产品，但我们意识到，从长远来看，软件支持、维护、编译器的改进将会停止或已经停止。
“自从最后的商业用户，富士通和甲骨文，停止支持SPARC已经有几年了，”他补充道。这些并不是传统技术走向灭亡的唯一标志。例如，像SPARC处理器中内置的延迟槽这样的功能，可以抵消分支延迟，并允许一条指令在第二条指令进入流水线之前完成，现在更多的是编程麻烦而不是好处。类似地，注册窗口有助于“在软件中深度调用堆栈是一个过时的特性，”Weigand解释道。
相比之下，Gaisler总经理Sandi Habinc认为RISC-V提供了“一个更简单的体系结构”和每周期更多的计算能力”。RISC-V的架构优化意味着NOEL-V软核等处理器可以以更高的频率运行，这在太空等恶劣环境中至关重要，因为即使您使用7nm等先进的工艺节点，处理器内核周围也需要如此多的辐射加固，以至于它最终“比商业世界中的任何产品都慢10倍”。
“对我们来说，我们能带来的每一MHz都很重要，”Habinc解释道。“因此，它的简单性绝对是一个巨大的优势。另一个当然是隐式内置的16位支持，以及我们现在可以使用MCU并仍然使用相同工具的事实。”
“我们对LEON控制器做了什么？我们必须发明自己的压缩技术，减少指令集，这并不是一个明智的做法。如果你是ARM，有10，000名工程师，这很好，但对我们来说，经历这一切简直是一次痛苦练习，”Habinc继续说道。“在SPARC，我们从未超过32位，因为那会改变整个软件环境，而且太费力，因为我们需要维护相当多的软件。有了RISC-V，我们甚至可以缩小我们目前拥有的内核，减少流水线级的数量，真正做一个非常薄的单级、双级微控制器，我们可以在任何地方安装，”Gaisler GM继续说道（图2）。“使用RISC-V，我们可以实现32位MCU，我们实现了64位版本。为什么不呢？它让我们可以选择不同的太空用途。”
图2。Gaisler开发了NOEL-V RISC-V处理器IP的多种迭代，采用32位或64位风格，具有支持各种RISC-V指令集扩展的双或单流水线。（资料来源：CAES）
为了方便航空航天工程组织的过渡，Habinc和他的团队正在研究一种集成了SPARC和RISC-V内核的多核处理器。这些芯片基本上都有一个pin码告诉你想启动SPARC或RISC-V，这是一个巨大的优势。
太空互联网
Gaisler已经开发了NOEL-V处理器的不同变体，其中包括矢量处理等扩展，这将进一步加速太空中的工作负载。对于像Kramberger这样的研究人员来说，航天器上处理能力的增加减少了管理开销，并为研究终极前沿科技创造了新机会。
“一个优势是航天器可以更加自主，这意味着你不必管理600或700颗卫星。不能让人这么做，这些事情必须或多或少是自主的，”他解释道。“第二件事是，我们正在改善卫星和地面之间的数据传输，因为你可以在边缘进行更多处理。然后，你当然可以减少向地球的下行数据，一个典型应用是今天的遥感。一个摄像机记录，这些数据被传输到地球，我们在地球上用这些数据做事情。随着分辨率越来越高，要求越来越高的数据下行带宽。但边缘AI提供了在轨道内获取感兴趣的数据并只传输结果的能力，这意味着对带宽的要求低得多。
“这与地球上的物联网非常相似，”他继续说道。“我们可以称之为‘太空资产互联网’，它让我们有能力对环境进行更多的感知，不仅是地球，还有太阳系。”目前，TRISAT-R纳米卫星在椭圆轨道上完全运行，漂移在18至23度之间，所有参数都正常。
不幸的是，TRISAT-R的末日已经临近，空间辐射最终会对这颗微型卫星造成损害，届时它将不得不退役。但鉴于其主要任务是测量和分析电离辐射对航天器电子设备的影响，如果TRISAT-R能够坚持至少六个月，这项任务将是成功的，因为它已在轨运行了将近四年。
但是对于RISC-V来说，TRISAT-R仅仅是一个开始。ESA和NASA继续开发基于该技术的新一代空间处理器。Microchip已经在国际空间站上部署了RISC-V技术，继续推进其PolarFire FPGA产品组合，推出了包括SiFive软CPU内核在内的耐辐射版本，用于运行用户应用程序。
对于像ESA和NASA这样的组织，RISC-V是显而易见的选择，因为他们继续在开放、高性能和灵活的商业电子设备上建立太空探索计划。
从一种开放标准转向另一种开放标准，如RISC-V，是最合理的选择。但这只是技术的进步，这是合乎逻辑的一步，有助于提高性能和软件开发流程。
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