作者：Salah Ben Doua，首席应用工程师

自 2010 年以来，地球轨道上的卫星数量增长了 25 倍。卫星的部署成本高达数百万美元，设计在轨寿命为 5 至 10 年，因此需要配备可靠且稳健的机载处理器系统，以支撑整个任务周期。

市场对小型化、计算能力日益增强的卫星的需求，正对最新的超深亚微米 FPGA 和 ASIC 及其供电网络提出极限挑战。这些高性能处理器具有严苛的低压、大电流供电需求，而太空中的热管理与辐射环境进一步增加了系统设计的复杂性。

面对这些挑战，Spacechips 推出了其 AI1 应答器产品，这是一款小型机载处理器卡，内置自适应计算加速平台（ACAP）AI 加速器。该系统可提供高达每秒 133 万亿次操作（TOPS）的算力，在支持新型实时自主计算应用的同时，也确保了足以完成长期任务的可靠性与使用寿命。

Spacechips 公司首席执行官 Rajan Bedi 博士表示：“许多航天器运营商根本没有足够的射频频谱带宽，无法下载所有采集的数据以进行实时处理。一种替代方案是在轨完成数据处理，只将智能分析结果传回地面。”

在轨计算对太空及地面应用的影响

Spacechips 正在利用强大的人工智能计算引擎，实现在轨 AI，以应对多种挑战，包括监测任务关键型航天器的系统健康状况。AI 算法通过学习正常运行模式并及早发现异常，能够持续评估星载子系统的健康状况，包括电源、热控、高度控制与通信。除了卫星运行之外，创新的应用还涵盖多种与太空和地面相关的难题，借助更快速的通信实现主动响应。

1. 追踪太空碎片，避免代价高昂的碰撞

配备 AI 技术的卫星可在与地面无法建立直接视距通信时，利用机载成像传感器捕获的实时数据，自主检测、分类并追踪太空碎片。传统的地面监测系统通常难以追踪体积小、快速移动的碎片，而 AI 能够实时处理传感器数据，预测碎片轨迹并识别碰撞风险。经过轨道力学训练的神经网络有助于完善碎片目录，并自主更新避撞机动策略。

2. 识别恶劣天气模式

搭载于地球大气观测卫星上的 AI 可以显著提升对恶劣天气事件的识别和预测能力。机载神经网络不仅采集图像，还能对云层类型进行分割、估算风暴强度，并标记快速发展的天气系统以优先下行传输。这使得对恶劣天气事件的响应更加迅速，并提高了局部天气预报的准确性，尤其在地面传感器稀少的海洋和偏远地区效果更为显著。

3.  探测地表热点，预测火险爆发点

红外传感器与 AI 相结合，可探测野火、火山活动或工业事故等温度异常情况。基于历史数据训练的机器学习模型能够区分无害热源与新的“火险爆发点”，从而近乎实时地向灾害应急机构发出警报。预测建模还能在火灾发生前识别高风险区域，便于采取预防性措施。

4.  报告关键农作物生产所需的降雨数据

AI 能够融合多光谱成像、GPS 标记的农业区域及降雨数据，评估作物健康状况、产量潜力及水分胁迫情况。模型能够区分土壤湿度变化、养分缺乏与病害指标。当与气候及降水数据结合时，机载 AI 可为政府和农户提供快速、本地化的农业情报，支持可持续的粮食生产与资源分配。

当前，近地轨道（LEO）观测航天器每大约 10 分钟才能对特定区域建立一次直接视距通信。如果能够训练卫星利用 AI 算法填补这些盲区，应急管理团队就能更快速、更明智地判断哪些潜在爆发点区域最为脆弱。其目标是在无法与地面建立直接视距通信时，实现智能、自主的实时决策。

Bedi 表示：“在灾害管理方面，无论是野火还是毁灭性洪水，几秒钟与几分钟的差别，对于保护人类与野生动物、减少基础设施和财产损失而言都至关重要。如果我们能更快地做出决策，就能最大限度地减少损失和人员伤亡。”

Bedi 提到了 AMD Versal 自适应计算加速平台等突破性技术。该平台是一个先进的 FPGA 产品系列，通过采用 8 位整数推理模型，可提供高达 133 TOPS 的算力，从而减少内存与计算开销。这种级别的片上处理能力能够实现在轨 AI 应用，使航天器及其有效载荷能够自主、实时地做出智能的现场决策，而无需将千兆字节的数据下行传输至云端进行地面后处理（后者会带来延迟和财务成本）。

专为在轨 AI 与机器学习通信而打造的 Spacechips AI1 处理器板

Spacechips 服务于广泛的太空应用场景，这些场景在轨道类型、可靠性及使用寿命方面有着不同的要求。部分有效载荷在近地轨道运行数周或数月，而另一些则在地球静止轨道运行十年甚至更久。Bedi 审慎评估新兴航天公司的多样化需求，帮助其判断：是价值 10 万美元的航天级 FPGA 更合适，还是 200 美元的工业级处理器就已足够。通过深入了解设计中的权衡取舍，Spacechips 引导客户选择针对任务优化的解决方案。

Spacechips AI1 应答器板是一款智能、可重新配置的收发设备，可提供高达 133 TOPS 的在轨 AI 与机器学习性能。这一能力将为卫星领域带来众多全新应用，包括地球观测、在轨服务、组装与制造（ISAM）、信号情报（SIGINT）、情报、监视与侦察（ISR）以及电信等。

鉴于太空运行环境的限制，基于 AI 的计算对精密电源管理有着迫切需求。而这一需求，因以下两个因素而进一步加剧：一是需要不同类型航天器的任务在数量、范围和种类方面显著增加；二是日益依赖太阳能提供充足电力。
这些航天器的尺寸跨度极大，从体积堪比城市公交车的地球同步卫星，直至尺寸小于鞋盒、质量不足 100 克的立方星（CubeSat）与飞卫星（FemtoSat）。

Bedi 表示：“这些小型航天器需要从其太阳能电池板上产生和收集的能量相对较少。我们不能简单地打造所有微芯片消耗 20 瓦的太空电子设备。我们必须更智能地优化设计，确保其符合相关航天器平台所提供的功率预算。”

Vicor 分比式电源架构结合电流倍增器：减小尺寸与重量，在太空中实现卓越的处理器性能

Spacechips 已与 Vicor 合作，为在轨 AI 处理提供关键的电源架构。

Bedi 问道：“这些微芯片的核心电压约为 0.8 V，TDC 高达 130 安培。如何生成这样的电源轨？这是一个巨大的难题。我们可以采用传统的多相降压转换器，将十个并联在一起，但这样做不仅体积庞大，而且由于需要通过电压平均来获得 0.8V，设计会变得极为复杂。”

Bedi 指出，Vicor 解决方案的价值在于其体积小、功率密度高，从而能够实现更小型化的设计和更高的系统灵活性。Vicor 分比式电源架构（FPA™）是一种供电系统设计，它将 DC-DC 转换的功能分解到独立的模块中。在具备耐辐射能力的 Vicor 模块中，BCM® 母线转换器提供隔离并降压变换至 28V，PRM™ 稳压器提供稳压调节，VTM™ 电流倍增器则执行从 28V DC 到 0.8V 的变换。这样就可以实现更高的效率、更大的灵活性以及更高的功率密度，在高性能计算应用中尤为突出。

Bedi 表示：“Vicor FPA 以一种非常小巧的外形，提供了更为优雅、高效的解决方案。我最近教授了一门关于太空应用功率微电子的课程，在课上我们从封装尺寸、电流密度和功率密度几个方面，对 Vicor DC-DC 转换器与市面上所有同类航天级电源产品进行了对比。结果显示，Vicor FPA 的优势比市场上其他所有产品整整高出一个数量级。”

Bedi 已将 Vicor 的 FPA 电源模块集成到 Spacechips AI1 板中。该板基于 Versal FPGA 构建，是一款可重新配置且支持 AI 的转发器。它使电信和信号情报（SIGINT）运营商能够根据实时流量需求，自主更改射频频率方案、信道划分、调制方式和通信标准，从而实现实时在轨处理。Vicor 电源转换模块还具备双功率通道，在对故障零容忍的太空应用中提供了内置冗余能力，使得功率通道的两侧都能驱动 100% 的负载。

Bedi 表示：“这些优势让我们决定将 Vicor FPA 作为 Spacechips AI1 的基准电源方案。而且，由于我们已经完成了早期风险评估和规避工作，并设计了一款可扩展的电源解决方案，未来即使需要进一步提升功耗，也无需重新开发。”

让世界更美好的远大愿景

Bedi 表示，Spacechips 将继续致力于提升处理能力和灵活性，以支持下一代卫星任务。对 Bedi 而言，这一机遇的驱动力体现在两个方面：一是解决新兴的太空技术难题，二是发掘能够为全球带来更大福祉的全新应用。

Bedi 分享道：“Spacechips 至今仍是全球唯一一家专注于太空电子领域的企业。我们是快速发展的新太空经济的一部分，这一经济体系正迅速成长，有望为各类市场带来巨大价值。如今，许多非航天企业正利用太空数据来提升其产品与服务的交付能力。这是一场新的工业革命，而我们的产品与服务正好契合这一历史机遇。”

Spacechips 与 Vicor 携手，共同打造了目前在轨功率密度最高的处理器板。AI1 板具备耐辐射能力，结构坚固且尺寸紧凑，为电源处理树立了新标杆，并推动计算技术在新太空领域的深远影响。Spacechips 所展现的创新精神与驱动力，正在从外太空到地球的各个层面，改变我们的世界。

Salah Ben Doua 是 Vicor 的首席应用工程师，拥有 30 年电源设计领域的丰富经验，二十多年来一直为 Vicor 客户提供支持。他长期为航空航天与国防、工业、铁路、照明及通信等多个领域的 DC-DC 与 AC-DC 电源系统开发，贡献专业知识与建议。Salah 毕业于法国图卢兹国立综合理工学院，获得电源转换方向的博士学位。

Salah Ben Doua，首席应用工程师