作者：Salah Ben Doua，首席應用工程師

自2010年以來，地球軌道上的衛星數量增長了 25 倍。 衛星的部署成本高達數百萬美元，設計在軌壽命為 5 至 10 年，因此需要配備可靠且穩健的機載處理器系統，以支撐整個任務週期。

市場對小型化、計算能力日益增强的衛星的需求，正對最新的超深亞微米 FPGA 和 ASIC 及其供電網絡提出極限挑戰。 這些高性能處理器具有嚴苛的低壓、大電流供電需求，而太空中的熱管理與輻射環境進一步新增了系統設計的複雜性。

面對這些挑戰，Spacechips 推出了其 AI1 應答器產品，這是一款小型機載處理器卡，內寘自我調整計算加速平臺（ACAP）AI加速器。 該系統可提供高達每秒 133 萬億次操作（TOPS）的算力，在支持新型實时自主計算應用的同時，也確保了足以完成長期任務的可靠性與使用壽命。

Spacechips 公司首席執行官 Rajan Bedi 博士表示：“許多航天器運營商根本沒有足够的射頻頻譜頻寬，無法下載所有採集的資料以進行實时處理。一種替代方案是在軌完成資料處理，只將智慧分析結果傳回地面。”

在軌計算對太空及地面應用的影響

Spacechips 正在利用强大的人工智慧計算引擎，實現在軌 AI，以應對多種挑戰，包括監測任務關鍵型航天器的系統健康狀況。 AI 算法通過學習正常運行模式並及早發現异常，能够持續評估星載子系統的健康狀況，包括電源、熱控、高度控制與通信。 除了衛星運行之外，創新的應用還涵蓋多種與太空和地面相關的難題，借助更快速的通訊實現主動響應。

1. 追跡太空碎片，避免代價高昂的碰撞

配備 AI 技術的衛星可在與地面無法建立直接視距通信時，利用機載成像感測器捕獲的即時資料，自主檢測、分類並追跡太空碎片。 傳統的地面監測系統通常難以追跡體積小、快速移動的碎片，而 AI 能够實时處理感測器數據，預測碎片軌跡並識別碰撞風險。 經過軌道力學訓練的神經網路有助於完善碎片目錄，並自主更新避撞機動策略。

2. 識別惡劣天氣模式

搭載於地球大氣觀測衛星上的 AI 可以顯著提升對惡劣天氣事件的識別和預測能力。機載神經網路不僅採集影像，還能對雲層類型進行分割、估算風暴强度，並標記快速發展的天氣系統以優先下行傳輸。這使得對惡劣天氣事件的響應更加迅速，並提高了局部天氣預報的準確性，尤其在地面感測器稀少的海洋和偏遠地區效果更為顯著。

3. 探測地表熱點，預測火險爆發點

紅外感測器與 AI 相結合，可探測野火、火山活動或工業事故等溫度异常情况。基於歷史資料訓練的機器學習模型能够區分無害熱源與新的“火險爆發點”，從而近乎實时地向灾害應急機构發出警報。預測建模還能在火灾發生前識別高風險區域，便於採取預防性措施。

4. 報告關鍵農作物生產所需的降雨資料

AI 能够融合多光譜成像、GPS 標記的農業區域及降雨資料，評估作物健康狀況、產量潜力及水分脅迫情况。 模型能够區分土壤濕度變化、養分缺乏與病害名額。 當與氣候及降水資料結合時，機載 AI 可為政府和農戶提供快速、當地語系化的農業情報，支持永續的糧食生產與資源分配。

當前，近地軌道（LEO）觀測航天器每大約 10 分鐘才能對特定區域建立一次直接視距通信。 如果能够訓練衛星利用 AI 算法填補這些盲區，應急管理團隊就能更快速、更明智地判斷哪些潜在爆發點區域最為脆弱。 其目標是在無法與地面建立直接視距通訊時，實現智慧、自主的實时決策。

Bedi 表示：“在灾害管理方面，無論是野火還是毀滅性洪水，幾秒鐘與幾分鐘的差別，對於保護人類與野生動物、减少基礎設施和財產損失而言都至關重要。如果我們能更快地做出決策，就能最大限度地減少損失和人員傷亡。”

Bedi 提到了 AMD Versal 自我調整計算加速平臺等突破性技術。 該平臺是一個先進的 FPGA 產品系列，通過採用 8 位整數推理模型，可提供高達 133 TOPS 的算力，從而减少記憶體與計算開銷。 這種級別的片上處理能力能够實現在軌 AI 應用，使航天器及其有效載荷能够自主、實时地做出智慧的現場決策，而無需將千兆位元組的數據下行傳輸至雲端進行地面後處理（後者會帶來延遲和財務成本）。

專為在軌 AI 與機器學習通訊而打造的 Spacechips AI1 處理器板

Spacechips 服務於廣泛的太空應用場景，這些場景在軌道類型、可靠性及使用壽命方面有著不同的要求。 部分有效載荷在近地軌道運行數周或數月，而另一些則在地球靜止軌道運行十年甚至更久。Bedi 審慎評估新興航太公司的多樣化需求，幫助其判斷：是價值 10 萬美元的航太級 FPGA 更合適，還是 200 美元的工業級處理器就已足够。 通過深入瞭解設計中的權衡取捨，Spacechips 引導客戶選擇針對任務優化的解決方案。

Spacechips AI1 應答器板是一款智慧、可重新配寘的收發設備，可提供高達 133 TOPS 的在軌 AI 與機器學習效能。 這一能力將為衛星領域帶來眾多全新應用，包括地球觀測、在軌服務、組裝與製造（ISAM）、訊號情報（SIGINT）、情報、監視與偵察（ISR）以及電信等。

鑒於太空運行環境的限制，基於 AI 的計算對精密電源管理有著迫切需求。 而這一需求，因以下兩個因素而進一步加劇：一是需要不同類型航天器的任務在數量、範圍和種類方面顯著增加； 二是日益依賴太陽能提供充足電力。

這些航天器的尺寸跨度極大，從體積堪比都市公交車的地球同步衛星，直至尺寸小於鞋盒、質量不足 100 克的立方星（CubeSat）與飛衛星（FemtoSat）。

Bedi 表示：“這些小型航天器需要從其太陽能電池板上產生和收集的能量相對較少。我們不能簡單地打造所有微芯片消耗 20 瓦的太空電子設備。我們必須更智慧地優化設計，確保其符合相關航天器平臺所提供的功率預算。”

Vicor 分比式電源架構結合電流倍增器：减小尺寸與重量，在太空中實現卓越的處理器效能

Spacechips 已與 Vicor 合作，為在軌 AI 處理提供關鍵的電源架構。

Bedi 問道：“這些微芯片的核心電壓約為 0.8 V，TDC 高達 130 安培。 如何生成這樣的電源軌？ 這是一個巨大的難題。 我們可以採用傳統的多相降壓轉換器，將十個並聯在一起，但這樣做不僅體積龐大，而且由於需要通過電壓平均來獲得 0.8V，設計會變得極為複雜。 ”

Bedi 指出，Vicor 解決方案的價值在於其體積小、功率密度高，從而能够實現更小型化的設計和更高的系統靈活性。Vicor 分比式電源架構（FPA™） 是一種供電系統設計，它將 DC-DC 轉換的功能分解到獨立的模組中。 在具備耐輻射能力的 Vicor 模組中， BCM®  母線轉換器提供隔離並降壓變換至 28V，PRM™  穩壓器提供穩壓調節， VTM™  電流倍增器則執行從 28V DC 到 0.8V 的變換。 這樣就可以實現更高的效率、更大的靈活性以及更高的功率密度，在高性能計算應用中尤為突出。

Bedi 表示：“Vicor FPA 以一種非常小巧的外形，提供了更為優雅、高效的解決方案。 我最近教授了一門關於太空應用功率微電子的課程，在課上我們從封裝尺寸、電流密度和功率密度幾個方面，對 Vicor DC-DC 轉換器與市面上所有同類航太級電源產品進行了對比。 結果顯示，Vicor FPA 的優勢比市場上其他所有產品整整高出一個數量級。 ”

Bedi 已將 Vicor 的 FPA 電源模組集成到 Spacechips AI1 板中。 該板基於 Versal FPGA 構建，是一款可重新配寘且支持 AI 的轉發器。 它使電信和訊號情報（SIGINT）運營商能够根據實时流量需求，自主更改射頻頻率方案、通道劃分、調製方式和通信標準，從而實現實时在軌處理。 Vicor 電源轉換模組還具備雙功率通道，在對故障零容忍的太空應用中提供了內寘備援能力，使得功率通道的兩側都能驅動 100% 的負載。

Bedi 表示：“這些優勢讓我們决定將 Vicor FPA 作為 Spacechips AI1 的基準電源方案。 而且，由於我們已經完成了早期風險評估和規避工作，並設計了一款可擴充的電源解決方案，未來即使需要進一步提升功耗，也無需重新開發。”

讓世界更美好的遠大願景

Bedi 表示，Spacechips 將繼續致力於提升處理能力和靈活性，以支持下一代衛星任務。 對 Bedi 而言，這一機遇的驅動力體現在兩個方面：一是解决新興的太空技術難題，二是發掘能够為全球帶來更大福祉的全新應用。

Bedi 分享道：“Spacechips 至今仍是全球唯一一家專注於太空電子領域的企業。 我們是快速發展的新太空經濟的一部分，這一經濟體系正迅速成長，有望為各類市場帶來巨大價值。 如今，許多非航太企業正利用太空數據來提升其產品與服務的交付能力。 這是一場新的工業革命，而我們的產品與服務正好契合這一歷史機遇。 ”

Spacechips 與 Vicor 攜手，共同打造了目前在軌功率密度最高的處理器板。 AI1 板具備耐輻射能力，結構堅固且尺寸緊湊，為電源處理樹立了新標杆，並推動計算技術在新太空領域的深遠影響。 Spacechips 所展現的創新精神與驅動力，正在從外太空到地球的各個層面，改變我們的世界。

Salah Ben Doua 是 Vicor 的首席應用工程師，擁有30年電源設計領域的豐富經驗，二十多年來一直為 Vicor 客戶提供支持。 他長期為航空航太與國防、工業、鐵路、照明及通信等多個領域的 DC-DC 與 AC-DC 電源系統開發，貢獻專業知識與建議。 Salah 畢業於法國圖盧茲國立綜合理工學院，獲得電源轉換方向的博士學位。

Salah Ben Doua，首席應用工程師