Forscher der University of Michigan haben zwei neue Computerchip-Designs entwickelt, die die Datenverarbeitung in zukünftigen Weltraumteleskopen effizienter gestalten könnten. Die Studie wird auf der IEEE Space Computing Conference im August vorgestellt und bezieht sich auf das geplante NASA-Teleskop Habitable Worlds Observatory, das nach erdähnlichen Exoplaneten suchen soll.
Herausforderungen bei der Datenverarbeitung im Weltraum
Das Habitable Worlds Observatory soll am Lagrange-Punkt L2 positioniert werden, etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Diese Position ermöglicht es, Sonne, Erde und Mond mit einem einzigen Sonnenschutzschild abzudecken. Um erdähnliche Exoplaneten abzubilden, müssen die Teleskope in Echtzeit optische Verzerrungen korrigieren und das Sternenlicht blockieren. Aktuelle strahlungsresistente Prozessoren sind dafür zu langsam, während GPU-basierte Systeme zu viel Energie verbrauchen.
Nathaniel Bleier, Assistenzprofessor für Informatik und Ingenieurwesen an der University of Michigan, erklärt: „Zukünftige Weltraummissionen benötigen nicht einfach mehr Rechenleistung, sondern die richtige Art von Rechenleistung. Bei diesen Aufgaben ist der Flaschenhals die Datenbewegung, nicht die Berechnungen.“
Energieeffiziente Chip-Designs
Das Forschungsteam entwickelte zwei spezialisierte Hardware-Architekturen. Die erste verwendet 27 High-Bandwidth-Memory-Chips (HBM), die horizontal angeordnet sind und jeweils aus einem Stapel von 16 DRAM-Chips bestehen. Diese sind mit einem speziell entwickelten Prozessor verbunden, um den Datentransfer zu beschleunigen. Die zweite Architektur teilt die Daten und die Verarbeitung auf 56 sogenannte „Chiplets“ auf, die jeweils über etwa 2 GB verteilten SRAM-Speicher verfügen.
Mithilfe der Chip-Design-Software Synopsys Design Compiler simulierten die Forscher Leistung, Geschwindigkeit und Größe der Chips. Sie führten 10.000 Simulationen durch, bei denen Fehler durch kosmische Strahlung eingespielt wurden. Eine mathematische Sicherung namens Algorithm-Based Fault Tolerance (ABFT) erkannte alle kritischen Fehler, die die Bildqualität beeinträchtigt hätten.
Die Berechnungen zeigen, dass ein herkömmliches GPU-System 3.000 Watt Leistung benötigt, während das HBM-Design den Bedarf auf 928 Watt reduziert. Das SRAM-Chiplet-Design senkt den Verbrauch weiter auf 90 Watt. Durch eine mathematische Optimierung konnte der Energiebedarf des SRAM-Designs sogar auf 51 Watt gesenkt werden – eine Reduktion um den Faktor 59 im Vergleich zur GPU.
Barry Lyu, Doktorand für Elektro- und Computertechnik an der University of Michigan, betont: „Wir möchten, dass die Rechenleistung die Möglichkeiten der Weltraumwissenschaft erweitert, nicht einschränkt. Durch die Anpassung der Hardware an die Anforderungen können wir die Echtzeitverarbeitung für zukünftige Missionen praktikabel machen.“
Als nächsten Schritt planen die Forscher, die SRAM-Chiplets herzustellen und im Labor zu testen. Die Reduzierung des Energiebedarfs von 3.000 auf 51 Watt würde das Gewicht des Satelliten von 1.100 kg auf 193 kg verringern und über eine 25-jährige Mission geschätzte 430 Millionen US-Dollar einsparen.
- Quelle: University of Michigan