Presentación sobre actividades usando FPGAs en el INAOE y plataforma FPGA sugerida para actividades espaciales en México. Presentación dada en el Centro de Desarrollo Aeroespacial del IPN, Ciudad de México. 10 marzo 2014

1. FPGAs para aplicaciones espaciales
Centro de Desarrollo Aeroespacial – IPN
10 Marzo 2014
Dr. Miguel Arias Estrada
ariasmo@inaoep.mx
Laboratorio de Cómputo
Reconfigurable y de
Alto Desempeño

2. Contenido
1. Satélites pequeños
2. Tecnología FPGA y Cómputo Reconfigurable
3. Investigación con FPGAs
4. FPGAs para aplicaciones espaciales
5. Plataforma FPGA propuesta
6. Ecosistema: SUA, globos, satélites
7. Red mexicana de FPGAs para el espacio

3. 1. Satélites Pequeños
Micro-satélites
10-100 kgs
Nano- satélites:
1-10 kgs
Pico-satélites
100 grs – 1 Kgs
Femto-satélites
100 gramos o menos

4. Satellite Market is Growing Ac
Nu
sa
inc
50
By 2010:

5. © Europlan UK Ltd 3
es
ers
010)
nius, Nov. 16th-18th, 2011

6. Estándar CubeSat
Propuesto por Dr. R. Twiggs
(Stanford, 1999)
10 x 10 x 10 cm

7. Ventajas de Nanosatélites
 Tamaño y peso reducido
 Costo bajo y uso de componentes
comerciales
 Bajo costo de lanzamiento
 Tecnología accesible sin grandes
inversiones
 Educación, experimentos, misiones
reales

8. Satellite on a Chip

9. 2. Tecnología FPGA
FPGA – Field Programable Gate Array
 Circuito integrado digital donde los recursos (funciones digitales
básicas) pueden ser configuradas e interconectadas mediante
un archivo de configuración
Cómputo Reconfigurable = Posibilidad de modificar el
hardware mediante “programación”

10.  FPGA = Field Programmable Gate Array
 Arreglo de bloques digitales básicos con
interconexiones programables
 Configuración de alto nivel basado en
lenguajes de descripción de hardware
(HDL)
FPGA
Slice
IOB

11. FPGA vs DSP
 Los FPGAs son de 10 a 1000 veces mas rápidos que un DSP
1k
10k
100k
1M
10M
100M
1G
Less Complex More ComplexAlgorithm Complexity
D
a
t
a
R
a
t
e
S
a
m
p
l
e
s
p
e
r
s
e
c
o
n
d
MPU/MCU
Single-Chip DSP
FPGA-Based
DSP
ASIC
Multiple DSP Cores
or Chips

12. Diseño con FPGAs
Los FPGAs se usan para diseño digital de sistemas
complejos y sistemas empotrados (embedded
systems)
Siguiendo técnicas tradicionales no es eficiente
 Diseñador tradicional requiere 50 años para ocupar toda la
capacidad de un FPGA de 1 millón de compuertas
Se usan metodologías similares al diseño software
 Uso de lenguajes de descripción de hardware
 Encapsulación y reuso de módulos

13.  HDL: VHDL, Verilog, Handel-C
 Similar a diseño software (pero pensando en limitaciones
de hardware)
Cómputo Reconfigurable: adaptar la arquitectura al
algoritmo y no el algoritmo a la arquitectura

14. 3. Investigación con FPGA
Oportunidades interesantes
- Combinar ventajas de FPGAs con algún
área que se beneficie
- Integración de un solo chip de sistemas
complejos
- Posibilidad de crear arquitecturas a la
medida: aceleración de algoritmos

15. Laboratorio de Cómputo
Reconfigurable
INAOE
 El laboratorio es parte del
departamento de Ciencias
Computacionales
 4 investigadores
 10 estudiantes de Maestria
 5 estudiantes de Doctorado
 Desde 1998
 Investigación y desarrollo en:
 Visión por computadora en
tiempo real
 Criptografía y codificación
 Procesamiento Hardware de
Señal

17. Investigación con FPGA
1. Arquitecturas FPGA
2. Visión por computadora
• Acelerar algoritmos usando FPGAs
• Resolver cosas que otros no hacen
• Tener ventaja competitiva internacional

18. Metodología INAOE
 Desarrollo usando tarjetas FPGA
comerciales
 La arquitectura final se puede
migrar a un sistema dedicado
 Meta: lograr procesamiento de video
en tiempo real (30 fps, 640x480
pixeles)

19. Target processor FPGA implementation
REGISDTRO
(HEADER)
VENTANA
PATRÓN
VENTANADE
BÚSQUEDA PROCESADOR
DE
CORRELACIÓN
Arquitectura de seguimiento de blancos

20. Cámara FPGA

21. Otros productos con FPGA
Cámara USB 3.0
5 Megapixeles
FPGA para control de
sensor de imágen
Procesamiento en FPGA

22. Demostración RC200

23. Embedded computing with FPGA

24. Control de un robot movil con FPGA

25. Mexbox - Plataforma FPGA

28. ReConFig 2014
International Conference on
Reconfigurable Logic
8-10 Diciembre 2014
Cancún, México
www.reconfig.org

29. 4. FPGAs para aplicaciones
espaciales
1. Integración en un solo chip de sistemas
complejos
2. Aceleración de algoritmos de 10 a 100 veces
con respecto a una computadora PC
3. Reducción de tamaño, peso, consumo de
potencia -> sistemas móviles
4. Protección de IP (FPGA es muy dificil de
copiar)

30. Ventaja FPGAs
 SoC (System on a Chip)
 Reconfigurabilidad digital
 Programación accesible
 RTOS / Linux
 Pequeño y ligero
 Costo accesible
 Características requeridas para espacio

31. FPGAs
 Sinergias para tener una plataforma
muy compacta y completa
 Espacio y peso muy reducido
 Potencia de cómputo y flexibilidad para
interfazarse a todo tipo de sensores y
actuadores

32. 5. Plataforma FPGA para
aplicaciones espaciales
1. Integración en un solo chip de sistemas
complejos
2. Aceleración de algoritmos de 10 a 100 veces
con respecto a una computadora PC
3. Reducción de tamaño, peso, consumo de
potencia
4. Programabilidad y reconfigurabilidad:
SOFTWARE DEFINED SATELLITE

33. Propuesta
 Uso de SoC (System on a Chip)
 FPGA + ARM processor
 Xilinx Zynq7000 + electrónica de
soporte
 Reconfigurabilidad + I/O flexible

35. Software

36. Plataforma FPGA
 MicroZed Board
 USB 2.0
 Gbit Ethernet
 1 Gbyte SRAM DDR3
 128 Mb Flash
 Micro SD card
 100 I/O
 Embedded Linux

37. Plataforma FPGA :: MicroZed
 Xilinx XC7Z010
 USB 2.0
 Gbit Ethernet
 1 Gbyte SRAM DDR3
 128 Mb Flash
 Micro SD card
 100 I/O
 Embedded Linux

38. Plataforma FPGA avanzada
 5x4 cm
 Xilinx Zynq industrial
 ARM dual-core Cortex-A9
MPCore @ up to 866 MHz
 USB 2 / Gbit Ethernet
 1 GByte DDR3 SRAM
 150 I/O
 3 Axis accelerometer / 3 axis
magnetometer
 www.trenz-electronic.de

39. 6. Ecosistema
 Crear un ecosistema nacional de
instituciones trabajando con FPGAs
 Lograr masa crítica para intercambio de
ideas, personas y módulos reutilizables
 Red de investigación de FPGAs para
aplicaciones espaciales

40. Aplicaciones
Estabilización y
apuntado
(Control del satélite)
Procesamiento de
imagen y sensores
(Observación
terrestre o estelar)
Telemetría y
telecomunicaciones
(Comunicación con
tierra)
Computadora de a
bordo
(OBC)

41. Validación de plataforma FPGA
 Vehículos autopilotados
UAV
 Globo aerostático
 Satélite

42. 7. Red Mexicana de FPGAs
para aplicaciones espaciales
Red coordinada por:
 INAOE (Ciencias Computacionales)
 Dr. Miguel Arias
 CDA (C de Fomento al desarrollo de la
Industria-Empresa Nacional)
 Dr. Mario Mendoza

43. 7. Red Mexicana de FPGAs
para aplicaciones espaciales
 Lanzamiento: 7 Abril
 Reuniones webmeeting 1 vez / mes
 1.30 horas
 Formato: presentación, novedades, 1 a 2 charlas
invitadas
 Invitación directa
fpgaespacial.wordpress.com

44. Algunas actividades
 Uso de FPGA Zynq7000 / Linux + FPGA
 Star-tracker
 Estabilización y apuntado
 Workshop de 1 a 2 días en verano 2014
 Reunión anual presencial en ReConFig

45. Startracker (INAOE)
 Cámara + FPGA
 Seguimiento de
estrella de interés
 Mejora estabilidad
de apuntado de
satelite
 Aplicaciones en
Astrofísica

46. Plataforma de estabilización y
apuntado (CDA)
 Control y estabilizado
con FPGA
 Simulación de
apuntado a estrella /
objetivo
 Medición de
estabilidad
 Simulación física de
posicionamiento de
satélite

47. Telescopio espacial PHASES
Dr. Carlos del Burgo
 Proyecto INAOE
 Espectrofotometría
estelar
 Búsqueda de exo-
planetas tipo tierra
 Minisatélite
 50x50x50 cm
 60 Kgs
Auxiliary Star Sensor
Star Sensor
Spectrograph

48. Arquitectura telescopio PHASES
Instrument
On-board
Computer
FPGA
Spectrograph
Telescope /
Main Star Sensor
Auxiliary
Star
Sensor
Sun Sensor
Actuator
Linear
CCD
Thermal
Stablz
CMOSThermal
Stablz
CMOS
Thermal
Stablz
DC-DC
Convertion
5V 12V
Satellite
Power
Source
Satellite
Main
Computer

49.  Informes:
Miguel Arias – Ciencias Computacionales
ariasmo@inaoep.mx
Laboratorio de Cómputo
Reconfigurable y de Alto
Desempeño