樂海軍

摘 ? 要：首先分析遙感在地物目標三維圖像層次上的多樣化需求，以及傳統(tǒng)計算機體系結構在處理海量數(shù)據(jù)所遇到的內存?zhèn)鬏攷捚款i、計算功耗高問題;接著提出一種計算存儲融合的多模遙感設備實施方案，并從軟件無線電與多模終端、異構計算與硬件加速、計算存儲融合與智能固態(tài)硬盤三個方面展開系統(tǒng)架構設計，涉及接口描述、算法理論、設計思想與產業(yè)現(xiàn)狀等若干方面。提出的系統(tǒng)架構設計在特性上支持系統(tǒng)工作于多種物理模式，支持系統(tǒng)的低功耗、高計算效率性能需求，支持系統(tǒng)利用機器視覺、深度學習實現(xiàn)數(shù)據(jù)的模式識別、特征提取處理，支持高帶寬存儲需求以及實現(xiàn)存儲上的計算。

關鍵詞：遙感 ?軟件無線電 ?多模終端 ?異構計算 ?計算存儲融合 ?智能固態(tài)硬盤

中圖分類號：TN952 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（c）-0105-02

微波遙感系統(tǒng)應用以高性能計算與大容量存儲為基礎，對計算與存儲有很高的要求：野外搜救，要求實時分析、完成目標檢測，把握最佳救援時間挽救生命;軍事領域，偵察戰(zhàn)場可疑情況并實時作出判斷，是把握戰(zhàn)情、先發(fā)制人的關鍵;防災減災，要求在災害性天氣下，提供實時、連續(xù)的數(shù)據(jù)。這些任務的完成涉及高性能實時計算和海量數(shù)據(jù)處理，以及有可能需要將數(shù)據(jù)保存下來，滿足后續(xù)分析處理需求。

本文分析遙感系統(tǒng)可能存在的多種應用需求，對系統(tǒng)工作參數(shù)的要求，海量數(shù)據(jù)處理與存儲所帶來的設計挑戰(zhàn)，以及在充分分析基礎上，設計一種解決問題且行之有效的系統(tǒng)架構。

1 ?設計挑戰(zhàn)

1.1 需求多樣化

星載雷達一旦升空，軟硬件系統(tǒng)固化，功能用途很難再改變。但是一些機載、車載雷達系統(tǒng)，其功能用途可能發(fā)生改變，呈現(xiàn)多樣化需求。機載雷達，它可用于執(zhí)行搜救任務，查找地面搜救目標信息，要求穿透植被覆蓋看到地表;也可用于執(zhí)行遙感監(jiān)測任務，監(jiān)測農作物長勢情況、植被覆蓋情況;還可用于病蟲害監(jiān)測與防治?，F(xiàn)今的雷達系統(tǒng)設計，大都功能用途單一，不能滿足多樣化應用需求。這既導致設備的研發(fā)成本很高，也不利于相關社會經濟活動的開展。

多樣化應用需求對雷達系統(tǒng)設計提出了挑戰(zhàn)。如果能改變單部雷達系統(tǒng)功能用途單一的局面，構建一種通用的硬件平臺，通過軟件控制雷達系統(tǒng)的測量模式、工作頻段等，就有可能實現(xiàn)一部雷達系統(tǒng)滿足多種社會經濟活動的需求，無疑具有較大的價值。

1.2 I/O瓶頸

機載遙感系統(tǒng)，除了配備合成孔徑雷達，還可能配備高清光學相機。采集的數(shù)據(jù)有可能需要實時處理，比如野外搜救、軍事偵察;也有可能存儲以便回到地面進行分析處理，比如陸地與海洋的環(huán)境資源監(jiān)測。雷達以及高清光學相機在工作過程產生大量數(shù)據(jù)，以500MHz P波段的合成孔徑雷達為例，射頻直采，10倍過采樣，采樣精度12bits，每秒產生7.5GB數(shù)據(jù)量。高清光學相機的傳感器像素通常達到億級，圖片數(shù)據(jù)容量更為龐大。如何處理和存儲這些數(shù)據(jù)對系統(tǒng)設計是個挑戰(zhàn)。

1.3 功耗

海量數(shù)據(jù)處理過程涉及到的計算和數(shù)據(jù)搬移必然帶來大量的能量消耗。這種能量消耗來源可以歸結為兩個因素：一是計算方式，二是體系結構。

傳統(tǒng)的計算機體系結構是馮·諾依曼架構，計算與存儲分離。計算過程要將數(shù)據(jù)從外存搬到內存，再搬到緩存。這種架構所帶來的問題是計算過程數(shù)據(jù)在存儲器和處理器之間搬動，消耗了大量的能量。據(jù)研究，馮·諾依曼架構數(shù)據(jù)搬動的功耗約占全部計算過程功耗的50%以上。各國科學家一直在努力尋找降低計算功耗的辦法。一些可行的技術方案包括，讓存儲器更靠近計算器，減少數(shù)據(jù)行進的距離，比如用大容量非易失存儲介質替代RAM;讓計算更靠近存儲，實現(xiàn)存儲上的計算;讓高性能存儲器向三維擴展而不是朝二維延伸;超算與閃存結合;3D異構堆疊;異構計算等。

2 ?系統(tǒng)架構

針對遙感系統(tǒng)設計遇到的功能多樣化需求，計算效率與實時性約束，以及海量數(shù)據(jù)處理所帶來的功耗問題，需要設計一種系統(tǒng)架構，應對和處理這些挑戰(zhàn)。為處理這些挑戰(zhàn)而設計的一種實施方案，它包括以下6個模組。

（1）微波遙感模擬前端;

（2）光學遙感相機/傳感器;

（3）高速數(shù)字信號處理;

（4）基帶數(shù)據(jù)通過PCIe接口傳至上位機，完成軟件處理和顯示;

（5）經過增強處理的圖像數(shù)據(jù)進入機器視覺/深度學習模組，完成圖像的識別與分類;

（6）為了便于機載設備回到地面后繼續(xù)分析與處理相關數(shù)據(jù)，微波遙感基帶數(shù)據(jù)以及完成圖像識別與分類的圖像數(shù)據(jù)保存至固態(tài)硬盤。

2.1 異構計算與硬件加速

CPU/GPU屬于馮·諾依曼體系結構，指令譯碼執(zhí)行、共享內存，而FPGA屬于非指令系統(tǒng)，具有非馮結構。FPGA的每個邏輯單元功能在重編程時已確定，不需要指令，不需要仲裁和緩存。FPGA同時擁有流水線并行和數(shù)據(jù)并行，處理FFT/AES/ FIR這類計算，具有先天優(yōu)勢。異構計算在大數(shù)據(jù)處理領域也有重要應用。卷積神經網(wǎng)絡這類的深度學習技術，需要處理海量的數(shù)據(jù)，屬于I/O通信帶寬敏感型計算任務。在計算過程應當考慮數(shù)據(jù)的就近處理，避免數(shù)據(jù)的搬動。

基于這樣的分析，設計異構計算系統(tǒng)，采用FPGA Ultrascale + Zynq架構。經過中頻處理的微波遙感基帶數(shù)據(jù)通過PCIe傳至上位機軟件，完成動目標顯示等功能;為了后續(xù)分析處理需要，經過中頻處理后的微波遙感基帶數(shù)據(jù)同時通過SRIO進入Zynq后存入DDR，再從DDR通過PCIe接口存入固態(tài)硬盤。經過FPGA Ultrascale圖像增強處理后的光學遙感數(shù)據(jù)通過SRIO進入Zynq，由卷積神經網(wǎng)絡完成圖像數(shù)據(jù)的識別和分類，上傳至上位機軟件，完成圖像顯示等功能，同時這些數(shù)據(jù)存入固態(tài)硬盤供后續(xù)分析處理。Zynq上的ARM完成一些圖像處理的軟件功能，用戶也可以基于此做一些定制化操作。

2.2 計算存儲融合與智能固態(tài)硬盤

綜合考慮計算存儲融合和可重構計算需求，設計如圖1所示的智能固態(tài)硬盤系統(tǒng)架構。

芯片的工作原理是：記錄模式下，通過4路4X SRIO接口獲取遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)暫存在DDR FIFO;通過NAND Flash控制器將數(shù)據(jù)存儲在Flash介質中;回放模式下，通過NAND Flash控制器將上位機指定的文件讀出，進行ECC檢錯糾錯、RAID重建，暫存于DDR FIFO中，通過4路4X SRIO接口回送給系統(tǒng);轉儲模式下，讀出的數(shù)據(jù)經AMBA片上高速總線通過高速接口輸出，常用的高速接口有PCIe NVMe，USB3.0和GbE/XGbE。

芯片集成ARM Cortex A7單處理器核心，運行頻率800MHz;處理器核心上運行遙感信息記錄存儲管理專用固件以及標準文件系統(tǒng)ExFAT。集成2MB的片內高速SRAM存儲，作為ARM Cortex A7單處理器核心的工作內存。集成4路4X SRIO 4.0接口，可支持峰值帶寬最高為400Gbps信號的輸入。集成4組64位DDR4-2400存儲控制器，峰值帶寬為600Gbps，可支持的最大存儲容量為512GB。集成eFPGA IP，支持可重構的異構計算硬件加速。

3 ?結語

考察遙感成像的多層次需求以及現(xiàn)代計算機體系結構在處理海量數(shù)據(jù)時面臨計算存儲分離帶來的I/O瓶頸問題和功耗高問題，本文提出了一種集數(shù)據(jù)采集、處理與存儲的一體化解決方案。通過軟件無線電技術以及系統(tǒng)架構和算法設計，實現(xiàn)一個系統(tǒng)對P、L、S、C和X多個波段的支持。通過異構計算系統(tǒng)架構，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的低功耗處理、低時延處理。通過存儲上的計算和智能固態(tài)硬盤設計，實現(xiàn)高帶寬數(shù)據(jù)的存儲、回放與轉儲，以及計算就近存儲處理帶來的硬件加速，進一步實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設計。本文提出的多模終端計算存儲融合遙感設備架構，采用前沿的設計理念，能提高雷達系統(tǒng)的生命力和創(chuàng)造價值的能力。

參考文獻

[1] 鄭鴻瑞，徐志剛，甘樂，等. 合成孔徑雷達遙感地質應用綜述[J].國土資源遙感，2018，30（2）：12-20.

[2] 宗體，齊真.空間技術新跨越“遙感”地球添“神探”——訪高分-3衛(wèi)星總指揮兼總設計師張慶君[J]. 國際太空，2016（453）：27-32.

[3] WANG C C，YUAN F L， MARKOVIC D， A Multi-Granularity FPGA With Hierarchical Interconnects for Efficient and Flexible Mobile Computing[J]， IEEE Journal of Solid-State Circuits ， 2014 ， 50 （1） ：137-149.