Rymdteknik ska säkra inbyggda system på jorden

Uppsalaföretaget Unibap söker tillämpningar på jorden för sin feltoleranta rymddator, i robotar, drönare, självkörande bilar och andra kritiska system.

EN STEROKAMERA PÅ RYMDKORTET

Unibaps kort tar foton i rymden men vill nu även göra det på marken. Företaget har tagit ett kliv upp i näringskedjan och lanserat den smarta stereokameran IVS-70 på sitt eget datorkort.

– Vi tar fram demonstratorer för olika kunder, och räknar på deras kravspecar. Och vi hoppas på pilotordrar innan midsommar nästa år, säger Fredrik Bruhn.

I ett forskningsprojekt monteras stereokameran in i självkörande gula fordon från Volvo CE, inom ett MDH-projekt som började i fjol och pågår till år 2023.

En självkörande dumper av idag kan ha fyra kamerasystem, plus en eller flera lidar.

Både implementering och certifiering är stora utmaningar. Unibap tror att man kan komma ett steg närmare att lösa båda två genom att integrera informationen från lidarn och kameran.

I Västerås testar Unibap stereokameran med ABB. Den är monterad på en industrirobot som bland annat gör bin-picking – sorterar utspridda komponenter i snygga rader.

En intelligent stereokamera i en industrirobot öppnar många möjligheter. När den är klar kan den till exempel kontrollera kvaliteten för att kunna göra en ombearbetning eller kassering.

Med kortet kan roboten kalibrera sig själv på plats, istället för att skickas iväg, eller få ett besök av servicepersonal.

– Det blir alltid bäst att göra kalibreringen i miljön du jobbar i. Du riskerar inga tappade lådor.

Omkalibrering kan göras oftare, kanske kontinuerligt om det finns märken i arbetstycken att inrikta sig efter.

Kalibreringsnoggrannheten testas just nu om den duger för roboten. Kameran noterade utan problem att ett objekt flyttades på 50 µm, och har senare mätt upp sin noggrannhet till 3 µm.

Ett tusental gånger i timmen krockar kretsarna i din laptop och mobiltelefon med högenergipartiklar från solen och yttre rymden.

Ibland inverterar de en databit och din dator kraschar – just det, det är inte alltid Microsofts fel.

I datorn är det ett irritationsmoment. Men om partikeln slår ut en komponent i en självkörande bil är det en potentiell katastrof.

– Det finns mycket häftig AI i dagens lösningar, men man har glömt optimering mot bakgrundsstrålning, säger Unibaps utvecklingschef Kjell Brunberg.

Unibap är räddaren i nöden. Företagets datorkort rättar strålningsfelen. De används redan i jordobservationssatelliter där strålningsnivån är många magnituder högre, och har Nasas högsta certifieringsklass TRL 9.

– Om du vill bygga en komponent som är garanterat säker på jorden ska du kvalificera den för rymd eller flyg.

Elektronik finns i kritiska system sedan länge. Men strålningsproblemet kan komma att eskalera. Dels växer antalet kritiska system – tänk på Internet of things – och dels blir de allt smartare, det vill säga utrustas med allt mer datorkraft som åläggs allt mer sofistikerade uppgifter.

Sannolikheten ökar därmed för att ett kritisk fel ska inträffa någonstans, någon gång. Fredrik Bruhn, Unibaps vd och professor på Mälardalens högskola (MDH) har räknat på saken.

– Med 50 miljarder IoT-system kommer man kontinuerligt vid varje tidpunkt att ha 100 miljarder DDR-minnesfel och 1,4 miljoner kritiska processorfel. Och man har ingen aning om var.

– Industriell elektronik har hittills inte varit så avancerad. Men med IoT ska allt fler transistorer in i varje IoT-pryl. Då kommer problemen statistiskt att börja dyka upp – det är de stora talens tyranni.

I och med att felen är slumpmässiga och drabbar på många olika sätt är det svårt att veta hur stor skada strålningsfel gör idag.

I en bil, som idag har dussintals smådatorer, yttrar sig ett litet fel kanske i att motorn hostar till, en varningslampa tänds eller att bromssystemet beter sig konstigt.

Kjell Brunberg

Fredrik Bruhn

– Ett stort företag som jag inte får säga vad det heter har sedan länge dokumenterat varje enskild komponent de använder. De tror att två till fyra procent av felrapporterna orsakas av strålning. Det matchar de teoretiska beräkningarna bra, säger Fredrik Bruhn.

Enligt Fredrik Bruhn och Kjell Brunberg kommer en del av de tekniklösningar för självkörande bilar som presenteras idag inte att kunna gå vidare till skarpa produkter eftersom de inte kommer att kunna säkerhetscertifieras.

– Inte om de ska paketeras i rimliga lösningar utifrån effektförbrukning och pris, säger Fredrik Bruhn.

Unibap har haft möten med ett av de större bolagen.

– Man har byggt en demonstrator av världens första självkörande fordon för hundra miljoner kronor samtidigt som ingenjörskärnan i gruppen är medveten om att plattformen inte duger för tillämpningen, säger Kjell Brunberg.

– Det är fantastiskt att man lägger så mycket möda på grejor som inte går att använda. Utom mjukvaran – den kan återanvändas på vår plattform, tillägger han.

De komplexa kritiska system som ökar är volymprodukter. Certifieringskraven blir därmed en ny ekonomisk utmaning.

Standardlösningen för robusthet är redundans, att låta parallella system exekvera samma program och styra via röstning.

– I ett flygplan kan man ha niovägarsredundans med tre separata system som var och en innehåller tre datorer i olika arkitekturer, berättar Fredrik Bruhn.

Med Unibaps kortfamilj som grund kan några skikt av dyrbar redundans skalas bort.

– Vi kan bygga seendesystem där du kanske klarar dig med två system, eller i vissa fall ett. Allt blir enklare – effekten lägre, vikten lägre, placeringen lättare.

– Om du tripplar alla system blir styrsystemet en ugn. Och det blir dyrt. En trippelredundant lösning ligger mellan 250 och 500 watt. Vår lösning ligger på upp till 30 watt och i snitt 12–13, säger Fredrik Bruhn.

SÅ BLIR KORTET ROBUST

Den ena aspekten på Unibaps datorkort är att det ur ett jordiskt perspektiv är unikt robust. Ur ett rymdperspektiv är kortet istället unikt kraftfullt. Och det var där historien började.

Fredrik Bruhn och Kjell Brunberg satt och suckade mot varandra under ett tråkigt arbetsmöte.

– Vi började skissa på hur vi skulle kunna bygga en riktigt avancerad pc som faktiskt skulle kunna användas i rymden, berättar Fredrik Bruhn.

Hindren var många – kosmisk strålning är bara en av punkterna. Runt 40–50 problem gjorde i princip uppgiften omöjlig.

Unibap beskriver sitt rymdkort som ett nytt kapitel i satellithistorien.

Traditionella satelliter skickar sina mätdata till jorden. Överföringen är en flaskhals och extremt dyr – den kan kosta tio miljoner kronor per år och satellit.

Unibapkorten har nog beräkningskraft och minne som kan reducera datat dramatiskt.

– Man kan säga att vi skickat datormolnet upp i atmosfären, säger Kjell Brunberg.

Genom att identifiera moln i bilderna, kan 60–70 procent av datat direkt kastas, om det är jordobservationer som görs.

Säg att beställaren är intresserad av en kustlinje. Med en så kallad rektifieringsdatabas på 400 Gbyte flash ombord kan satelliten för det första identifiera kustlinjen i bilderna som den tagit. Därefter kan den extrahera de data som är intressanta och skicka ner dessa.

Med traditionella metoder kan det ta en vecka innan analysen av kustlinjen är klar och överlämnad. Med beräkningskraft ombord kan det i bästa fall ta 16 minuter vilket är ovärdeligt exempelvis för en insatsledare vid en översvämning.

Ur satellitägarens perspektiv är lönsamheten uppenbar – samma satellit hinner med tusen gånger fler uppdrag.

Helt nya sorters uppdrag blir också ekonomiska. Exempelvis vill Walmart räkna butikskunder via satellitbilder av parkeringsplatserna.

– Det blir billigare än kameror på parkering och slipper dessutom problem med reglering i och med att bilderna har en upplösning på över en meter, säger Fredrik Bruhn.

Unibap valde en AMD G-processor eftersom den, delvis av budgetskäl, återanvänder en felrättande arkitektur från serverprocessorn Opteron.

AMD G har en integrerad GPU som inte bara används för grafik utan också för generella beräkningstillämpningar.

Unibapkortet innehåller dessutom en FPGA, som är optimal för ytterligare en klass beräkningar. Tillsammans är de tre kopplade i den cachekoherenta arkitekturen HSA (Heterogenous System Architecture) vilket betyder att de kan dela data och samarbeta effektivt.

Utöver felrättning i minnen och processorer har Unibapkorten redundans i både klocka, strömförsörjning och buss.

Temperaturtåligheten är förstås industriell. Delar av FPGA:n tillämpar trippelvotering. Ett safetychip (eller närmare bestämt ännu bara en FPGA-kärna) övervakar att AMD-processorn går som den ska. Processor och FPGA skakar regelbundet hand med varandra för att kolla om de hänger med.

Unibap säkrar även mjukvaran. Den transformeras enligt en egen metod som används på bland annat vision-biblioteket OpenCV. Koden får nya instruktioner som gör att safetychipet kan övervaka exekveringen.

Unibap har ett gott samarbete med AMD där den senare bland annat bjuder på hårdvara och den förra på återkoppling i form av felrapporter och analyser – ingen annan stressar vissa av drivrutinerna som Unibap gör.

MDH adderar dessutom just nu realtidsegenskaper till HSA-arkitekturen. Den utvecklingen sker på Unibapkorten.

Den nya generationen Zen-processorer från AMD har väckt stor uppmärksamhet i och med att de kommer ikapp Intel prestandamässigt på många punkter, efter att i många år legat i kölvattnet. Zen i inbyggnadsversion, Raven Ridge, ligger några år fram i tiden och kommer att ha felrättningen.

– Men vi är inte låsta till AMD. Det finns Intel- och ARM-processorer med felrättning, men de har idag så skräpiga GPU:er att de inte kan användas till något vettigt.

Läs mer om Unibap i Elektronik-tidningens arkiv på etn.se/unibap