Klepsydra Technologies致力于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星搭載的高效人工智能推理功能——例如支持基于圖像的實(shí)時(shí)地理定位。

Klepsydra與Enclustra合作，將人工智能框架與緊湊型FPGA硬件平臺(tái)相結(jié)合，為衛(wèi)星打造出兼具成本效益與高性能的人工智能計(jì)算平臺(tái)。以實(shí)時(shí)圖像定位這類高要求任務(wù)為例，該系統(tǒng)在嚴(yán)格的航天系統(tǒng)限制條件下，成功實(shí)現(xiàn)了人工智能模型的機(jī)載運(yùn)行，具備高吞吐量、極低CPU負(fù)載及穩(wěn)定內(nèi)存利用率等特性。

面臨的挑戰(zhàn)

太空環(huán)境意味著零妥協(xié)運(yùn)行：電力供應(yīng)有限、通信窗口受限、環(huán)境條件極端。客戶需要一套能在衛(wèi)星上確定、可靠地執(zhí)行高計(jì)算強(qiáng)度AI推理的系統(tǒng)，且不致過載CPU或耗盡電力儲(chǔ)備。

該應(yīng)用需運(yùn)行KamNet1 AI模型，通過處理實(shí)時(shí)圖像確定衛(wèi)星在地球上的位置——這要求系統(tǒng)具備高處理吞吐量和可預(yù)測的行為特性。

解決方案

Enclustra使用水星Mercury+ XU1核心板系統(tǒng)級(jí)模塊（SoM）與Klepsydra AI相匹配，該模塊基于AMD的Zynq UltraScale+ MPSoC構(gòu)建。系統(tǒng)直接在板載運(yùn)行KamNet（一種經(jīng)過地理定位訓(xùn)練的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）。推理管道的關(guān)鍵環(huán)節(jié)通過基于FPGA的數(shù)據(jù)處理單元（DPU）在可編程邏輯中執(zhí)行，從而降低CPU負(fù)載并實(shí)現(xiàn)并行處理。

水星Mercury+ XU1核心板

Klepsydra AI的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于確定性行為、低內(nèi)存波動(dòng)性和實(shí)時(shí)性能。結(jié)合Mercury+ XU1的FPGA加速與I/O靈活性，最終打造出緊湊而強(qiáng)大的AI系統(tǒng)，完美適配軌道環(huán)境部署需求。

水星Mercury+ XU1亮點(diǎn)

緊湊型高性能硬件

Mercury+ XU1尺寸僅為74×54mm，在節(jié)省空間的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了卓越的計(jì)算密度。

強(qiáng)勁計(jì)算架構(gòu)

基于AMD Zynq UltraScale+ MPSoC構(gòu)建，融合可編程邏輯與四核ARM Cortex-A53、雙核ARM Cortex-R5及Mali-400 GPU。

FPGA加速AI運(yùn)算

將高負(fù)載AI推理任務(wù)卸載至FPGA架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)并行執(zhí)行、高吞吐量及極低CPU占用率。

高速內(nèi)存與I/O

支持最高4 GB DDR4 SDRAM內(nèi)存，提供千兆以太網(wǎng)、USB 3.0、PCIe Gen2及DisplayPort等豐富接口。

長期可靠性

采用工業(yè)級(jí)強(qiáng)固設(shè)計(jì)，確保產(chǎn)品擁有長生命周期，適用于航空航天、國防及遠(yuǎn)程邊緣部署場景。

靈活的操作系統(tǒng)兼容性

可無縫適配多種嵌入式操作系統(tǒng)，簡化跨行業(yè)系統(tǒng)集成。

Mercury+ XU1上視圖

Mercury+ XU1底視圖

應(yīng)用領(lǐng)域

除上述衛(wèi)星定位應(yīng)用外，搭載了Enclustra Mercury+ XU1系統(tǒng)級(jí)模塊的Klepsydra人工智能技術(shù)在以下行業(yè)具有廣泛應(yīng)用前景：

航空航天：在衛(wèi)星或無人機(jī)載平臺(tái)上直接實(shí)現(xiàn)船舶、車輛等目標(biāo)的探測與分類。支持自主導(dǎo)航機(jī)動(dòng)、故障檢測、帶寬分配優(yōu)化、信號(hào)干擾預(yù)測規(guī)避等多項(xiàng)功能。

國防領(lǐng)域：賦能現(xiàn)代作戰(zhàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自主車輛操作、目標(biāo)識(shí)別、集群作戰(zhàn)、威脅探測、邊界安防及網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)等能力。

工業(yè)自動(dòng)化：復(fù)雜機(jī)械的預(yù)測性維護(hù)，工廠車間過程數(shù)據(jù)的分析與響應(yīng)，故障流程檢測與自動(dòng)修正，聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅防護(hù)。

物聯(lián)網(wǎng)：通過傳感器端直接數(shù)據(jù)分析降低帶寬消耗并提升可靠性，僅傳輸有效信息同時(shí)過濾噪聲，實(shí)現(xiàn)低功耗遠(yuǎn)程系統(tǒng)監(jiān)控并延長電池壽命。

醫(yī)療健康：依托設(shè)備端安全數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)合規(guī)的個(gè)人健康設(shè)備，同時(shí)支持實(shí)時(shí)監(jiān)測患者病情惡化趨勢。

Mercury+ XU1結(jié)構(gòu)框圖

成果與展望

該概念驗(yàn)證證明：利用商用FPGA模塊可在軌道環(huán)境中獨(dú)立實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)AI地理定位。

Klepsydra AI與Enclustra 水星Mercury+ XU1核心板的協(xié)作開辟了新領(lǐng)域：即使在極端環(huán)境下，也能在邊緣實(shí)現(xiàn)可靠、確定性的AI推理。

隨著人工智能驅(qū)動(dòng)的自主系統(tǒng)成為航空航天、國防及工業(yè)領(lǐng)域的基石，Mercury+ XU1提供了可擴(kuò)展且面向未來的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，將尖端智能推向數(shù)據(jù)生成源頭——無論是在陸地、海洋還是太空軌道。