面向海量遙感數(shù)據(jù)的存儲設(shè)備架構(gòu)研究

樂海軍

摘 ? 要：首先分析遙感在地物目標(biāo)三維圖像層次上的多樣化需求，以及傳統(tǒng)計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)在處理海量數(shù)據(jù)所遇到的內(nèi)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(shè)備實施方案，并從軟件無線電與多模終端、異構(gòu)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(gòu)設(shè)計，涉及接口描述、算法理論、設(shè)計思想與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀等若干方面。提出的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)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(jī)器視覺、深度學(xué)習(xí)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(guān)鍵詞：遙感 ?軟件無線電 ?多模終端 ?異構(gòu)計算 ?計算存儲融合 ?智能固態(tài)硬盤

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

微波遙感系統(tǒng)應(yīng)用以高性能計算與大容量存儲為基礎(chǔ)，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(biāo)檢測，把握最佳救援時間挽救生命;軍事領(lǐng)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(guān)鍵;防災(zāi)減災(zāi)，要求在災(zāi)害性天氣下，提供實時、連續(xù)的數(shù)據(jù)。這些任務(wù)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(yīng)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(shè)計挑戰(zhàn)，以及在充分分析基礎(chǔ)上，設(shè)計一種解決問題且行之有效的系統(tǒng)架構(gòu)。

1 ?設(shè)計挑戰(zhàn)

1.1 需求多樣化

星載雷達(dá)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(jī)載、車載雷達(dá)系統(tǒng)，其功能用途可能發(fā)生改變，呈現(xiàn)多樣化需求。機(jī)載雷達(dá)，它可用于執(zhí)行搜救任務(wù)，查找地面搜救目標(biāo)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(wù)，監(jiān)測農(nóng)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。現(xiàn)今的雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計，大都功能用途單一，不能滿足多樣化應(yīng)用需求。這既導(dǎo)致設(shè)備的研發(fā)成本很高，也不利于相關(guān)社會經(jīng)濟(jì)活動的開展。

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

1.2 I/O瓶頸

機(jī)載遙感系統(tǒng)，除了配備合成孔徑雷達(dá)，還可能配備高清光學(xué)相機(jī)。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(jìn)行分析處理，比如陸地與海洋的環(huán)境資源監(jiān)測。雷達(dá)以及高清光學(xué)相機(jī)在工作過程產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，以500MHz P波段的合成孔徑雷達(dá)為例，射頻直采，10倍過采樣，采樣精度12bits，每秒產(chǎn)生7.5GB數(shù)據(jù)量。高清光學(xué)相機(jī)的傳感器像素通常達(dá)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(shè)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(jié)為兩個因素：一是計算方式，二是體系結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是馮·諾依曼架構(gòu)，計算與存儲分離。計算過程要將數(shù)據(jù)從外存搬到內(nèi)存，再搬到緩存。這種架構(gòu)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(gòu)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(xué)家一直在努力尋找降低計算功耗的辦法。一些可行的技術(shù)方案包括，讓存儲器更靠近計算器，減少數(shù)據(jù)行進(jìn)的距離，比如用大容量非易失存儲介質(zhì)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(kuò)展而不是朝二維延伸;超算與閃存結(jié)合;3D異構(gòu)堆疊;異構(gòu)計算等。

2 ?系統(tǒng)架構(gòu)

針對遙感系統(tǒng)設(shè)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(shè)計一種系統(tǒng)架構(gòu)，應(yīng)對和處理這些挑戰(zhàn)。為處理這些挑戰(zhàn)而設(shè)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(xué)遙感相機(jī)/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(jī)，完成軟件處理和顯示;

（5）經(jīng)過增強(qiáng)處理的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)入機(jī)器視覺/深度學(xué)習(xí)模組，完成圖像的識別與分類;

（6）為了便于機(jī)載設(shè)備回到地面后繼續(xù)分析與處理相關(guān)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(gòu)計算與硬件加速

CPU/GPU屬于馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，指令譯碼執(zhí)行、共享內(nèi)存，而FPGA屬于非指令系統(tǒng)，具有非馮結(jié)構(gòu)。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(gòu)計算在大數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這類的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，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(wù)。在計算過程應(yīng)當(dāng)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(shè)計異構(gòu)計算系統(tǒng)，采用FPGA Ultrascale + Zynq架構(gòu)。經(jīng)過中頻處理的微波遙感基帶數(shù)據(jù)通過PCIe傳至上位機(jī)軟件，完成動目標(biāo)顯示等功能;為了后續(xù)分析處理需要，經(jīng)過中頻處理后的微波遙感基帶數(shù)據(jù)同時通過SRIO進(jìn)入Zynq后存入DDR，再從DDR通過PCIe接口存入固態(tài)硬盤。經(jīng)過FPGA Ultrascale圖像增強(qiáng)處理后的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)通過SRIO進(jìn)入Zynq，由卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成圖像數(shù)據(jù)的識別和分類，上傳至上位機(jī)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(gòu)計算需求，設(shè)計如圖1所示的智能固態(tài)硬盤系統(tǒng)架構(gòu)。

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(zhì)中;回放模式下，通過NAND Flash控制器將上位機(jī)指定的文件讀出，進(jìn)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(zhuǎn)儲模式下，讀出的數(shù)據(jù)經(jīng)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(yùn)行頻率800MHz;處理器核心上運(yùn)行遙感信息記錄存儲管理專用固件以及標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)ExFAT。集成2MB的片內(nèi)高速SRAM存儲，作為ARM Cortex A7單處理器核心的工作內(nèi)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(gòu)的異構(gòu)計算硬件加速。

3 ?結(jié)語

考察遙感成像的多層次需求以及現(xiàn)代計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)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(shù)以及系統(tǒng)架構(gòu)和算法設(shè)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(gòu)計算系統(tǒng)架構(gòu)，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(shè)計，實現(xiàn)高帶寬數(shù)據(jù)的存儲、回放與轉(zhuǎn)儲，以及計算就近存儲處理帶來的硬件加速，進(jìn)一步實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設(shè)計。本文提出的多模終端計算存儲融合遙感設(shè)備架構(gòu)，采用前沿的設(shè)計理念，能提高雷達(dá)系統(tǒng)的生命力和創(chuàng)造價值的能力。

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