星载存储系统的现状和发展方向
星载存储系统的现状和发展方向
Abstract： Spaceborne storage system is a core part of satellite payload subsystem and
provides the satellite application data storage features. Due to the bottleneck of system architecture,
current spaceborne storage system could not meet the higher performance requirements of some new
satellite applications. Meanwhile, weaknesses such as poor expansibility,cost and weight issues caused
by redundant backup strategy still exist. This paper reviews the history of the medium usage in
spaceborne storage system, refers to new storage technology exploring in several satellites launched in
these years, and uses the technological achievements of commercial storage for reference, then
analyses the necessities of developing the high reliability SSD controller used in space. A novel
spaceborne storage system, which employs the multi-level redundant backup mechanism to replace
current master-slave backup method and provides better reliability with lower cost, is discussed. To
extend the capability and throughput by means of software configuration, the brand-new architecture
could satisfy the need of large-scale storage performance arrange requests and be easy to implement.
Keyword ：on-board storage system; high reliability SSD controller for aerospace; NAND
flash; storage array controller;
1 、前言
星载存储系统的发展与星上数据存储介质的发展有很大的关系,介质的采用经历了从磁带
机、SRAM、SDRAM 到NAND Flash 的发展过程.NAND Flash 具有非易失、单位面积性能容量
高等特点,是目前星上数据存储的介质首选.SLC NAND 是星载存储领域的介质主流,存在价格昂
贵、单位面积性能容量集成度偏低等问题,逐渐不能满足卫星载荷数据存储高速率、大容量的发
展需求.采用单位面积集成度更高的大容量 2D MLC 以及 3D TLC NAND Flash 是星载存储系统
发展的方向.但是,NAND Flash 原厂并不生产满足宇航用的高等级 MLC 与TLC NAND Flash.如
何解决低等级 MLC 以及 TLC NAND 在空间环境下的可靠性问题[1,2,3],是星载存储系统需要突
破的技术发展难题.而且星载存储系统广为采用基于 FPGA 为控制核心的系统方案[4,5],受限于
FPGA 的资源规模与时钟速率,难以满足基于 MLC、TLC NAND Flash 的存储设备控制管理资源
需求.另外,基于 FPGA 为控制核心带来的高成本、高功耗与低成本、低功耗、轻量化的卫星技
术发展趋势不符.发展宇航用高可靠 SSD 控制器,解决将 MLC、TLC NAND Flash 应用于空间环
境的可靠性难题,提供低功耗、轻量化的控制方法是星载存储系统发展的方向.
本文针对星载存储系统面临的性能、容量发展遇到瓶颈,难以满足低成本化与小型化趋势等方面
的问题,结合 NAND Flash 存储介质以及卫星载荷应用需求的发展,论证了星载存储系统发展的几
方面趋势.
2 、星载存储系统的现状
我国星载存储系统的发展同样经历了磁带机、基于 SRAM 及SDRAM 的小容量型,以及基于
NAND Flash 的大容量型三个阶段.以SRAM 为存储介质的星载存储系统有过较为短暂的发展,例
如1994 年发射的实践 4号卫星搭载了基于 SRAM 的2Mbit 星载存储系统.但由于单片存储芯片
集成度过低、单粒子效应敏感等原因,在基于 SDRAM 的星载存储系统出现后,逐渐被淘汰.而基
于SDRAM 的星载存储系统在固态存储系统的发展历史上占有重要地位.我国 1999 年发射的实
践5号、2007 年发射的嫦娥一号都选用了基于 SDRAM 的星载存储系统方案.2007 年左右,随着
遥感二号等卫星的发射,从此步入以 NAND Flash 为主要存储介质的星载存储系统高速发展时期.
我们统计了国内外近二十年,具有代表性的卫星星载存储系统搭载情况,如下图所示,我国 NAND
Flash 型星载存储系统经历了 20 年,累计五代技术发展.
图1 近二十年星载存储系统发展情况
图2 我国五代 NAND Flash 型星载存储系统发展历程
随着遥感载荷的数据存储容量需求越来越大,基于 SLC NAND 组成的星载存储系统逐渐遇到了
瓶颈.目前第五代 NAND Flash 型星载存储系统于 2018 年发射的高分 11 号卫星上完成了首颗验
证,采用 25 nm 工艺的 2D SLC NAND Flash,单颗粒容量为 8 Gbit.以多颗 SLC NAND 扩展为 256
bit 的标准虚拟位宽、66 MHz 接口时钟速率的存储结构,系统最高存储容量 8 Tbit,数据带宽可达
25.6 Gbps.上述容量及性能的指标,已经无法满足一些新的高分辨率遥感卫星数据存储需求.例如
吉林一号宽幅01 星,载荷数据存储容量达到 40 Tbit.而目前正在研制的星载存储服务器存储容量
需求高达 1 Pbit.随着对地观察卫星的分辨率增加,Tbyte 级别星载存储容量需求成为了中大型遥
感卫星的主流,并且在增长趋势上呈现了大跨越的态势.因此迫切需要突破将低等级大容量
MLC、3D TLC NAND Flash 应用于空间环境的存储控制器技术瓶颈.第五代星载存储系统采用
的虚拟 IO 扩展位宽形式,虽然可以在最小的 FPGA 资源下实现高速的存储访问,但是扩展位宽使
不同的 NAND 颗粒在物理上绑定在一起,使得失效率增加;同时,针对不同型号任务的不同存储要
求,该系统架构灵活性不足,FPGA 资源不支持对虚拟位宽的自由调整.因此,我们需要探索研究一
种新型星载存储系统结构形式,能够突破现有基于 SLC NAND 的技术限制,通过存储控制器技术
解决将 MLC、TLC 应用于空间环境的可靠性问题.另一方面,新体系架构能够解决现有主备份冗
余策略带来的成本、体积与重量倍增的弊端,提供更具性价比的高可靠性系统容错解决方案.
3 、 星载存储系统的发展趋势
卫星载荷技术的发展带来对星上数据存储系统性能与容量需求的高速增长,结合存储介质发展的
现状,NAND Flash 型星载存储系统代表了目前的星载存储领域的主流.Karl F Strauss[6]在统计了
欧美及日本卫星搭载的星载数据系统历史数据以及 NAND Flash 技术发展沿革后,得出了星载存
储系统的容量与 NAND Flash 容量保持相同增长趋势,基本上每三年翻倍的结论.以此预测 2020
年星载存储系统容量会达到 30 Tbit,到2030 年达到 130 Tbit.从通用存储技术发展的角度上看,星
载存储系统应遵循相同的轨迹:采用单位面积集成度更高的 MLC、TLC NAND Flash 颗粒,发展
高可靠性 SSD 控制器技术;结合高可靠 SSD 控制器技术,发展星载存储闪存阵列管理技术,满足超
大容量需求,同时解决主备份冗余方式的弊端问题.
3.1 、发展宇航用高可靠 SSD 控制器
近年来一些新发射的遥感卫星在大容量星载存储应用方面有一些新的尝试.例如,2015 年发射的
吉林一号轻型高分辨率遥感卫星[9]大胆采用工业级SATA 接口 SSD,480 GByte 大容量,低成本方
案满足了该卫星数据的存储需求.由西北工业大学研制的翱翔一号实验卫星[10],采用了 SD 卡作
为星载存储方式,为微小卫星数据存储提供了一种新的选择.虽然无论是 SSD 还是SD,都存在国
摘要：
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星载存储系统的现状和发展方向 Abstract：Spacebornestoragesystemisacorepartofsatellitepayloadsubsystemandprovidesthesatelliteapplicationdatastoragefeatures.Duetothebottleneckofsystemarchitecture,currentspacebornestoragesystemcouldnotmeetthehigherperformancerequirementsofsomenewsatelliteapplications.Meanwhile,weakne...
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作者：闻远设计
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