يمثل استكشاف الفضاء أجرأ الحدود التكنولوجية للبشرية، فهو لا يختبر حدود معرفتنا العلمية فحسب، بل يختبر أيضاً براعة حلولنا الهندسية. وسواء أكان السفر إلى المريخ أو التقاط صور مفصلة للأرض من المدار، فإن موثوقية الإلكترونيات الموجودة على متن المركبة وقابليتها للتكيف غالباً ما تحدد نجاح أو فشل المهمة بأكملها. ومن بين هذه المكونات المهمة، تبرز مصفوفات البوابات القابلة للبرمجة الميدانية (FPGAs) كأبطال مجهولين.

تكمن قوة FPGAs في إمكانية إعادة تشكيلها. فعلى عكس الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs)، والتي يتم تثبيتها بمجرد تصنيعها، يمكن إعادة برمجتها في المدار، مما يمنح المركبات الفضائية “حياة ثانية”. وقد جعلتها هذه القدرة على التكيف لا غنى عنها للأقمار الصناعية ومسابير الفضاء السحيق والمركبات الفضائية المتجولة في الكواكب، حيث قد تتطور متطلبات المهمة بشكل غير متوقع على مدى سنوات أو حتى عقود.

ومن الأمثلة البارزة على ذلك الأقمار الصناعية Sentinel التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية. فهي مزودة بوحدات FPGAs، ويمكنها معالجة كميات هائلة من بيانات الرادار ذي الفتحة الاصطناعية (SAR) في الوقت الفعلي وضغطها قبل الإرسال. ومع محدودية عرض النطاق الترددي للوصلة الهابطة فإن هذه الكفاءة على متن الأقمار الصناعية أمر بالغ الأهمية. تشير التقارير إلى أن المعالجة القائمة على FPGA حسّنت إنتاجية البيانات بأكثر من 401 تيرابايت 3 تيرابايت وأطالت عمر الأقمار الصناعية بأكثر من عامين في المتوسط. وعلى نحو مماثل، يعتمد برنامج لاندسات التابع لوكالة ناسا على FPGAs لمعالجة بيانات الاستشعار على متن الساتل، مما يحافظ على أداء مستقر عبر البعثات التي تمتد لأكثر من عقد من الزمن.

في الفضاء السحيق، تصبح قدرة FPGAs على التكيف أكثر أهمية. فقد استخدم مسبار ناسا New Horizons التابع لوكالة ناسا، خلال تحليقه التاريخي لبلوتو، FPGAs لمعالجة البيانات العلمية أثناء الطيران. ومع وجود إشارات تستغرق أكثر من أربع ساعات للعودة إلى الأرض، لم يكن هناك هامش للتأخير أو الخطأ. وبفضل قوة الحوسبة المتوازية لـ FPGAs، تمكنت المركبة الفضائية من نقل صور وأطياف لا تقدر بثمن دون أي خسائر، مما يضمن نجاح المهمة.

غير أن الفضاء لا يرحم. فالإشعاع ودرجات الحرارة القصوى تشكل تهديدات مستمرة. وفي حين أن أجهزة FPGA من الدرجة التجارية تعمل بشكل جيد على الأرض، إلا أنها يمكن أن تفشل على الفور عندما تصطدم بجسيمات عالية الطاقة. ولمعالجة هذه المشكلة، طورت الشركات المصنّعة رقاقات FPGAs من فئة FPGA المقواة بالإشعاع في الفضاء، مثل سلسلة Xilinx الفضائية وعائلة RTG4 من Microsemi. وتستخدم هذه الرقاقات التكرار وتقنيات التصميم المقوى وميزات التصحيح الذاتي لتحمل الاضطرابات ذات الحدث الواحد. وقد أظهرت الاختبارات قدرة تحمل للإشعاع تتجاوز 100 كيلو راد، مما يتيح التشغيل لأكثر من 15 عاماً في المدار.

كفاءة الطاقة عامل حاسم آخر لنجاح البعثة. فكل واط مهم عندما تعتمد المركبات الفضائية على ألواح شمسية محدودة أو مولدات كهروحرارية تعمل بالنظائر المشعة (RTGs). تتفوق FPGAs من خلال تنفيذ المهام بالتوازي، وتقليل وقت المعالجة، والتحول إلى حالات الطاقة المنخفضة عند الخمول. وقد سجل مسبار Curiosity المتجول التابع لوكالة ناسا تحسناً في استخدام الطاقة بمقدار 181 تيرابايت في استخدام الطاقة بفضل تحسين الطاقة القائم على FPGA، مما ساعد على استمرار العمليات لأكثر من عقد من الزمن على سطح المريخ.

يتوسع دور FPGAs على الصعيد العالمي. ففي الصين، يتم الآن نشر FPGAs المحلية على نطاق واسع في حمولات الأقمار الصناعية وأنظمة الملاحة ومعالجات البيانات على متن الأقمار الصناعية. ومع نضوج صناعة FPGA في الصين، أصبحت الإلكترونيات الفضائية المستقلة بالكامل والتي يمكن التحكم فيها حقيقة واقعة، مما يضع الأساس لاستكشاف الفضاء السحيق الطموح.

على مدار تاريخ استكشاف الفضاء، غالباً ما تسلط الأضواء على الصواريخ والمسابير والاكتشافات المذهلة في حين أن الأبطال الصامتين المختبئين داخل الأنظمة الإلكترونية لا يلاحظهم أحد. إن FPGAs هي بالضبط مثل هؤلاء الأبطال. فهي تحافظ على ثبات الأقمار الصناعية في المدار، وتتيح للمسابير التواصل عبر مليارات الكيلومترات، وتجعل أحلام البشرية الكونية أكثر قابلية للتحقيق. وبما أن البعثات المستقبلية تهدف إلى إنشاء قواعد قمرية واستعمار المريخ والسفر بين الكواكب، ستظل قدرة FPGAs على التكيف والمرونة قوة لا يمكن الاستغناء عنها خلف كواليس استكشاف الفضاء.