Khám phá vũ trụ là ranh giới công nghệ táo bạo nhất của nhân loại, không chỉ thử thách giới hạn của kiến thức khoa học mà còn cả sự sáng tạo trong các giải pháp kỹ thuật của chúng ta. Dù là du hành tới sao Hỏa hay chụp những hình ảnh chi tiết về Trái Đất từ quỹ đạo, độ tin cậy và khả năng thích ứng của các thiết bị điện tử trên tàu thường quyết định sự thành công hay thất bại của toàn bộ sứ mệnh. Trong số các thành phần quan trọng này, Mảng cổng lập trình tại hiện trường (FPGA) nổi bật như những “anh hùng thầm lặng”.

Điểm mạnh của FPGA nằm ở khả năng tái cấu hình. Khác với các mạch tích hợp chuyên dụng (ASIC), vốn có cấu trúc cố định sau khi sản xuất, FPGA có thể được lập trình lại ngay trên quỹ đạo, từ đó mang lại cho tàu vũ trụ một “cuộc đời thứ hai”. Khả năng thích ứng này đã khiến FPGA trở thành thành phần không thể thiếu đối với các vệ tinh, tàu thăm dò không gian sâu và xe thám hiểm hành tinh, nơi các yêu cầu nhiệm vụ có thể thay đổi bất ngờ theo thời gian, thậm chí kéo dài hàng thập kỷ.

Một ví dụ tiêu biểu là các vệ tinh Sentinel của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA). Được trang bị các mạch tích hợp lập trình được (FPGA), chúng có thể xử lý lượng lớn dữ liệu từ radar khẩu độ tổng hợp (SAR) theo thời gian thực và nén dữ liệu trước khi truyền đi. Với băng thông đường xuống hạn chế, hiệu quả xử lý trên tàu như vậy là vô cùng quan trọng. Các báo cáo cho thấy việc xử lý dựa trên FPGA đã cải thiện thông lượng dữ liệu hơn 40% và kéo dài tuổi thọ vệ tinh trung bình hơn hai năm. Tương tự, chương trình Landsat của NASA cũng dựa vào FPGA để xử lý dữ liệu cảm biến trên tàu, duy trì hiệu suất ổn định trong các nhiệm vụ kéo dài hơn một thập kỷ.

Trong không gian sâu thẳm, khả năng thích ứng của các mạch tích hợp lập trình được (FPGA) càng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Trong chuyến bay lịch sử bay ngang qua sao Diêm Vương, tàu thăm dò New Horizons của NASA đã sử dụng FPGA để xử lý dữ liệu khoa học ngay lập tức. Với thời gian tín hiệu truyền về Trái Đất mất hơn bốn giờ, không có chỗ cho sự chậm trễ hay sai sót nào. Nhờ sức mạnh tính toán song song của FPGA, tàu vũ trụ đã có thể truyền tải những hình ảnh và phổ quang vô cùng quý giá mà không bị mất mát, đảm bảo thành công cho sứ mệnh.

Tuy nhiên, môi trường vũ trụ vô cùng khắc nghiệt. Bức xạ và nhiệt độ cực đoan luôn là những mối đe dọa thường trực. Trong khi các FPGA cấp thương mại hoạt động tốt trên Trái Đất, chúng có thể hỏng ngay lập tức khi bị các hạt năng lượng cao va chạm. Để giải quyết vấn đề này, các nhà sản xuất đã phát triển các FPGA cấp vũ trụ chống bức xạ, chẳng hạn như dòng sản phẩm vũ trụ của Xilinx và dòng RTG4 của Microsemi. Các chip này sử dụng tính dự phòng, kỹ thuật thiết kế chống chịu và các tính năng tự sửa lỗi để chống lại các sự cố do sự kiện đơn lẻ. Các thử nghiệm đã cho thấy khả năng chịu bức xạ vượt quá 100 krad, cho phép hoạt động trong hơn 15 năm trên quỹ đạo.

Hiệu quả năng lượng là một yếu tố quyết định khác đối với sự thành công của nhiệm vụ. Mỗi watt đều có ý nghĩa quan trọng khi các tàu vũ trụ phải dựa vào các tấm pin mặt trời hoặc máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTG) có công suất hạn chế. Các mạch tích hợp lập trình được (FPGA) thể hiện ưu thế nhờ khả năng thực thi các tác vụ song song, giảm thời gian xử lý và chuyển sang chế độ tiêu thụ điện năng thấp khi không hoạt động. Xe thám hiểm Curiosity của NASA đã ghi nhận mức cải thiện 181% về hiệu quả sử dụng năng lượng nhờ giải pháp tối ưu hóa năng lượng dựa trên FPGA, giúp duy trì hoạt động trên sao Hỏa trong hơn một thập kỷ.

Vai trò của các mạch tích hợp lập trình được (FPGA) đang ngày càng mở rộng trên toàn cầu. Tại Trung Quốc, các FPGA sản xuất trong nước hiện đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị mang theo trên vệ tinh, hệ thống định vị và bộ xử lý dữ liệu trên tàu. Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp FPGA tại Trung Quốc, các thiết bị điện tử vũ trụ hoàn toàn độc lập và có thể điều khiển đang dần trở thành hiện thực, tạo nền tảng cho các chương trình thám hiểm không gian sâu đầy tham vọng.

Trong suốt lịch sử thám hiểm vũ trụ, tên lửa, tàu thăm dò và những khám phá ngoạn mục thường là tâm điểm chú ý, trong khi những anh hùng thầm lặng ẩn mình bên trong các hệ thống điện tử lại ít được để ý. FPGA chính là những anh hùng như vậy. Chúng giúp duy trì sự ổn định của vệ tinh trên quỹ đạo, cho phép các tàu thăm dò liên lạc qua hàng tỷ kilomet và biến những giấc mơ vũ trụ của nhân loại trở nên gần gũi hơn. Khi các sứ mệnh tương lai hướng tới việc xây dựng căn cứ trên Mặt Trăng, định cư trên sao Hỏa và du hành liên hành tinh, khả năng thích ứng và độ bền bỉ của FPGA sẽ tiếp tục là một lực lượng không thể thay thế đằng sau hậu trường của việc thám hiểm vũ trụ.