【衛星與太空】軌道上的大腦革命：解鎖「軟體定義衛星」心臟的太空級晶片 (FPGA & RFSoC)
- Sonya
- 10月12日
- 讀畢需時 7 分鐘
秒懂重點：沒有這項技術，就沒有新世代戰力
過去，一顆衛星從設計、製造到發射，它的功能就被「焊死」了，一顆設計用來轉播電視訊號的通訊衛星，永遠不可能在發射後，透過軟體更新變成一顆高解析度的雷達成像衛星，這就像買了一台只能播放 DVD 的機器，無論軟體如何更新，它永遠無法播放 Netflix。
現在，太空級現場可程式化邏輯閘陣列 (FPGA) 與射頻系統單晶片 (RFSoC) 正在徹底顛覆這個百年規則，這些高度特化的晶片，是新世代衛星的「可重編程大腦」，它們讓衛星營運商與國防單位，能在衛星升空入軌後，僅僅透過一道從地面上傳的指令，就徹底改變衛星的核心功能——這就是「軟體定義衛星」的精髓，沒有這項技術，就不可能實現能自主反制電子干擾的韌性通訊、在軌道上即時分析影像並只回傳關鍵情資的AI偵察，以及能隨市場需求靈活調配資源的商業衛星服務。
關鍵技術白話文：原理與劃時代挑戰
過去的技術瓶頸：為何傳統架構已無法應對威脅？
傳統衛星的酬載 (Payload) 核心，大多是特殊應用積體電路 (ASIC)，ASIC 是一種功能固定的晶片，為了特定任務（例如處理特定頻段的 GPS 訊號）而被「客製化雕刻」出來，它的優點是性能極高、功耗極低，但缺點是致命的——毫無彈性。
這種「硬體定義」的架構，在過去穩定、可預測的太空環境中運作良好，但在今日，它面臨三大無法克服的挑戰：
威脅演進速度：敵方的電子干擾技術每個月都在更新，但要設計、製造、發射一顆採用新 ASIC 的衛星，卻需要 5 到 10 年，等你把「盾牌」送上天時，對手的「長矛」早就升級換代了。
市場變化莫測：一家商業通訊衛星公司，可能在發射一顆服務北美市場的衛星後，發現亞太地區的需求才是爆發性成長的藍海，但傳統衛星無法將其波束覆蓋範圍與頻寬資源，從北美動態轉移至亞洲。
數據傳輸瓶頸：一顆高解析度遙測衛星，每天能產生數 TB (Terabytes) 的原始數據，將這些海量數據全部傳回地面，不僅佔用極其寶貴的下行鏈路頻寬，也意味著地面分析師需要數小時甚至數天，才能從數據海洋中撈出真正有價值的「那張照片」。
核心技術原理是什麼？
FPGA 與 RFSoC 的出現，就是為了解決「彈性」這個核心痛點，它們的設計理念是將硬體的「功能定義權」，從製造階段，後移到使用者的手中。
FPGA (現場可程式化邏輯閘陣列)：如果把 ASIC 比喻成一張已經印死的報紙，那麼 FPGA 就是一塊可以無限次重複擦寫的「數位白板」，它內部由數百萬個可配置的邏輯單元與可編程的佈線資源構成，工程師可以透過撰寫硬體描述語言 (HDL)，來定義這些邏輯單元如何連接、如何運作，從而「畫」出一個客製化的數位電路，最關鍵的是，這張「電路圖」可以隨時被擦掉，然後上傳一張全新的圖，這代表今天這個 FPGA 是一顆通訊訊號處理器；明天，它就能被重新編程為一顆圖像壓縮引擎。
RFSoC (射頻系統單晶片)：這是 FPGA 的超級進化版，專為通訊與感測任務而生，它在一顆晶片上，整合了三樣東西：可重編程的數位白板 (FPGA)、超高速的類比-數位轉換器 (ADC) 與數位-類比轉換器 (DAC)，以及強大的處理器核心 (CPU)；傳統上，這三樣東西是分立的元件，不僅佔空間、功耗高，元件之間的訊號傳輸也容易產生延遲與雜訊。 RFSoC 就像是將一位精通數位邏輯的工程師、一位資深的無線電專家和一位聰明的專案經理，全部塞進一個人的大腦裡，它能以極高的效率，直接對最原始的射頻訊號進行數位化與處理，是實現軟體定義無線電 (SDR) 與相位陣列天線的完美核心。
新一代技術的突破點
這類可重構晶片為太空系統帶來了典範轉移：
任務壽命內的持續升級：衛星的價值不再於發射瞬間達到頂峰，然後隨時間折舊，相反，它能像 iPhone 一樣，透過定期的「韌體更新」，在 15 年的任務壽命中不斷獲得新功能、修補漏洞、提升性能。
從「數據搬運工」到「在軌決策者」：透過強大的星上處理能力，衛星能從被動的數據中繼站，轉變為主動的資訊產生者，在第一時間就做出判斷與反應。
硬體平台的標準化：未來衛星製造商可以開發標準化的衛星平台，其具體任務，則由客戶後續上傳的 FPGA/RFSoC 設定檔來決定，大幅縮短客製化衛星的開發週期。
產業影響與應用
完整實現藍圖：從研發到實戰的挑戰
將這些強大的晶片送入太空並確保其可靠運作，是一項極為艱鉅的工程挑戰。
挑戰一：打造具備認知能力的韌性通訊酬載
在現代電磁對抗中，衛星通訊鏈路是最高價值的攻擊目標，挑戰在於，如何讓衛星具備「認知」能力，能自主偵測、辨識、並反制敵方的干擾訊號。
核心組件與技術要求： 這類任務的成敗，完全繫於抗輻射 RFSoC 的性能，它必須具備極寬的瞬時頻寬 (Instantaneous Bandwidth)，使其能像一部超廣角相機一樣，「看見」整個頻譜的動態，而不是只能透過一根吸管窺探，晶片內建的 FPGA 結構，必須有足夠的運算資源，以即時執行複雜的快速傅立葉變換 (FFT)、數位波束成形 (Digital Beamforming) 等演算法，從而精準地在空間與頻率上，對干擾源產生「零點 (Null)」，確保我方通訊暢通，這對於確保台灣在未來衝突中，維持自主且安全的指揮管制通訊鏈路，具有無可取代的戰略意義。
挑戰二：實現「星上AI」，加速情資循環 (Sensor-to-Shooter)
對於光學或雷達偵察衛星，最大的挑戰是如何從每日拍攝的數百萬平方公里影像中，即時找出價值目標（例如：特定型號的飛彈發射車），並將情資在幾分鐘內傳遞給決策者。
核心工具與技術要求： 太空級 FPGA 或針對 AI 應用優化的神經網路處理器是關鍵，這些晶片的核心指標是能源效率 (TOPS/W，即每瓦可執行多少萬億次操作)，由於衛星上的電力極其有限，每一瓦的功耗都必須被計較，它們必須能在嚴苛的輻射環境下，穩定運行經過裁剪與量化的神經網路模型，直接在軌道上完成圖像辨識、目標分類與變遷偵測等任務，如此一來，衛星不再需要回傳 99% 的無用影像，而是直接發送「在某某座標發現疑似目標」的警報，將情資循環從數小時壓縮至數分鐘。
挑戰三：在地表最嚴酷的環境中確保絕對可靠
太空是電子產品的地獄，高能宇宙射線與太陽粒子，能輕易地穿透晶片，造成單粒子效應 (Single Event Effects, SEE)，輕則導致數據位元翻轉 (SEU)，產生計算錯誤，重則可能引發單粒子閂鎖 (SEL)，造成晶片永久性燒毀。
核心工具與技術要求： 除了採用特殊的抗輻射加固設計 (RHBD) 的晶圓製程外，更重要的是在晶片設計層面導入冗餘機制，最經典的就是三模冗餘 (Triple Modular Redundancy, TMR)，同一個邏輯運算，會在 FPGA 內部複製三份同時執行，最後再透過一個「表決器」來決定輸出結果，如果其中一份因輻射而出錯，表決器會採納另外兩份的正確結果，從而「屏蔽」了這個錯誤，這種犧牲面積與功耗來換取可靠性的設計哲學，是確保這些「太空大腦」能在軌道上長年穩定運作的基石。
應用為王：哪些太空任務的命脈掌握在它手中？
軟體定義通訊衛星： 商業公司如 Intelsat、SES，以及美國太空軍的軍規通訊衛星，都已大量採用，以實現最大的任務彈性。
情監偵 (ISR) 衛星： 在軌 AI 處理，實現了戰術級的即時情報能力。
導航與授時 (PNT) 衛星： 可重構的訊號處理器，能快速升級訊號編碼方式，以對抗新型的欺騙或干擾攻擊。
在軌服務與太空機器人： 複雜的自主交會對接 (Rendezvous and Docking) 與機器手臂操作，極度依賴 FPGA 進行即時的影像辨識與路徑規劃。
前瞻未來：技術普及的挑戰與下一波趨勢
未來的趨勢是異構計算平台的興起，例如 AMD/Xilinx 的 Versal ACAP 這樣的晶片，它將 CPU（擅長控制流程）、FPGA（擅長平行處理）、AI 引擎（擅長神經網路運算）三者「黏」在一顆晶片上，讓開發者能各取所長，然而，挑戰也隨之而來：如何管理如此複雜的軟硬體系統？如何確保上傳至衛星的軟體是安全、無後門的？這些將是下一代太空系統工程師的核心課題。
投資視角：為何「賣太空鏟」的生意值得關注？
正如前文所述，投資於賦能技術，往往比押注單一應用更為穩健，在「軟體定義衛星」這個賽道上，設計與製造抗輻射、高效能、可重構晶片的公司，構建了極高的技術壁壘，全球僅有少數幾家公司（如 AMD/Xilinx, Microchip, BAE Systems, Teledyne e2v）具備提供這類頂級產品的能力。
這些公司是整個太空產業的「軍火商」與「大腦供應商」，不論是國防單位要打造下一代天軍，還是商業巨頭要部署更靈活的通訊星系，都離不開這些核心晶片，它們的價值，植根於太空產業對「彈性」、「智慧」與「韌性」的根本性追求，因此，對於著眼於太空供應鏈長期價值的投資者而言，這些處於金字塔頂端、掌握核心矽智財的公司，其戰略重要性不言而喻。
