Tecnologia embedded per la sicurezza quantistica nello spazio: una piattaforma custom basata su BORA XPress

Nel settore aerospace e delle comunicazioni avanzate, la disponibilità di piattaforme elettroniche affidabili, personalizzabili e pronte per essere integrate in architetture complesse rappresenta un fattore determinante per il successo di un progetto. Quando un innovativo programma europeo dedicato alle comunicazioni quantistiche ha richiesto una soluzione hardware ad alte prestazioni, l'obiettivo era chiaro: concentrarsi sullo sviluppo delle tecnologie distintive dell'applicazione, demandando a un partner specializzato la progettazione e la validazione dell'elettronica di supporto.

Per rispondere a questa esigenza, DAVE Embedded Systems ha sviluppato una piattaforma custom basata sulla SOM BORA XPress, progettata per fornire tutta la potenza di elaborazione, le interfacce e l'affidabilità necessarie per supportare applicazioni avanzate nel settore delle comunicazioni sicure.

La sfida

Le nuove tecnologie di distribuzione quantistica delle chiavi crittografiche (Quantum Key Distribution, QKD) stanno ridefinendo il concetto stesso di sicurezza delle comunicazioni.

Questi sistemi consentono infatti di generare e distribuire chiavi crittografiche sfruttando proprietà fondamentali della meccanica quantistica, rendendo immediatamente rilevabili eventuali tentativi di intercettazione.

Per portare tali tecnologie in contesti mission critical e, in prospettiva, anche in applicazioni spaziali, era necessario disporre di una piattaforma elettronica caratterizzata da:

• elevata capacità di elaborazione;
• numerose interfacce digitali e analogiche;
• sincronizzazione precisa dei segnali;
• robustezza operativa;
• architettura scalabile e facilmente aggiornabile;
• tempi di sviluppo contenuti.

Piuttosto che investire risorse interne nella progettazione hardware completa della scheda, il cliente ha scelto di affidarsi a DAVE per accelerare il percorso verso il prodotto finale.

La soluzione DAVE

Il cuore della piattaforma è rappresentato dalla SOM BORA XPress, un System on Module ad alte prestazioni che integra processore dual-core ARM Cortex-A9 e FPGA Xilinx Zynq, offrendo in un unico componente sia capacità di elaborazione software sia elevata flessibilità hardware.

Partendo da questo modulo, il team di progettazione DAVE ha sviluppato una carrier board completamente personalizzata, studiata per soddisfare i requisiti specifici del progetto.

L'attività ha incluso:

Architettura hardware

• definizione dell'architettura generale del sistema;
• analisi dei requisiti funzionali;
• scelta delle interfacce e della componentistica;
• allocazione delle risorse FPGA e dei segnali di I/O.

Progettazione elettronica

• sviluppo dello schema elettrico completo;
• integrazione dei circuiti di alimentazione;
• gestione dei clock ad alta precisione;
• progettazione delle interfacce analogiche e digitali;
• predisposizione delle connessioni dedicate agli apparati esterni.

Layout PCB

• progettazione multilayer ad alta densità;
• gestione dei segnali ad alta velocità;
• ottimizzazione delle impedenze controllate;
• verifica dei vincoli EMC e di integrità del segnale.

Prototipazione e validazione

• realizzazione dei prototipi;
• bring-up hardware;
• test funzionali;
• validazione delle interfacce;
• supporto all'integrazione software e FPGA.

Grazie a questo approccio, il cliente ha ricevuto una piattaforma già pronta per essere utilizzata come base del proprio sistema finale.

Cosa fa la scheda

La piattaforma realizzata da DAVE costituisce il nucleo di elaborazione di un sistema dedicato alle comunicazioni quantistiche sicure.

La scheda:

• gestisce algoritmi di comunicazione e sicurezza;
• coordina le interfacce verso i sottosistemi ottici e di acquisizione;
• controlla i processi di sincronizzazione;
• raccoglie e distribuisce dati provenienti dai dispositivi esterni;
• elabora informazioni in tempo reale tramite la combinazione di CPU e FPGA;
• fornisce connettività Ethernet e interfacce dedicate per sistemi complessi.

L'integrazione del processore ARM e della logica programmabile FPGA consente di suddividere efficacemente le attività tra software e hardware, migliorando prestazioni ed efficienza energetica.

Questa architettura risulta particolarmente indicata in tutti quei contesti in cui sia necessario elaborare grandi quantità di dati con latenze estremamente ridotte e mantenendo elevati standard di affidabilità.

Il valore aggiunto della SOM BORA XPress

L'utilizzo della SOM BORA XPress ha permesso di accelerare significativamente il progetto.

Rispetto ad una progettazione completamente custom basata direttamente sul SoC, il modulo DAVE mette infatti a disposizione:

• hardware già collaudato e validato;
• gestione DDR e alimentazioni già integrate;
• riduzione del rischio progettuale;
• tempi di sviluppo ridotti;
• semplificazione della fase di industrializzazione;
• maggiore facilità di manutenzione e aggiornamento.

In questo modo il cliente ha potuto focalizzare gli investimenti sul proprio know-how distintivo anziché sulla complessità dell'elettronica embedded.

Perché affidarsi a DAVE

Uno degli aspetti più importanti del progetto è stato proprio consentire al cliente di concentrarsi esclusivamente sul proprio vantaggio competitivo.

Mentre DAVE si occupava della progettazione elettronica, della validazione e dell'integrazione della piattaforma hardware, il team del cliente ha potuto dedicare tutte le proprie risorse a:

• sviluppo degli algoritmi proprietari;
• innovazione dei sottosistemi quantistici;
• validazione delle funzionalità applicative;
• attività di ricerca e sviluppo ad alto valore aggiunto.

Questo approccio ha portato benefici concreti:

Riduzione del time-to-market

L'utilizzo di una SOM consolidata e di un partner esperto ha ridotto significativamente i tempi complessivi del progetto.

Riduzione del rischio

La disponibilità di una piattaforma già validata ha limitato le problematiche tipicamente associate allo sviluppo hardware da zero.

Maggiore efficienza del team

Gli specialisti del cliente hanno potuto dedicarsi esclusivamente agli aspetti innovativi dell'applicazione.

Supporto tecnico verticale

DAVE ha fornito competenze complete che spaziano dalla progettazione elettronica allo sviluppo Linux embedded, FPGA e software di basso livello.

Scalabilità futura

La modularità della soluzione permette di evolvere il sistema nel tempo mantenendo la stessa architettura di base.

Dall'idea al sistema operativo

Questo progetto rappresenta un esempio concreto di come una piattaforma embedded modulare possa accelerare la realizzazione di sistemi altamente innovativi anche nei contesti tecnologicamente più avanzati.

Grazie alla combinazione tra la SOM BORA XPress e l'esperienza di DAVE nella progettazione elettronica custom, il cliente ha potuto trasformare rapidamente requisiti complessi in una piattaforma reale, validata e pronta per l'integrazione.

Per aziende impegnate nello sviluppo di tecnologie all'avanguardia, il vero valore non consiste soltanto nell'hardware fornito, ma nella possibilità di dedicare tempo e risorse a ciò che rende unico il proprio prodotto, lasciando ad un partner specializzato la gestione dell'intera infrastruttura embedded.

In questo modo l'innovazione accelera, i rischi diminuiscono e il percorso verso il mercato diventa più rapido e sostenibile.