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Teledyne e2v ARM耐輻射微處理器為太空/衛(wèi)星平臺計算帶來革命性變化

發(fā)布時間:2020-12-30 責任編輯:lina

【導讀】太空飛行系統(tǒng)在過去的60年里經歷了快速的發(fā)展。從軍事,到氣象,到地球觀測,再到電信(特別是隨著5G網絡的全球發(fā)展),一個技術問題貫穿始終——如何選擇和實現一款快速、可靠的宇航級微處理器。其基本要求包括計算能力/速度、尺寸、重量、功耗和成本,以滿足耐輻射太空/衛(wèi)星發(fā)展的挑戰(zhàn)和適應性。
 
摘要
太空飛行系統(tǒng)在過去的60年里經歷了快速的發(fā)展。從軍事,到氣象,到地球觀測,再到電信(特別是隨著5G網絡的全球發(fā)展),一個技術問題貫穿始終——如何選擇和實現一款快速、可靠的宇航級微處理器。其基本要求包括計算能力/速度、尺寸、重量、功耗和成本,以滿足耐輻射太空/衛(wèi)星發(fā)展的挑戰(zhàn)和適應性。未來最先進的密集計算需要下一代的COTS(商用貨架產品)宇航級耐輻射處理器,而Teledynee2v的"LS1046-Space"四核ARM®Cortex®-A72微處理器將為未來幾十年的太空/衛(wèi)星發(fā)展的密集計算需求帶來革命性的變化。NXPQorIQ®LS1046的GHz級高性能數據處理能力(30KDMIPS@1。8GHz)、天然高速接口和便利的軟件編程(和重配置能力),以及Teledynee2v經過驗證的耐輻射技術,使其成為用于智能密集計算太空/衛(wèi)星平臺的最合適的器件。
 
傳統(tǒng)太空與新太空:性能和實用性的最前沿
 
“新太空”指的是最近正在進行的太空發(fā)展的商業(yè)化。太空/衛(wèi)星的研發(fā)團隊必須選擇和實現耐輻射電子器件,并結合最新的最先進的COTS技術,以在性能和實用性之間獲得平衡。在消費電子產品(游戲、手機、可穿戴設備和物聯網)快速崛起之前,政府/軍用電子占半導體工業(yè)產出的很大比例。這導致軍事和航天機構對正在開發(fā)的新產品的類型和制造工藝有很大的影響。現在,這種情況已不復存在,因為軍事和航天市場的規(guī)模(與商業(yè)市場相比)并不大,不能吸引半導體供應商的大量投資。這使得宇航/衛(wèi)星的研發(fā)團隊必須測試和篩選之前作為COTS集成電路開發(fā)的器件,并用于宇航項目中。
 
宇航/衛(wèi)星的發(fā)展包含兩種基本的設計方法:
 
1。傳統(tǒng):使用故障率非常低、價格高昂的防輻射(rad-hard)的專用半導體,這些器件通常沒有使用最新的技術2。新太空:更關注保證任務功能,愿意使用耐輻射(rad-tol)的COTS器件,這些器件使用最新的技術,性能卓越
 
鑒于絕大多數的新太空衛(wèi)星都在近地軌道(LEO)上運行,其輻射環(huán)境不會非常極端,出現災難性輻射故障的風險也較低(LEO是距地球300km到1000km之間的軌道)。因此,這兩種設計方法(傳統(tǒng)和新太空)開始融合,使太空/衛(wèi)星的開發(fā)除了傳統(tǒng)的防輻射、密封陶瓷封裝之外,開始接受一些耐輻射、非密封的有機封裝產品。在過去的幾十年里,在傳統(tǒng)防輻射器件成本上升的背后有很多推動因素:
1。防輻射設計(包括SOI工藝等)
2。點屏蔽
3。錯誤糾正碼(ECC)存儲器
4。三模冗余(TMR)等
 
近年來,人們也在努力通過使用創(chuàng)新的防輻射技術、大批量的商業(yè)晶圓加工以及諸如ARM微處理器(例如:LS1046-Space),降低傳統(tǒng)防輻射器件的成本。這些可被用于密集計算的耐輻射平臺系統(tǒng)。最先進的計算能力和耐輻射的可靠性促進傳統(tǒng)太空開發(fā)與新太空開發(fā)的融合(見下面的圖1)。
 
Teledyne e2v ARM耐輻射微處理器為航天計算帶來革命性進展
 
當然,影響宇航電子系統(tǒng)的總體成本和可靠性的另一個主要因素是軟件。若能使用最新的商業(yè)軟件開發(fā)工具,將對開發(fā)宇航/衛(wèi)星平臺帶來極大的好處。在創(chuàng)建并驗證了可靠的軟件模塊之后,若能重用這些模塊,也會非常有利于開發(fā)。特別是新太空領域,已經顯露出一種使用軟件可編程架構的趨勢,這種架構可以非常迅速地開發(fā)、調整和重用。這減少了產品的開發(fā)時間,并通過重用已知的良好的軟件模塊提高了可靠性。
 
衛(wèi)星的研發(fā)也可按照小衛(wèi)星和大衛(wèi)星分為兩類。隨著技術的進步,小衛(wèi)星為太空服務和應用提供了一個低成本的框架,其更輕的重量便于發(fā)射,設計成本低廉,允許將任務分解。小衛(wèi)星是在很短的時間內利用最先進的COTS技術建造的,可實現復雜的功能,同時減小對復雜機制和可部署結構的依賴。立方體衛(wèi)星的發(fā)展體現了太空商業(yè)化的明顯特征。它的主要目的是為小型衛(wèi)星定義一個標準的機械接口和部署系統(tǒng)。立方體衛(wèi)星(1U)的基本結構是一個10cm寬、質量可達1。3kg的立方體,可以自主工作。因此,更大尺寸(10x10x20cm,10x10x30cm,10x20x30cm,20x20x30cm)的立方體衛(wèi)星(2U,3U,6U,12U)可以采用類似的結構實現。這些小衛(wèi)星的研發(fā)成本很低,足以吸引越來越多的客戶的興趣,包括宇航局、新太空私營公司和研究所。
 
目前,新太空的設計方法的趨勢是將立方體衛(wèi)星用于低成本的宇航服務和任務。相對于載荷,立方體衛(wèi)星可以執(zhí)行的任務范圍是一個重要的問題。立方體衛(wèi)星在重量和體積方面有嚴格的限制。因此,如何改進傳統(tǒng)的載荷,使其可以被集成在立方體衛(wèi)星中,是一個很大的挑戰(zhàn)。在討論立方體衛(wèi)星的載荷適配問題時,必須考慮下面的兩個關鍵因素:
 
1. 電子小型化: 用較少的微處理器滿足整個系統(tǒng)的計算要求,同時功耗低、重量輕
 
2. 成本: 建造和發(fā)射多顆立方體衛(wèi)星比建造帶有冗余平臺的單一載荷大空間架構(LSS)便宜
 
實現密集計算太空/衛(wèi)星平臺和服務
 
當今全球驅動的經濟和環(huán)境市場對密集計算太空/衛(wèi)星平臺和服務要求更高的自主性和更高的定位精度。這需要耐輻射密集計算微處理器和防輻射微控制器(圖2),以及可用的人工智能(AI)和機器語言(ML)軟件。此外,對小型彗星和小行星的高精度空間定位,月球和行星的進入、降落和著陸(EDL),以及與合作和非合作目標的會和和接近操作(RPO)都需要基于視覺的軟件和硬件系統(tǒng)提供的傳感和感知能力。如前所述,之前這類技術幾乎完全是采用“傳統(tǒng)方法”開發(fā)的。但是現在,新太空/私營公司也在積極推動基于視覺的技術的發(fā)展,如自主衛(wèi)星服務、登月、基于視覺的AI和機器學習。
 
Teledyne e2v ARM耐輻射微處理器為航天計算帶來革命性進展
 
隨著人工智能(AI)和機器語言(ML)軟件的開發(fā)越來越容易,能夠滿足必要的密集計算負載需要的可靠的耐輻射微處理器(LS1046-Space)變得必不可少。單個智能密集計算衛(wèi)星平臺也可成為新的太空星座(或衛(wèi)星群、衛(wèi)星簇)的一個組件。傳統(tǒng)和新太空的設計方法不斷提出分布式架構,使宇航產業(yè)發(fā)生了巨大的變化。在衛(wèi)星群和衛(wèi)星簇中實現的分布式宇航系統(tǒng)(DSS),將提升可重新配置的能力,提高靈活度、升級能力、響應度,并適應結構和功能的變化。基于小航天器的大衛(wèi)星群可在任務運行的時候升級或替換有缺陷的部件,增強任務的自主性。衛(wèi)星群和衛(wèi)星簇的DSS包含一系列自主衛(wèi)星,這些衛(wèi)星的任務相同,并需要通過通信和協(xié)作來實現這個任務。在衛(wèi)星簇中,衛(wèi)星以緊密的編隊運行,人們需要精確地觀察和控制衛(wèi)星的位置和姿態(tài),以協(xié)調它們的行動。
 
除了衛(wèi)星網絡自動化(衛(wèi)星群和衛(wèi)星簇星座)之外,由于全球移動設備和無線接入的應用,即將到來的綜合5G衛(wèi)星網絡也將在規(guī)模和復雜度方面顯著增加。在大多數情況下,由于復雜的環(huán)境和太多的不確定性,很難找到合適的陸地–衛(wèi)星網絡管理模型。對于這樣的開發(fā),研發(fā)快速、高質量的分析模型并不總是可行的選擇。因此,隨著“傳統(tǒng)的”網絡管理的測試和驗證方法的復雜性和可靠性的要求不斷提高,研發(fā)工作將是一件具有挑戰(zhàn)性、耗時并耗資的工作。網絡運營商越來越不愿意在未測試/未優(yōu)化的情況下部署復雜的衛(wèi)星電信網絡。而具有密集計算能力、自我優(yōu)化和自我組織能力,采用AI和ML技術的智能衛(wèi)星,非常適合這種復雜的應用。
 
電信、數據采集/服務和地球觀測
 
衛(wèi)星電信正在進行創(chuàng)新發(fā)展,在新星座類型、星上處理能力、非地面網絡和天基數據采集/處理等領域發(fā)展迅速。一些最有前途的應用正在開發(fā)中:5G集成、空間通信、地球觀測、航空和海洋跟蹤和通信。此外,基于互聯網的應用也正在開發(fā)中,其更關注用于數據服務(包括寬帶數據)的航天級系統(tǒng)的設計。數據采集和服務通常用來:
 
1。以流媒體代替線性媒體廣播
 
2。迫切需要將寬帶覆蓋擴展到服務不足的地區(qū)(例如發(fā)展中國家、航空/海洋、農村等)
 
此外,5G集成的一個重要里程碑是多種有線和無線技術的融合。在這方面,衛(wèi)星電信的發(fā)展使得利用智能/自適應衛(wèi)星核心密集計算微處理器,針對特定應用的集成變?yōu)榭赡堋?/div>
 
Teledyne e2v ARM耐輻射微處理器為航天計算帶來革命性進展
 
新星座配置(傳統(tǒng)的GEO衛(wèi)星)主要用于衛(wèi)星通信,因為其可避免終端和衛(wèi)星收發(fā)機之間的快速移動,并允許使用單個衛(wèi)星進行廣泛覆蓋。人們也專門開發(fā)了多波束衛(wèi)星系統(tǒng),以便在覆蓋區(qū)域里實現有效的頻率復用和高吞吐量寬帶速率,類似于地面蜂窩網絡。此外,由于先進的通信技術和低發(fā)射成本的驅動,新星座配置也在開發(fā)中。在這個方面,人們有很大的興趣研發(fā)大型LEO星座,以提供低延遲的大吞吐量寬帶服務。星上處理能力一直是高級衛(wèi)星電信發(fā)展的瓶頸。大多數的衛(wèi)星作為中繼運行,主要用于轉換、放大和轉發(fā)通信信號,因此星載微處理器需要高速DMIPS處理能力。由于衛(wèi)星進入軌道后無法修復或更換,星載微處理器和相應的技術必須是快速、超可靠和耐輻射的。最近的計算效率技術的發(fā)展以及新的數字處理器件(如Teledynee2v的LS1046-Space四核ARM®Cortex®-A72微處理器)允許增強的星上處理,可用于創(chuàng)新的通信技術,如靈活路由/信道化、波束形成、自由空間光學甚至是信號再生。LS1046-Space的四核架構采用3路無序解碼、Speculativeissue和超標量管線技術。
 
此外,使用可用的ARM軟件模塊,LS1046-Space能夠完全滿足星上電信的處理的需求,也支持在衛(wèi)星生命周期里升級。在地面物聯網機器/傳感通信方面,盡管該技術采用了低成本的復雜傳感器/執(zhí)行器,全球傳感器的絕對數量將產生可觀的通信流量,從而對未來的空間通信網絡產生巨大影響。因此,未來的衛(wèi)星需要通過回程技術卸載地面網絡的工作,或僅在地面網絡無法達到的時候保證服務的連續(xù)性。這個特殊的應用可根據衛(wèi)星支持的項目和物聯網傳感器在地面上的分布方式來分類。例如:“廣域”物聯網服務分布在廣闊的區(qū)域,并由中央服務器控制匯報信息。衛(wèi)星可發(fā)揮“廣域”作用的典型應用包括:
 
1。能源:對石油/天然氣基礎設施(如管道狀態(tài))的關鍵監(jiān)視
 
2。交通:車隊管理、資產跟蹤、數字標牌、遠程道路警報
 
3。農業(yè):牲畜管理、養(yǎng)殖
 
4。本地物聯網服務:這類應用中的物聯網設備用于采集本地數據并報告給中央服務器。典型的應用包括智能電網子系統(tǒng)(高級計量)或車載移動平臺服務(如貨輪、卡車或火車上的集裝箱)
 
5。航空和海事跟蹤與通信:這些系統(tǒng)通常和其他類型的設備對設備(D2D)通信和物聯網有相似之處。這些相似之處包括低數據率、通信的偶發(fā)性和協(xié)議的簡單性。
 
空間防御和網絡安全
 
世界各地的國防部和國防機構都從傳統(tǒng)和新太空的商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)展中受益。這些機構已經發(fā)現使用商業(yè)衛(wèi)星 “托管”他們的傳感器和/或通信包可以更快、更經濟地實現在軌能力。通過與商業(yè)公司分擔開發(fā)、發(fā)射和地 面系統(tǒng)的費用,能大大降低成本。使用托管的載荷也可幫助促進在軌的“載荷擴散”,使對手難以摧毀整個系 統(tǒng)。隨著商業(yè)電信衛(wèi)星數量的迅速增加,國防機構能夠開發(fā)用于空中和海上的防空應用的互聯網戰(zhàn)術網絡。
 
“托管”背后的想法是簡單地利用正在開發(fā)的商業(yè)通信衛(wèi)星星座,以降低國防成本,并提高可靠性和數據吞吐 量。例如,在這一領域的許多核心項目中,國防機構正在開發(fā)利用持續(xù)可用的大帶寬、超視距通信技術,在各 種固定和移動的操作位置之間無縫轉移和共享數據的能力。這種新能力被稱作“路徑無關通信”,因為它使軍 事用戶能夠可靠地與世界上的任何地點通信,無需特別規(guī)定使用通訊網絡的某個節(jié)點。由于以商業(yè)衛(wèi)星為基礎 的商業(yè)空間互聯網的不斷發(fā)展,研發(fā)路徑無關的通信系統(tǒng)變?yōu)榭赡堋H缜八觯虡I(yè)宇航/衛(wèi)星公司計劃建立 由數百至數千顆衛(wèi)星組成的太空互聯網星座,從而促進全球互聯網服務的發(fā)展。隨著宇航發(fā)展的技術和成本障 礙逐漸減少,更多的國防機構和商業(yè)公司在衛(wèi)星建設、太空發(fā)射、太空探索和載人航天方面廣泛合作。雖然這 些進步創(chuàng)造了新的機會,但是空間服務也顯現了新的風險。某些國防機構在了解到太空行動的優(yōu)勢后,轉而發(fā) 展威脅其他國防機構利用太空的能力。這種能力包括太空行動和反太空系統(tǒng),如干擾和網絡空間的能力等。 在國防和網絡安全方面,NSA的一個例子是機密行動的商業(yè)解決方案(CSfC)。CSfC允許開發(fā)人員在如何設 計和組織機密/敏感數據方面具有更大的靈活性,同時依然保持較高的IT安全標準。與強制使用政府現貨(GOTS) 設備不同,CSfC 使開發(fā)者能夠利用商用貨架產品(COTS)和微處理器構建替代的解決方案,從而為網絡安全提 供更大的技術靈活性(如Teledyne e2v的LS1046-Space四核ARM® Cortex® -A72微處理器)。CSfC解決方案必 須符合一套嚴格的安全要求,例如,希望發(fā)送和接收移動數據(包括語音和視頻電話)的用戶需要使用雙VPN 隧道加密數據。通過CSfC構建的雙VPN隧道將快速創(chuàng)建解決方案,并具有更強的計算能力和更高的可靠性。
 
空間級應用的人工智能和機器學習
 
面對日益復雜、變化的環(huán)境,為了適應不斷變化的系統(tǒng)需求,太空/衛(wèi)星網絡繼續(xù)朝著自動化和自主運行的方向 發(fā)展。系統(tǒng)內部對“智能”和“密集計算”的需求也在呈指數級增長。下面是關于系統(tǒng)級智能的設計和發(fā)展的 一些基本術語:
 
1. AI: 人工智能。計算機執(zhí)行需要人類智能的任務。
2. ML: 機器學習。一種AI的應用程序,提供輸入以自動訓練計算機模型如何工作。學習通常是通過一個“訓練” 模型的應用來監(jiān)管的,被稱作“推理”。利用群集分析,學習也可在無監(jiān)管的情況下進行。
3. NN: 神經網絡。一類ML算法,既可以是CNN(卷積),也可以是RNN(遞歸)。
4. DL: 深度學習。使用大神經網絡的ML。
5. CV: 計算機視覺。計算機中用于感知圖像的技術。
 
根據以上定義,AI和CV之間的層級結構是顯而易見的。密集計算“并行”處理,與“分層”處理,都是微處理 器和軟件所需要的。所需的軟件算法在開發(fā)完成后,將在產品硬件上驗證和實現。這一過程由于需要優(yōu)化星上 處理資源而變得復雜,而星上處理資源又受到能夠用于惡劣太空輻射環(huán)境下的密集計算硬件的可用性的限制。 作為這種優(yōu)化的一部分,部分算法通常分布于FPGA和各種計算機處理器之間。劃分這些功能增加了設計的復雜 度和所需的工程“模塊”的數量。
 
航天工業(yè)已經注意到了這些問題。雖然用于計算機視覺的人工智能和機器學習的天基部署還處于發(fā)展階段,各個 組織已經在地面部分的生產系統(tǒng)中采用了機器學習技術。最初的主要發(fā)展是地基航天器健康監(jiān)測和地理空間分 析。為了降低運營成本,大型的衛(wèi)星運營商一直致力于推動將機器學習用于飛行器的健康監(jiān)測。這些運營商可以 從一個控制中心監(jiān)測多個衛(wèi)星。如有需要,工程師能對錯誤和故障做出反應。工程師負責監(jiān)測衛(wèi)星的健康狀況, 并可以借助機器學習的幫助進行趨勢分析。通過使用機器學習模型來補充,而不是取代控制中心里負責根據新信 息采取行動的工程師,可保證低風險水平。運營商在數據中心處理的航天器遙測數據可用于訓練算法,在某些情 況下,這種算法能夠先于人類分析出發(fā)展的趨勢,減少了實時遙測數據對人眼的需求。不斷發(fā)展的技術和逐步積 累的知識正在提高航天產業(yè)對機器學習的接收程度,并可能用于未來的高度自主航天器的機器學習。
 
由于光學圖像技術的應用,地理空間分析(或處理成像衛(wèi)星提供的地球遙感數據)提供了使用密集計算和機器學 習的另一個機會。地理空間分析的機器學習支持星載處理,通過選擇要傳輸到地面的相關數據,減少了所需的下 行鏈路帶寬。下行鏈路帶寬的減少是一個關鍵的優(yōu)點,因為可用的頻帶正變得越來越擁擠,越來越昂貴。此外, 不斷提高的處理需求使得手工編寫算法代碼變得異常困難。機器學習非常適合需要處理大量數據的應用,如農業(yè) 景觀分類、農作物產量規(guī)劃、商場停車場汽車的檢測和分類等。
 
LS1046-Space微處理器包含四個64位ARM® Cortex® -A72的核心和包處理加速以及高速外設,可完成空間級 AI、ML和數據處理(如上所述)所需的密集計算。 LS1046-Space采用QorIQ系列的最新的Layerscape(LS)架構,包含數據路徑加速架構(DPAA)提供的功能, 可在軟件或硬件中實現。Layerscape架構是一種可編程的數據平面引擎網絡架構,提供了先進的高性能數據路 徑和網絡外設接口。LS1046還包含一個加密引擎,在安全通信和國防應用中非常有用。通過機器學習軟件, LS1046-Space能夠學習、推理和適應,以在面臨最小延遲和帶寬的挑戰(zhàn)的時候實時做出決策。
 
TELEDYNE LS1046-SPACE的性能特點和QLS1046-4GB-SPACE
 
Teledyne e2v是經過宇航認證的防輻射器件制造商,最近發(fā)布了一款微處理器LS1046-Space。原始的LS1046 是NXP 64位ARM® Layerscape系列的一款產品,實現了四核Arm® Cortex® A72的設計,用盡可能小的尺寸提 供了無與倫比的性能, 同時使用戶可以使用與Arm® 技術兼容的龐大的軟件服務、應用程序和工具的生態(tài)系統(tǒng)。 Teledyne e2v的LS1046-Space 是一款1.8GHz的處理器,集成了包處理加速和高速外設,具有高性能的架構 和業(yè)內領先的計算密度。LS1046-Space的計算性能超過45,000 CoreMarks® ,帶有雙路10Gb以太網、PCIe Gen3、SATA Gen3等接口,適合用于一系列高可靠性 的空間應用。此外,作為Teledyne e2v半導體生命周 期管理計劃(SLiM™)的一部分,這款器件的生命周期長達15年,避免了器件過時的問題。
 
Teledyne e2v ARM耐輻射微處理器為航天計算帶來革命性進展
 
NXP市場經理Altaf Hussain表示:“在航天和國防行業(yè),我們看 到了一個新的64位Arm® 產品發(fā)展趨勢,即Teledyne e2v使用我 們的Layerscape商業(yè)處理器技術制造的高等級器件。我們相信 Teledyne e2v的客戶不僅能利用這些器件的先進計算性能,還可 使用支持Arm® 的生態(tài)系統(tǒng),為系統(tǒng)設計創(chuàng)造新的可能性。” Teledyne e2v的產品系列包括眾多基于PowerPC® 的處理器,如NXP QorIQ® P系列和T系列,甚至更古老的PowerQUICC® 器件。客戶 可以繼續(xù)使用Power架構的軟件和應用,Teledyne e2v也會繼續(xù)基于NXP的新技術(如ARM® )研發(fā)新的解決方 案。客人可以移植到基于ARM® 的解決方案,也 可使用NXP的Power® 的解決方案開始新的設計。 LS1046-Space也將被集成到Teledyne e2v最新 的Qormino® 計算模塊QLS1046-4GB-Space中, 其包含一片4GB耐輻射的DDR4存儲器和一片 LS1046,如右圖所示。
 
 Teledyne e2v ARM耐輻射微處理器為航天計算帶來革命性進展
 
結語
 
目前,由于對密集計算微處理器的需求,航天飛行系統(tǒng)的設計正進入一個關鍵的發(fā)展階段。人工智能和機器語 言算法的發(fā)展和普及,以及先進的基于互聯網的應用和服務的發(fā)展,加速了寬帶、高速、超可靠、低延遲通訊 的發(fā)展,其應用領域包括:軍事、氣象、地球觀測和電信(特別是隨著5G網絡在全球的發(fā)展)。每一個太空/ 衛(wèi)星設計的核心都是對獨立可靠的宇航級耐輻射微處理器的需求,這種微處理器的計算能力、速度、可靠性必 須滿足這些“全球”太空/衛(wèi)星發(fā)展的需要。Teledyne e2v的LS1046-Space四核ARM® Cortex® -A72微處理器 將為未來幾十年的智能密集計算太空/衛(wèi)星的發(fā)展帶來革命性的變化。利用GHz級高性能數據處理(30K DMIPS @ 1.8GHz),結合方便的軟件編程(和重配置的能力),以及無與倫比的耐輻射宇航質量測試流程, Teledyne e2v的LS1046-Space微處理器加速了密集計算太空/ 衛(wèi)星的開發(fā)并使在軌實時重配置變?yōu)榭赡堋?/div>
 
 
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