Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Воскресенье, 15 декабря
 
 


Это интересно!

Ранее

Аппаратное обеспечение системы ProVision фирмы JTAG Technologies

В тринадцатой статье цикла «Основы технологии граничного сканирования и тестопригодного проектирования» авторы предлагают обзор аппаратных средств системы ProVision фирмы JTAG Technologies, предназначенных для сопряжения с JTAG-тестируемыми печатными платами (ПП) и узлами.

Пути снижения энергопотребления во встраиваемых приложениях на базе DSP и FPGA

Бурное развитие портативных устройств и, в тоже время, рост требований к их производительности и функциональности, ставят перед разработчиками встраиваемых систем задачу повышения энергоэффективности используемых решений. В статье представлен обзор методов оптимизации энергопотребления систем на базе DSP и FPGA, рассмотрены особенности архитектуры DSP и FPGA с малой потребляемой мощностью, решения на их базе, а также использование программных инструментов для анализа и минимизации энергопотребления встраиваемых приложений.

Микросхемы NVRAM серий TimeKeeper и ZeroPower компании STMicroelectronics

STMicroelectronics является одним из ведущих в мире производителей микросхем NVRAM c объемами памяти 16 Кбит…32 Мбит. Cемейство M48 NVRAM STM с параллельным интерфейсом представлено двумя сериями: ZEROPOWER и TIMEKEEPER. ZEROPOWER — название серии микросхем ST NVRAM без встроенных часов реального времени (M48Zxxx). TIMEKEEPER — название ST микросхем NVRAM со встроенным модулем RTC (M48Txxx).

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

3 января

Микропроцессоры для космических применений

В статье дается обзор зарубежных и отечественных микропроцессоров, устойчивых к воздействующим факторам космического пространства.




1. Введение

Эксплуатация интегральных схем (ИС) и микропроцессоров, в частности, на борту космического аппарата, характеризуются наличием радиационных факторов космического пространства, воздействующих на интегральные схемы и меняющие их свойства, вплоть до вывода их из работоспособного состояния. Источником радиационного воздействия являются потоки заряженных частиц — электронов, высокоэнергетических протонов (ВЭП) и ионов различных элементов, вплоть до урана, называемых также тяжелыми заряженными частицами (ТЗЧ). По своему происхождению, частицы разделяются на протоны и электроны естественных радиационных полей Земли (ЕРПЗ); протоны и ионы от Солнца, т.н. солнечные космические лучи (СКЛ); протоны и ионы из внешнего космического пространства, т.н. галактические космические лучи (ГКЛ).
Воздействие потоков заряженных частиц на элементы ИС может вызвать следующие эффекты.
1. Эффекты полной поглощенной дозы (Total Ionizing Dose, TID), выражающиеся в том, что проходящие сквозь кремний микросхемы заряженные частицы вызывают ионизацию, приводящую к постепенной деградации параметров ИС, таких как статические токи утечки, уровни входных сигналов, пороги переключения и пр.
2. Эффекты одиночных сбоев (Single Event Upset, SEU), выражающиеся в том, что электрический заряд может вызвать изменение логического состояния элемента памяти или кратковременный бросок напряжения на выходе логического элемента вследствие ионизации от прохождения ТЗЧ. При этом функционирование схемы нарушается, но катастрофических отказов не происходит, и возможно восстановление работоспособного состояния.
3. Эффекты одиночных отказов, основным из которых считается эффект тиристорной защелки (Single Event Latch-up, SEL), когда выделяемый при прохождении ТЗЧ ионизационный заряд оказывается настолько большим, что включается паразитная структура типа «тиристор», приводящая к выгоранию схемы.
Интегральные схемы, предназначенные для применения в условиях воздействия факторов космического пространства, должны обладать устойчивостью к указанным эффектам.
Ниже приводится краткое описание микропроцессоров, обладающих устойчивостью к воздействующим радиационным факторам космического пространства.

2. Зарубежные микропроцессоры

2.1. BAE Systems

Компания BAE Systems [1] занимается разработкой и производством изделий для военных и космических применений начиная с 1980-х гг. Собственный производственно-технологический центр, на котором аттестованы радиационно-стойкие технологические процессы вплоть до 0,15 мкм КМОП, расположен в шт. Виржиния, США. Компания разработала целый ряд микропроцессоров для космических применений, перечень которых приведен в таблице 1. На данный момент более 500 компьютеров для космических аппаратов построены на базе микропроцессоров компании BAE Systems [2].
Наиболее совершенными характеристиками обладает микропроцессор RAD750 с архитектурой PowerPC, который является радиационно-стойкой версией коммерческого микропроцессора PowerPC750F, выпускаемого компанией IBM. Микропроцессор полностью совместим с коммерческим аналогом как программно, так и по назначению выводов корпуса.

Таблица 1. Перечень микропроцессоров разработки компании BAE Sуstems

 

GVSC 1750

RAD6000

RAD750

Архитектура

MIL-STD-1750A

RS\6000 POWER

PowerPC

Год разработки

1991

1996

2001

Технология

Радиационно-стойкий 1,0-мкм КМОП-процесс

Радиационно-стойкий 0,5-мкм КМОП-процесс

Радиационно-стойкий 0,25-мкм КМОП-процесс

Частота, МГц

20

33

166

Для того чтобы обеспечить устойчивость к воздействующим факторам космического пространства, исходный проект был переработан, при этом его функциональность оставлена без изменений. К основным изменениям можно отнести следующие:
– переработку электрической схемы и топологии ячеек памяти;
– переработку электрической схемы и топологии усилителей считывания, декодеров и других элементов, входящих в блок памяти, блока PLL и др.;
– замену всех блоков с элементами динамической логики на функционально подобные блоки на основе полностью статической схемотехники;
– переработку всех триггеров на устойчивые к сбою аналоги;
– повсеместное внедрение схем обнаружения и коррекции ошибок.
Микропроцессор производится по технологии 0,25 мкм КМОП и имеет рабочую частоту до 166 МГц. Стойкость к накопленной дозе составляет не менее 200 крад. Гарантируется полное отсутствие тиристорного эффекта и значение порога к одиночным сбоям ЛПЭ не менее 45 МэВ·см2/мг. Прогнозная частота сбоев на геостационарной орбите составляет 1,6∙10–10/бит/день.
В 2009 г. компания представила улучшенную версию микропроцессора RAD750, изготовленную по радиационно-стойкой технологии 0,15 мкм КМОП. Частота микропроцессора увеличена до 200 МГц, стойкость к накопленной дозе увеличена до 1 мрад, при этом гарантируется отсутствие тиристорного эффекта и сравнимые с 0,25-мкм версией микропроцессора показатели стойкости к одиночным сбоям. В настоящий момент выполняется аттестация данного микропроцессора на соответствие требованиям для космической аппаратуры.

2.2. Honeywell

Компания Honeywell [3] выпускает широчайший набор радиационно-стойкой элементной базы. Базовой технологией является технология «кремний-на-изоляторе» с проектными нормами вплоть до 0,15 мкм, что позволяет полностью исключить эффекты тиристорной защелки и существенно уменьшить вероятность одиночных сбоев. В число производимых компанией микросхем входят достаточно старый 16-разрядный микропроцессор 16750А и более новый микропроцессор с архитектурой PowerPC, имеющий наименование HXRHPPC. Данный микропроцессор по функциональным характеристикам и назначению выводов корпуса идентичен коммерческому микропроцессору PowerPC603e компании Freescale.
Для того чтобы обеспечить устойчивость к воздействующим факторам космического пространства, исходный проект был переработан, но его функциональность осталась без изменений. В целом, перечень доработок примерно соответствует доработкам, выполненным компанией BAE Systems для повышения стойкости микропроцессора RAD750.
Микропроцессор HXRHPPC производится по технологии 0,35 КнИ и имеет частоту до 80 МГц. Стойкостью к полной накопленной дозе составляет более 300 крад, гарантируется полное отсутствие тиристорного эффекта. Прогнозная частота сбоев на геостационарной орбите составляет 1,5∙10–5/чип/день [4].

2.3. Микропроцессоры с архитектурой SPARC

В 1990 г. Европейское космическое агентство (European Space Agency, ESA) начало разработку 32-разрядного микропроцессора для космических применений, которая завершилась в 1997 г. созданием процессора с архитектурой SPARC v7 под названием ERC32 [5]. В развитии этого проекта в 1998 г. ESA начало новую программу по разработке усовершенствованной версии микропроцессора, получившего название LEON. Его разработкой занималась шведская компания Gaisler Reseach. [6]. Данный проект имел цель обеспечить все требования стойкости к воздействующим факторам космического пространства при следующих ограничениях:
– использование коммерческого технологического процесса;
– полностью синтезируемый проект, отказ от заказных узлов для обеспечения переносимости на разные технологические процессы и фабрики;
– построение по принципам СнК на основе стандартного внутрикристального интерфейса с целью обеспечения быстрой модернизации и масштабируемости;
– программная совместимость с одной из распространенных процессорных архитектур.
За основу была выбрана архитектура SPARC V8, обеспечивавшая программную совместимость с ERC32. Кроме того, открытость архитектуры позволила избежать юридических осложнений.
В качестве стандартного внутрикристального интерфейса была выбрана шина AMBA.
В настоящее время развитием данного семейства микропроцессоров занимаются две компании: Atmel, которая выпускает микропроцессоры на базе ядра LEON2FT, и компания Aeroflex, выпускающая микропроцессоры на базе ядра LEON3FT.

2.3.1. Микропроцессоры компании Atmel

Компания Atmel [7] достаточно давно выпускает микропроцессоры на базе ядра LEON2FT. Наиболее последняя разработка имеет номер AT697E.
В состав микропроцессора входит целочисленное ядро, совместимое со SPARC V8, арифметический сопроцессор, контроллеры статического и SDRAM ОЗУ, контроллер PCI, последовательные порты и другие периферийные устройства.
Особенность данного микропроцессора заключается в том, что помимо традиционных средств обнаружения и коррекции одиночных сбоев, защищающих регулярные структуры кэш-памяти и регистровых файлов, в нем применяется схема тройного резервирования триггеров со схемой голосования, что позволяет защитить триггеры нерегулярной управляющей логики от одиночных сбоев. На рисунке 1 приведена схема резервированного триггера. Как видно, сбой в любом из триггеров экранируется логикой голосования, что обеспечивает бессбойную работу всей схемы.

Рис. 1. Схема резервированного триггера

Микропроцессор AT697E производится по КМОП-технологии 0,18 мкм и имеет частоту до 100 МГц. Стойкость к полной накопленной дозе составляет более 60 крад. Гарантируется отсутствие тиристорного эффекта до уровня ЛПЭ не менее 70 МэВ·см2/мг. Прогнозная частота сбоев на геостационарной орбите составляет 1∙10–5/чип/день [8].
В 2009 г. компания представила улучшенную версию микропроцессора под номером AT697F, в которой повышена стойкость к накопленной дозе до 300 крад, а также исправлены ошибки предыдущей версии [9].
2.3.2. Aeroflex

Компания Aeroflex Colorado Springs [10] развивает и продвигает семейство микропроцессоров на основе ядра LEON3FT, которая отличается от LEON2FT более глубоким конвейером (7 стадий вместо 5) и поддержкой многопроцессорности. Развитием этого направления компания начала заниматься после приобретения в середине 2008 г. основного разработчика данной серии — шведской компании Gaisler Research, которая после поглощения получила название Aeroflex Gaisler.
В настоящий момент выпускается семейство микропроцессоров LEON3FT-RTAX на базе радиационно-стойких ПЛИС RTAX2000S от Actel.
В таблице 2 представлены характеристики 8 модификаций микропроцессора LEON3FT-RTAX, отличающихся друг от друга набором периферийных контроллеров.

Таблица 2. Функциональный состав модификаций микропроцессора LEON3FT-RTAX

Номер модификации

1

2

3

4

5

6

7

8

Целочисленное ядро LEON3FT

+

Блок умножения/деления

 

+

 

+

Блок управления питания

+

Арифметический сопроцессор

+

 

 

+

Встроенная память, Кбайт

4

 

4

 

Контроллер 1553 RT

+

 

Контроллер 1553 ВС/RT/МТ

 

 

+

Контроллер SpaceWire, кол-во каналов

 

2

 

3

2

 

2

 

Контроллер CAN 2.0B, кол-во каналов

1

 

Контроллер PCI

 

+

 

Контроллер Ethernet MAC

 

 

Контроллер статического ОЗУ

+

Контроллер SDRAM

 

+

Корпус

CQFP352

CQFP624

CQFP352

 

Все модификации микропроцессора LEON3FT-RTAX имеют рабочую частоту до 25 МГц, стойкость к накопленной дозе до 300 крад; гарантируется отсутствие тиристорного эффекта до уровня ЛПЭ не менее 104 МэВ·см2/мг и порог к одиночным сбоям ЛПЭ не менее 37 МэВ·см2/мг [11].
В мае 2009 г. компания анонсировала микропроцессор U699 [12], выполненный не на ПЛИС, как LEON3FT-RTAX, а в виде заказной микросхемы. В состав микропроцессора входит целочисленное ядро, совместимое со SPARC V8, арифметический сопроцессор, контроллер PCI, четыре канала интерфейса SpaceWire, контроллеры статического и SDRAM ОЗУ, контроллер Ethernet MAC, контроллер CAN 2.0, последовательные порты и другие периферийные устройства.
Микропроцессор UT699 изготавливается по технологии 0,25 мкм КМОП и имеет рабочую частоту до 66 МГц. Стойкость к накопленной дозе составляет не менее 300 крад, гарантируется отсутствие тиристорного эффекта до уровня ЛПЭ не менее 108 МэВ·см2/мг. Порог и частота одиночных сбоев не приводится [13].

2.4. Микропроцессоры с архитектурой MIPS

Стоит упомянуть достаточно старый 32-разрядный микропроцессор Mongoose V с архитектурой MIPS-I, разработанный более 10 лет назад, но все еще применяемый в бортовых компьютерах космических аппаратов. В частности, на его базе строились управляющие компьютеры, установленные в космических аппаратах НАСА запущенных в 2006 г. с целью исследования Плутона и Space Technology 5 по исследованию дальнего космического пространства [14]. Поставками микропроцессора занимается компания Sanova [15].
В состав микропроцессора входит целочисленное MIPS-ядро, включая кэш память команд 4 Кбайт и данных 2 Кбайт, арифметический сопроцессор, последовательные порты, таймеры и т.д. Стойкость к одиночным сбоям повышается за счет повсеместного применения корректирующих кодов для регулярных структур.
Микропроцессор изготавливается по технологии КнИ компании Honeywell и имеет рабочую частоту до 15 МГц. Стойкость к полной накопленной дозе, которая составляет более 100 крад, гарантирует полное отсутствие тиристорного эффекта. Порог одиночных сбоев ЛПЭ составляет не менее 80 МэВ·см2/мг.

2.5. Стоимость микропроцессоров для космических применений

Традиционно, стоимость специальных изделий, к которым относятся микропроцессоры для космических применений, является предметом договоренности в каждом конкретном случае, и эта информация закрыта для свободного доступа. Тем не менее в редких случаях в открытый доступ попадают сведения, позволяющие оценить средний уровень цен на подобные изделия. Так, для микропроцессора Mangoose V на сайте производителя в открытом доступе приведены цены [16], где указано, что цена на микропроцессор находится в ди апазоне 23…42 тыс. долл./шт., в зависимости от партии. В анонсе на микропроцессор UT699 [12] приведена оценочная цена микропроцессора в 25 тыс. долл. в партии 100 шт. В [17] дается оценка стоимости микропроцессора RH3000 в 17 тыс. долл./чип, а комплект из 4—5 СБИС стоит около 100 тыс. долл. Можно сделать вывод, что при штучной поставке средняя цена составляет десятки тысяч долларов за микропроцессор, что в сотни раз выше стоимости коммерческих микропроцессоров.

3. Отечественные микропроцессоры

Вопреки распространенному мнению о полном отсутствии отечественных микропроцессоров, удовлетворяющих требованиям стойкости к воздействующим факторам космического пространства, в последние годы отечественные предприятия разработали и освоили в серийном производстве несколько микропроцессоров и микроконтроллеров, удовлетворяющих подобным требованиям, краткий обзор которых приводится ниже.

 

Микроконтроллер 1874ВЕ05Т
НИИ электронной техники (Воронеж) [18] разработал 16-разрядный микроконтроллер 1874ВЕ05Т, предназначенный для встроенных систем управления в условиях жестких требований к специальным внешним воздействующим факторам (СВВФ). В состав МК входят последовательный порт ввода/вывода, сторожевой таймер, регистровое ОЗУ и пр. Тактовая частота МК составляет 20 МГц [19].
В документации приведены значения показателей стойкости к СВВФ, однако вследствие особенностей документации на отечественные микросхемы затруднительно провести прямое сравнение с зарубежными микропроцессорами по показателям стойкости. При этом можно утверждать, что показатели МК удовлетворяют требованиям по применению в космическом пространстве. Учитывая, что МК изготавливается по технологии КнИ, можно сделать вывод, что тиристорный эффект отсутствует и обеспечивается примерно на порядок большая стойкость к одиночным сбоям, по сравнению с традиционной КМОП-технологией [20, 21]. Микроконтроллер выпускается серийно.

 

Микропроцессор 5890ВЕ1Т

К сожалению, в открытой печати информация об этом микропроцессоре отсутствует, поэтому в данной статье приводятся минимальные данные, представленные в устном докладе на конференции «Элементная база космических систем» в 2009 г.
В состав микропроцессора входит целочисленное 32-разрядное RISC-ядро, включая кэш-память размером
8 Кбайт + 8 Кбайт, арифметический сопроцессор и набор контроллеров, в т.ч. контроллер шины PCI, контроллеры ОЗУ и ПЗУ, контроллер последовательных портов RS232 и т.д., что позволяет строить функционально законченную ЭВМ на его основе.
Рабочая частота 33 МГц, стойкость к накопленной дозе удовлетворяет требованиям применения в космическом пространстве. Микропроцессор изготавливается по технологии КнИ. Соответственно, тиристорный эффект отсутствует, а также обеспечивается примерно на порядок большая стойкость к одиночным сбоям по сравнению с традиционной КМОП-технологией. Микропроцессор выпускается серийно.

 

Микропроцессор MC-24R («Сталкер»)

ГУП НПЦ «Элвис» (Зеленоград) [22] разрабатывает МК MC-24R («Сталкер»), который предназначен для аэрокосмических бортовых систем управления и обработки данных [23]. В состав микропроцессора входит MIPS32-совместимое ядро и ядро специализированного сопроцессора с SIMD-архитектурой и ряд периферийных контроллеров.
Микропроцессор рассчитан на коммерческую технологию 0,25 мкм. Расчетная рабочая частота — до 100 МГц. Защита от тиристорного эффекта обеспечивается специальными топологическими решениями. Защита от одиночных сбоев обеспечивается применением корректирующих кодов для регулярных структур. Численных значений по стойкости к накопленной дозе, тиристорному эффекту и одиночным сбоям в открытой печати найти не удалось.
В соответствии с [23], возможна поставка макетных образцов микросхем МС-24TR2 и МС-24КЕ3.

Заключение

В статье приведен краткий обзор зарубежных и отечественных микропроцессоров, стойких к воздействию радиационных факторов космического пространства. Во всех из них применены специальные схемотехнические, технологические и топологические решения для того, чтобы обеспечить требуемый уровень стойкость. Разработка таких решения является весьма трудоемким и дорогостоящим процессом, в связи с чем стоимость микропроцессоров для космических применений составляет десятки тысяч долларов за штуку, что в сотни раз выше коммерческих аналогов. Рассмотрены показатели стойкости к одиночным сбоям, накопленной дозе и эффекту тиристорной защелки. Необходимо отметить, что помимо перечисленных основных эффектов, существуют и другие, например эффекты множественных сбоев, эффект выгорания подзатворного диэлектрика, микродозовый эффект и др., изучение которых ведется достаточно активно, но их влияние начинает ощутимо проявляться только при уменьшении проектных норм от 180 нм. Данное обстоятельство является одной из причин того, что наиболее совершенной технологией, применяемой при проектировании микропроцессоров для космических применений, является технология 0,25 мкм, и ведущие мировые компании только начинают осваивать уровень 0,15 мкм для космических применений, тогда как для коммерческих схем применяются технологические уровни до 32 нм и активно осваиваются новые технологические рубежи.

Литература

1. www.baesystems.com.
2. 2009 Short-form product guide Radiation-hardened electronics// www.baesystems.com/BAEProd/groups/public/documents/bae_publication/bae_pdf_eis_09_product_guide.pdf.
3. www.honeywell.com/radhard.
4. HXRHPPC Processor Rad-Hard Microprocessor//August 2008, Honewell International Inc.
5. J.Gaisler, Concurrent error-detection and modular fault-tolerance in an 32-bit processing core for space applications//FTCS-24, June 1994, Austin, USA.
6. J. Gaisler, A Portable and Fault-Tolerant Microprocessor Based on the SPARC V8 Architecture//Gaisler research, 2002.
7. www.atmel.com.
8. Rad-Hard 32 bit SPARC V8 Processor AT697E//Atmel, Rev. 4226E–AERO–09/06.
9. Rad-Hard 32 bit SPARC V8 Processor AT697F, Advance Information//Atmel, 7703C–AERO–6/09
10. www.aeroflex.com.
11. LEON3-FT SPARC V8 Processor LEON3FT-RTAX Data Sheet and User’s Manual //Aeroflex Gaisler, February 2009, Version 1.1.0.7.
12. http://www.aeroflex.com/ams/news/2009/090529.pdf.
13. UT699 32-bit Fault-Tolerant SPARCTM V8/LEON 3FT Processor, Data Sheet//Aeroflex , November 3, 2009.
14. В. Михалев. Аппаратные решения архитектуры MIPS и программные технологии QNX. //http://www.swd.ru/files/pdf/seminars/qnx_day/Mahilev.pdf.
15. www.synova.com/index.html.
16. www.synova.com/proc/mg5_price.html.
17. А.И. Чумаков. Действие космической радиации на интегральные схемы//М.: Радио и связь, 2004.
18. www.niiet.ru/index.html.
19. Устойчивый к СВВФ 16-разрядный микроконтроллер без ПЗУ и АЦП//www.niiet.ru/acrobat/1874BE05T.pdf.
20. Б. Василегин, В. Емельянов, П. Осипенко и др. Исследование влияния конструктивно-технологических параметров КнИ СОЗУ на чувствительность к одиночным сбоям при воздействии тяжелых заряженных частиц//ВАНТ, серия «Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру», научно-технический сборник, вып. 1, М.: НИИП. — 2008. — с. 133—138.
21. Cannon E., Reinhardt D. et all. SRAM SER in 90, 130 and 180 nm Bulk and SOI Technologies//42nd Annual Reliability Physics Symposium, 2004, pp. 300—304.
22. http://multicore.ru/index.php.
23. Платформа «Мультикор» — отечественная инновационная технология проектирования микросхем. Элвис. Каталог 2008//www.radiocomp.ru/pdf/elvees.pdf.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Павел Осипенко, к.т.н., зав. отделом, НИИСИ РАН



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты