Регистрация | Вход

Объявление

Свернуть
Пока нет объявлений.

Журнал «ЭК»:Высоконадежные и реконфигурируемые радиационно-стойкие ПЛИС для космической техники

Свернуть
X
 
  • Фильтр
  • Время
  • Показать
Очистить всё
новые сообщения

    Журнал «ЭК»:Высоконадежные и реконфигурируемые радиационно-стойкие ПЛИС для космической техники



    Высоконадежные и реконфигурируемые радиационно-стойкие ПЛИС для космической техники



    Джулиан Ди Маттео (Julian Di Matteo), ведущий инженер по маркетингу продукции, авиационно-космическое подразделение, Microchip (www.microchip.com)



    В этой статье кратко рассматриваются технологии ПЛИС для космических приложений, а также требования к разработке этих компонентов.



    При выборе программируемых матриц логических элементов (ПЛИС) у разработчиков космической техники имеется несколько возможностей. Одна из них – воспользоваться готовыми (COTS) коммерческими изделиями, чтобы сократить единичную стоимость компонентов и время выполнения заказа. Однако коммерческие изделия, как правило, недостаточно надежны, подлежат проверке (что увеличивает расходы и инженерные ресурсы), требуют тройного модульного резервирования (TMR) на уровне кристалла и прошивки для защиты от воздействия космической радиации. Для приложений, в которых отказ недопустим, разработчики обычно выбирают более дорогие ПЛИС, радиационная стойкость которых обеспечивается схемотехнически при проектировании (с помощью технологии RHBD). Это уже проверенные компоненты, которые соответствуют стандартам классов Q и V списка квалифицированных производителей (QML). QML Class V – наивысший квалификационный стандарт для полупроводников, используемых в космической технике. В пилотируемых и критически важных для безопасности полетах применяются компоненты QML-V, сокращающие риск отказа.

    Разработчики, чьи системы должны отвечать растущим нуждам в обеспечении сложной комбинации высокой производительности, усовершенствованной обработки данных на борту космической техники и высокоскоростной связи в космосе, требуются высоконадежные компоненты. ПЛИС RT представляют собой радиационно-стойкие компоненты, появление которых стало возможным благодаря большому опыту и наследию производителя в области космических приложений, а также решений, которые успешно прошли испытания на соответствие требованиям QML Class V.



    Воздействие космической радиации

    ПЛИС RT лишены недостатков COTS-компонентов, работоспособность которых может ухудшиться под воздействием космической радиации настолько, что произойдет отказ.

    Одним из таких радиационных эффектов является полная поглощенная доза (total ionizing dose, TID), накопление которой происходит под воздействием заряженных частиц и гамма-излучения. Излучение вызывает ионизацию в веществе, которая влияет на возбуждение и перенос заряда, проволочный монтаж и может способствовать разложению материалов. Ионизация негативно сказывается на характеристиках устройства. TID – кумулятивное ионизирующее излучение, которое электронное устройство получает за определенный период времени, как правило, в процессе эксплуатации. Размер ущерба зависит от количества радиации и выражается в поглощенной дозе облучения (radiation absorbed dose, RAD). В зависимости от радиационной стойкости к полной поглощенной дозе устройство может испытывать функциональные или параметрические отказы. Из-за накопленной дозы увеличивается задержка распространения в ПЛИС, что ухудшает работоспособность этого компонента. Кроме того, в результате длительного воздействия радиации увеличивается ток утечки.

    К еще одному типу радиационного воздействия относятся единичные эффекты (single-event effect, SEE) – мгновенные сбои, переходные процессы или необратимые повреждения, вызванные протонами, тяжелыми ионами и альфа-частицами, которые поражают чувствительные области транзистора, приводя к сбоям. Единичными эффектами также считаются одиночные сбои (single event upsets, SEU), которые возникают, когда высокоэнергетические ионизирующие частицы, например тяжелые ионы, альфа-частицы или протоны, бомбардируют электрические цепи или проходят через интегральную схему, нарушая работу триггеров.

    Ионизация вызывает также единичный эффект защелкивания (single event latch-up, SEL) – переход микросхемы в состояние с высоким потреблением тока. В одних случаях этот эффект оказывается разрушительным, и ток не восстанавливается до номинального значения. В других случаях для его восстановления требуется снять питание.



    Сравнение технологий ПЛИС

    Рассмотрим четыре основных типа ПЛИС.



    ПЛИС на основе SRAM

    SRAM ПЛИС хранит данные конфигурации логических ячеек в статической памяти. Поскольку SRAM является энергозависимой памятью, она не сохраняет конфигурацию устройства без питания. После его включения требуется снова загрузить прошивку. SRAM-технология характеризуется более высоким потреблением энергии и большей чувствительностью к излучению.



    ПЛИС на основе флэш-памяти

    Перепрограммируемые ПЛИС на основе флэш-памяти используют ее в качестве главного ресурса для конфигурирования. Флэш-технология невосприимчива к отказам SEU-типа, что исключает угрозу радиационных сбоев в памяти конфигурации. ПЛИС RTG4 потребляют на 50% меньше энергии по сравнению с SRAM ПЛИС. Технология флэш-памяти во многом упрощает схему ПЛИС, поскольку отсутствует необходимость во внешней памяти, избыточности или постоянном мониторинге конфигурации. Отпадает необходимость и в радиаторе, благодаря чему уменьшаются массогабаритные показатели и энергопотребление модулей, что может оказаться важным обстоятельством в тех случаях, когда они питаются от солнечных батарей.



    SONOS ПЛИС

    В качестве примера приведем ПЛИС RT PolarFire от Microchip, которые имеют необходимые данные о радиационных испытаниях, низкое энергопотребление, радиационную стойкость к сбоям отдельных триггеров и информации в ячейках памяти (SEU), тиристорному эффекту (SEL), сбоям конфигурации и высокую надежность. Эти ПЛИС разработаны на основе энергонезависимой технологии SONOS (сокр. от «кремний – оксид – нитрид – оксид – кремний») с использованием 28-нм техпроцесса. Производительность 28-нм и более ранней 65-нм технологий сравнивалась путем измерения задержки распространения инвертора. Тестирование показало, что производительность 28-нм технологии SONOS в 2,5 раза выше, чем у 65-нм флэш-технологии. ПЛИС на базе SONOS, которые проходят стандартную процедуру тестирования и сертификацию QML-V, предназначены для приложений с высокоскоростной обработкой сигналов.


    Однократно программируемые ПЛИС

    ПЛИС этого типа программируются один раз, что ограничивает их главное преимущество – возможность перепрограммирования – в сравнении с ПЛИС на базе флэш-технологии и SONOS. Для однократного программирования расплавляются специальные перемычки в определенных участках кристалла, что позволяет реализовать требуемую схему. Эта технология обеспечивает очень высокую устойчивость к воздействию радиации.



    Проектирование RT ПЛИС

    ПЛИС RT разрабатываются по технологическим процессам, которые обеспечивают отличный показатель накопленной дозы излучения. Радиационная стойкость этих компонентов при необходимости обеспечивается схемотехнически по технологии RHBD благодаря триггерам с троекратным резервированием. Программное троекратное резервирование осуществляется в том случае, если оно не обеспечено на уровне кристалла. Готовая RT ПЛИС проходит квалификационные испытания.

    Как известно, самые строгие требования предъявляются спецификацией MIL-PRF-38535 Министерством обороны США, которое установило единообразные стандарты для сертификации, тестирования и обеспечения надежности ИС военного и космического назначения. Стандарт MIL-PRF-38535 определяет требования к тем производителям микросхем, которые желают, чтобы их внесли в список QML Агентства оборонной логистики (DLA).

    Еще один аспект разработки ПЛИС – определение устойчивости к сбоям типа SEE, которая не меняется от одной партии пластин к другой при той же полупроводниковой схеме. Производители ПЛИС могут приступить к определению устойчивости к сбоям типа SEE после заморозки проекта. Если же устройство запущено в производство, дополнительные испытания такого рода не требуются в силу отсутствия изменений в конструкции этих компонентов после определения всех их характеристик.

    Бывает, некоторые технологические процессы не обеспечивают неизменного показателя TID от одной партии пластин к другой. В таких случаях тестирование должно осуществляться на производстве по партиям пластин, чтобы обеспечить соответствие компонентов заданному уровню TID (25, 100, 300 крад).



    Влияние RT ПЛИС на конструкцию космических аппаратов

    Новейшие ПЛИС RT обладают многими преимуществами, благодаря которым можно упростить конструкцию оборудования, значительно ускорив обработку данных на борту спутников. RT ПЛИС, изготовленные по меньшим технологическим нормам, обеспечивают более высокую производительность и скорость обработки сигналов, оснащены памятью большего объема и более широким набором функций DSP. К другим ключевым преимуществам RT ПЛИС относится возможность перепрограммирования и меньшее время разработки по сравнению с ASIC. Как правило, ПЛИС не подвергаются перепрограммированию в космосе, но эта функция может оказаться востребованной в дальнейшем при условии, что разработчики тщательно оценят вероятность успеха и риски, связанные с перепрограммированием на орбите.



    Прочитать в оригинале…
    Последний раз редактировалось Darya; 02-07-2021, 17:30.
    Взято автоматически из интернета.

Похожие темы

Тема Автор Раздел Последнее сообщение
2002—2021 «ЭтЛайт»
Наши контакты: +7 (812) 309-50-30, client@efind.ru
Реклама · Участие в поиске · Инструменты · Блог · Аналитика · English version

  ExpoElectronica RADEL
Обработка...
X